[发明专利]一种三维力传感器及其工作方法

说明书

本发明涉及一种三维力传感器及其工作方法，包括壳体、环形端盖、摩擦纳米发电机、弹性变形体以及受力体，壳体为上端具有开口的筒状结构，壳体的内侧面设有若干个呈圆周均布的定位凹槽，每个定位凹槽内安装有至少一个摩擦纳米发电机；环形端盖固联在壳体的顶部；弹性变形体容置在壳体内部，弹性变形体的顶面中部设有定位孔，弹性变形体的外侧面设有与若干个定位凹槽的位置相对应的若干个定位凸部，定位凸部嵌入到定位凹槽内且与摩擦纳米发电机相接触；受力体的下部嵌入到定位孔内且与定位孔的侧壁相接触，受力体的上部向上穿过环形端盖。本发明结构设计合理、简单紧凑、维间耦合程度低，模块化强，准确测量三维力，具有一定的通用性。

技术领域：

本发明涉及一种三维力传感器及其工作方法。

背景技术：

多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，其广泛用于航空航天、智能制造、智能机器人等领域。

三维力传感器是多维力传感器的一种结构，能同时检测三维空间的三个力信息。然而，现有的三维力传感器在使用时均需要外接电源，这就使得携带和使用不够方便，同时现有大部分三维力传感器也都没设置过载保护，在使用过程中容易造成传感器损坏。

发明内容：

本发明的目的在于针对以上不足之处，提供一种三维力传感器及其工作方法，结构合理，携带和使用方便，同时具有过载保护。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种三维力传感器，包括壳体、环形端盖、摩擦纳米发电机、弹性变形体以及受力体，所述壳体为上端具有开口的筒状结构，壳体的内侧面设有若干个呈圆周均布的定位凹槽，每个定位凹槽内安装有至少一个摩擦纳米发电机；所述环形端盖固联在壳体的顶部；所述弹性变形体容置在壳体内部，弹性变形体的顶面中部设有定位孔，弹性变形体的外侧面设有与若干个定位凹槽的位置相对应的若干个定位凸部，所述定位凸部嵌入到定位凹槽内且与摩擦纳米发电机相接触；所述受力体的下部嵌入到定位孔内且与定位孔的侧壁相接触，受力体的上部向上穿过环形端盖。

进一步的，所述壳体和弹性变形体均为圆柱体状，壳体的内侧面与弹性变形体的外侧面相贴合，弹性变形体的顶面与环形端盖的底面相贴合。

进一步的，所述定位凹槽和定位凸部均为竖向延伸的长条状，定位凹槽的上端延伸至壳体的上端开口。

进一步的，所述摩擦纳米发电机包括安装基座、柔性底座、柔性外壳、橡胶膜、铜膜以及外接电路，所述柔性底座固联在安装基座的顶面中部；所述橡胶膜设置在柔性底座的顶面；所述铜膜罩设在柔性底座的外侧，铜膜与橡胶膜之间连接有外接电路；所述柔性外壳罩设在铜膜的外侧且固定在安装基座的顶面，用于与定位凸部相接触。

进一步的，所述安装基座和柔性底座均为圆柱状，柔性底座的顶部为向上凸起的弧形状；所述铜膜和柔性外壳均为半球形状。

进一步的，所述定位凹槽的的底面设有两个沿竖向分布的安装圆孔，每个安装圆孔内均嵌设有一个摩擦纳米发电机的安装基座。

进一步的，所述定位孔为上端直径大、下端直径小的圆台状且沿竖向贯通；所述受力体的下部为与定位孔的形状相适应的圆台状，受力体的上部为半球形状。

为了实现上述目的，本发明采用的另一种技术方案是：一种三维力传感器的工作方法，工作时，受力体的上部承受外载荷的作用，弹性变形体在受力体下部的挤压下沿径向发生变形，弹性变形体外侧面的定位凸部挤压定位凹槽内的摩擦纳米发电机的柔性外壳，各个定位凹槽内的摩擦纳米发电机产生不同的电信号，通过对不同的电信号进行解耦计算得出受力体所受三维力，从而实现对三维力的测量。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

（1）本发明利用摩擦纳米发电机作为传感器的敏感器件，无需外接电源；