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一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能装备

阅读：318发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能装备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能装备，包括壳体、弹性体、端盖、第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头，所述弹性体安装在所述壳体内部，所述端盖设置在所述壳体底部，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头均匀间隔设置在所述弹性体的侧面上，所述第五探头设置在弹性体底部，所述第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头可以通过电流激发涡流磁场变化进而感应出弹性体的变形量和变形方向。本发明提出的力传感器具有体积小、抗干扰、承载能力强等特点，并且具备直接从机械本体上调节传感器测力范围和精度的能力，灵活性极强。，下面是一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能装备专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于，包括壳体、弹性体、端盖、第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头，所述弹性体安装在所述壳体内部，所述端盖设置在所述壳体底部，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头均匀间隔设置在所述弹性体的侧面上，所述第五探头设置在弹性体底部，所述第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头可以通过电流激发涡流磁场变化进而感应出弹性体的变形量和变形方向。
2.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述壳体具体为薄壁圆筒状结构，筒壁上设置有均布的第一内螺纹、第二内螺纹、第三内螺纹和第四内螺纹，所述第一内螺纹与第一探头的外螺纹连接，所述第二内螺纹和第二探头的外螺纹连接，所述第三内螺纹与第三探头的外螺纹连接，所述第四内螺纹和第四探头的外螺纹连接。
3.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述壳体的筒壁靠近底部对称设置有两个凸起，所述壳体的顶部设置有第一通孔。
4.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述弹性体具体为哑铃状结构，所述弹性体顶部中心位置设置有定位孔，弹性体顶部边缘设置有四个均布的第一螺钉孔，弹性体顶部径向下方设置有第一凸缘。
5.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述弹性体侧壁上开设有第二通孔，弹性体侧壁上还设置有四个齿状结构。
6.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述弹性体底部径向下设置有导向槽和第二凸缘，所述弹性体底部中心位置设置有第一沉孔，所述第一沉孔外侧同心位置设置有第五内螺纹，与所述第五内螺纹外侧同心位置设置有第六内螺纹，与所述第六内螺纹外侧同心位置设置有沉槽，所述弹性体底部还设置有四个均布的第二螺钉孔，与所述第二螺钉孔相隔45°位置设置有两个均布的第二沉孔。
7.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述端盖具体为扁平结构，所述端盖外侧圆周上设置端盖外螺纹，所述端盖端部设置凸台，所述端盖底部设置有第三沉孔和第四沉孔，所述端盖底部边缘还设置有第三凸缘。
8.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述第一探头包括探头支架和线圈，所述线圈设置在探头支架内，所述探头支架具体为柱状结构，所述探头支架外侧圆周上设置有支架外螺纹，所述探头支架外侧还开有四个局部的缺口，所述探头支架端部设置有直槽。
9.如权利要求8所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述探头支架内部中空，所述探头支架内部中心位置设置有圆柱。
10.如权利要求9所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述线圈具体为中空圆柱结构，所述线圈中心设置有第三通孔，所述第三通孔内径大小与所述圆柱外径一致。
11.如权利要求10所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述第二探头、第三探头、第四探头和第五探头结构与所述第一探头一致。
12.如权利要求5所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头设置在距齿状结构外侧0.3-0.6mm的位置。
13.如权利要求1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，其特征在于：所述端盖设置在距第五探头端面0.3-0.5mm位置。
14.一种基于电涡流效应的六维力检测方法，其特征在于，使用如权利要求1-13任一项所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。
15.如权利要求14所述的基于电涡流效应的六维力检测方法，其特征在于，在检测过程中通过第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头的检测反馈数据判断力的方向。
16.一种智能设备，包括传感器，其特征在于，所述传感器具体为如权利要求1-13任一项所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器。

说明书全文

一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能装备

技术领域

[0001] 本发明涉及力传感器技术领域，具体涉及一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能设备。

背景技术

[0002] 随着智能装备的快速发展，对于如何更加精准感知外部环境成为智能化行业发展的关键,力传感器作为机器人与环境交互的中间媒介，使得机器人控制更加简洁、精准、高效。

[0003] 现有的力传感器主要是使用电阻应变片进行检测的,通过设计合适的弹性体结构,将应变片粘贴在应变最大的位置。如专利号为CN102095534的中国专利公开了一种双十字梁高灵敏度六维力传感器，将两个十字梁弹性体结合使用，十字梁上开有I字形双孔，其上粘贴有应变片，该结构相比普通六维力传感器去除了串扰，有利于减小维间耦合提高测量精度；专利号为CN102323000的中国专利公开了一种安全型无力耦合六维力传感器，通过在每一个力方向弹性体上粘贴应变片和安全稳固的；然而应变片的粘贴工艺对应变式力传感器性能影响较大，粘接剂的使用会带来严重的蠕变、迟滞等问题，导致传感器测量准确度不高；弹性体为了获得更大应变量，更大承载力，体积上难以小型化；另外应变片的栅丝为金属丝，在磁场干扰较大的场合，应变式力传感器难以推广使用。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能设备。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于电涡流效应的六维力检测传感器，包括壳体、弹性体、端盖、第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头，所述弹性体安装在所述壳体内部，所述端盖设置在所述壳体底部，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头均匀间隔设置在所述弹性体的侧面上，所述第五探头设置在弹性体底部，所述第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头可以通过电流激发涡流磁场变化进而感应出弹性体的变形量和变形方向。当存在力加载时，弹性体发生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即可检测出力的大小和方向。

