[发明专利]采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器

摘要

本发明公开了一种采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，其属于多维力/力矩测量装置。包括带安装盘和输出电极插座的基座，六组被上下两片绝缘电极板夹住由两种切型压电石英晶片构成的交替均匀分布于该基座安装盘上的测力敏感单元，上盖，内侧密封套筒，信号引出线和绝缘填充材料；其中第一片测力敏感单元偏离X轴一个角度α；在绝缘电极板内侧有对应于石英晶片的成对电极，每对电极均由信号引出线与基座上的输出电极插座连接。本发明具有结构简单紧凑、无冗余敏感单元、刚度大、动态性能好、易于微小型化、制造成本低、对传感器输出信号调理电路需求少的优点，可用于智能机器人、自动化检测、航空航天、机械加工等多个领域。

主权项

1.采用6组测力敏感单元的压电式六维力/力矩传感器，包括内部带有安装盘(91)和外部带有输出电极插座(13)的基座(9)，安装在该基座(9)内部安装盘(91)上的测力敏感单元(j0)，夹住该测力敏感单元(j0)的上下两片绝缘电极板(141、142)；紧压在上片绝缘电极板(141)之上的上盖(10)，连接两片绝缘电极板(141、142)上的电极与基座(9)上输出电极插座(13)的信号引出线(12)，用于固定和绝缘隔离信号引出线(12)的绝缘填充材料(11)，在上盖(10)和基座(9)的内孔处连接二者的内侧密封套筒(15)；其中，所述测力敏感单元(j0)由若干片石英晶片构成，这些石英晶片均匀分布在传感器基座安装盘(91)上的三维直角坐标系X、Y平面内一个Z轴通过其圆心的参考圆(ck)的圆周上；在所述的两片绝缘电极板(141、142)内侧的成对电极与各石英晶片相对应；/n构成所述测力敏感单元(j0)的石英晶片(j1～j6)有六片，所述绝缘电极板(141、142)内侧的成对电极(d1～d6)有六对；这六片石英晶片中有三片为Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)，另三片为X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)，第一片Y(0°)切型石英晶片(j1)布置在所述参考圆(ck)的圆周上，该晶片中心点与所述三维直角坐标系原点的连线偏离X轴的角度为α，其余的五片石英晶片按照切型不同依次交替均匀放置在所述参考圆(ck)的圆周上，使得相邻两片石英晶片对所述三维直角坐标系原点的夹角为60°，并且切型相异，各测力敏感单元的位置不在所述三维直角坐标系的坐标轴上；在三片Y(0°)切型石英晶片(j1、j3、j5)各自的晶片三维直角坐标系中，其Y轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其X轴沿所述参考圆(ck)的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在三片X(0°)切型石英晶片(j2、j4、j6)各自的晶片三维直角坐标系中，其X轴均与所述传感器基座安装盘上的三维直角坐标系的Z轴平行，其Y轴沿所述参考圆(ck)的圆周逆时针或顺时针方向同向布置；在所述上下两片绝缘电极板(141、142)内侧的六对电极(d1～d6)构成六个信号输出端(Q1～Q6)，并分别通过信号引出线(12)与各自对应的一个输出电极插座(13)连接；/n得到被测力/力矩六个方向的量值可通过以下方法：直接将六个信号输出端(Q1～Q6)的输出值与该六维力/力矩传感器的标定矩阵右乘，即可得到被测力/力矩在六个方向的力分量Fx、Fy、Fz和力矩分量Mx、My、Mz的量值；/n所述标定矩阵通过如下方式构建：先分别六次施加单一不同方向的已知单位力或力矩，每次得到一组由六个信号输出值构成的列向量，这六组列向量构成一个六阶方矩阵；按照该六方阶矩阵每一列所对应的已知单位力/力矩给出一个六阶对角矩阵，该六阶对角矩阵主对角线上的元素为所施加的已知单位力/力矩；将传感器输出值构成的六阶方矩阵求逆后右乘六阶对角矩阵就可得到标定矩阵。/n