[发明专利]一种六维力传感器

说明书

本发明公开了一种六维力传感器，包含上平台、下平台、柱体、第一至第四垂直梁、以及第一至第十六应变片。本发明首先提出一种弹性体结构，然后，在弹性体上对力/力矩敏感的区域粘贴应变片。应变片会将弹性体在外力作用下的应变转换为应变片敏感栅的形变，由于金属合金的电阻特性，金属丝的伸长或缩短会导致电阻的变化，敏感栅的形变将进一步导致应变片电阻发生变化。进行力测量时，首先通过惠斯通全桥电路将应变片的电阻变化转换为电压输出，然后根据六维力传感器的输入（力F）输出（全桥电路电压输出）关系计算出六维力传感器的受力。本发明需要贴装的应变片更少，灵敏性好，且安装方便。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种六维力传感器。

背景技术

六维力传感器因其能同时检测空间内的三维力和三维力矩，已经被广泛应用于工业、航空以及机器人领域。目前关于六维力传感器已有多方面的研究。研究的热点问题之一便是力传感器的弹性体结构设计，这是因为弹性体的结构设计将直接或间接影响到传感器设计的三大主要参数：测量灵敏度、各向同性以及耦合程度。六维力传感器弹性体的典型结构主要包括十字梁结构、三梁非径向结构、T型梁结构、竖梁结构以及Stewart平台结构等。其中基于Maltese十字梁结构的传感器是使用最为广泛的一种六维力传感器，参见图1，但是依然存在着各向同性差，耦合程度高的致命缺陷。要想克服这些缺陷，就要增加应变片的贴片数量，而这样将进一步地引入新的测量误差。

同时，Maltese十字梁结构传感器一般要在狭小的空间内粘贴24片应变片，组成六路全桥电路。由于应变片贴片位置会影响传感器的测量精度，这无疑对应变片粘贴工艺也提出很高的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为克服传统六维力传感器耦合严重、各向同性差以及应变片数量多且不易粘贴的缺点，本发明提出一种六维力传感器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种六维力传感器，包含上平台、下平台、柱体、第一至第四垂直梁、以及第一至第十六应变片；

所述柱体为上下开口的空心矩形柱，包含依次相连的第一至第四侧面，所述第一侧面、第三侧面上均设有开口朝下的U形缺口；所述第二侧面、第四侧面上均设有开口朝上的U形缺口；所述第一至第四侧面上的U形缺口均包含一个底边和两个和底边垂直的竖边，且第一至第四侧面上的U形缺口均关于其所在柱体侧面的垂直中轴线对称；

所述第一至第四垂直梁分别设置在所述第一至第四侧面的U形缺口中，其中，第一垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第一侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第二垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第二侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第三垂直梁一端和所述下平台垂直固连，另一端和所述第三侧面U形缺口底边的中点垂直固连；第四垂直梁一端和所述上平台垂直固连，另一端和所述第四侧面U形缺口底边的中点垂直固连；所述第一至第四垂直梁分别将所述第一至第四侧面U形缺口的底边等分为两条水平梁，且第一至第四垂直梁所在平面分别垂直于其所在柱体侧面；

所述第一、第四应变片分别设置在所述第一侧面上靠近、远离第四侧面的水平梁的下端面中点处；所述第二，第三应变片分别设置在所述第一垂直梁靠近、远离第四侧面的端面上，且均位于其所在端面上部1/3处；

所述第五、第六应变片分别设置在所述第二垂直梁靠近、远离第一侧面的端面上，且均位于其所在端面下部1/3处；所述第七、第八应变片分别设置在所述第二侧面靠近、远离第一侧面的水平梁的上端面中点处；

所述第九、第十应变片分别设置在所述第三侧面靠近、远离第二侧面的水平梁的下端面中点处；所述第十一、第十二应变片分别设置在第三垂直梁靠近、远离第二侧面的端面上，且均位于其所在端面上部的1/3处；