[0006] 进一步的，所述壳体具体为薄壁圆筒状结构，筒壁上设置有均布的第一内螺纹、第二内螺纹、第三内螺纹和第四内螺纹，所述第一内螺纹与第一探头的外螺纹连接，所述第二内螺纹和第二探头的外螺纹连接，所述第三内螺纹与第三探头的外螺纹连接，所述第四内螺纹和第四探头的外螺纹连接。由于感应探头不与弹性体接触，因此可以允许传感器有较大的负载能力及较大的变形量，同时涡流场的频率可达上百千赫，具有较高的分辨率并且可以有效抵抗较大范围的磁场干扰，因此本发明具有体积小、分辨率高、抗干扰的特点。

[0007] 进一步的，所述壳体的筒壁靠近底部对称设置有两个凸起，所述壳体的顶部设置有第一通孔。通过凸起对壳体的安装起导向作用，通过第一通孔可以便于弹性体的伸出以安装负载。

[0008] 进一步的，所述弹性体具体为哑铃状结构，所述弹性体顶部中心位置设置有定位孔，弹性体顶部边缘设置有四个均布的第一螺钉孔，弹性体顶部径向下方设置有第一凸缘。定位孔用于对负载的中心定位，第一螺钉孔用于负载的安装固定，第一凸缘可以对传感器进行有效防尘保护。

[0009] 进一步的，所述弹性体侧壁上开设有第二通孔，弹性体侧壁上还设置有四个齿状结构。第二通孔便于信号线缆的引出，四个齿状结构起到力检测面的作用。

[0010] 进一步的，所述弹性体底部径向下设置有导向槽和第二凸缘，所述弹性体底部中心位置设置有第一沉孔，所述第一沉孔外侧同心位置设置有第五内螺纹，与所述第五内螺纹外侧同心位置设置有第六内螺纹，与所述第六内螺纹外侧同心位置设置有沉槽，所述弹性体底部还设置有四个均布的第二螺钉孔，与所述第二螺钉孔相隔45°位置设置有两个均布的第二沉孔。导向槽和第二凸缘分别用于壳体的圆周定位和轴向定位，沉孔深入弹性体内部与第二通孔相交连通用于信号线缆的引出，第五内螺纹用于第五探头的旋入装配，第六内螺纹和沉槽用于对端盖的拧入位置起连接和定位作用，第二螺钉孔用于传感器的安装固定，沉槽大小大于第六内螺纹，第六内螺纹大小大于第五内螺纹。

[0011] 进一步的，所述端盖具体为扁平结构，所述端盖外侧圆周上设置端盖外螺纹，所述端盖端部设置凸台，所述端盖底部设置有第三沉孔和第四沉孔，所述端盖底部边缘还设置有第三凸缘。外螺纹用于与壳体装配固定，凸台用作轴向检测面，第三沉孔和第四沉孔用于端盖的旋紧，第三凸缘用于端盖的定位，保证端盖安装位置的准确性。

[0012] 进一步的，所述第一探头包括探头支架和线圈，所述线圈设置在探头支架内，所述探头支架具体为柱状结构，所述探头支架外侧圆周上设置有支架外螺纹，所述探头支架外侧还开有四个局部的缺口，所述探头支架端部设置有直槽。探头支架上的外螺纹用于与壳体配合安装，缺口和直槽便于探头旋拧。

[0013] 进一步的，所述探头支架内部中空，所述探头支架内部中心位置设置有圆柱。内部中空便于与线圈装配，圆柱起到定位作用。

[0014] 进一步的，所述线圈具体为中空圆柱结构，所述线圈中心设置有第三通孔，所述第三通孔内径大小与所述圆柱外径一致。方便线圈与探头支架的装配，保证安装的准确性。

[0015] 进一步的，所述第二探头、第三探头、第四探头和第五探头结构与所述第一探头一致。这种结构的设计便于信号线的引出及检测距离的调整，通过旋拧调节距检测面距离可以调节传感器测力量程范围进一步的，所述第一探头、第二探头、第三探头和第四探头设置在距齿状结构外侧0.3-
0.6mm的位置。这个距离的设置保证了检测的准确度，而且感应探头不与弹性体接触，因此可以允许传感器有较大的负载能力及较大的变形量，同时涡流场的频率可达上百千赫，具有较高的分辨率并且可以有效抵抗较大范围的磁场干扰。

[0016] 进一步的，所述端盖设置在距第五探头端面0.3-0.5mm位置。避免端盖与第五探头接触影响检测的精度，保证了传感器的检测准确性。

[0017] 一种基于电涡流效应的六维力检测方法，使用如以上任一项所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。

[0018] 进一步的，在检测过程中通过第一探头、第二探头、第三探头、第四探头和第五探头的检测反馈数据判断力的方向。

[0019] 一种智能设备，包括传感器，所述传感器具体为如以上任一项所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器。

[0020] 本发明提供的一种基于电涡流效应的六维力检测方法、传感器及智能设备的有益效果在于：当存在力加载时，弹性体产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线。由于感应探头不与弹性体接触，因此可以允许传感器有较大的负载能力及较大的变形量，同时涡流场的频率可达上百千赫，具有较高的分辨率并且可以有效抵抗较大范围的磁场干扰，因此本发明具有体积小、分辨率高、抗干扰的特点；探头结构的设计便于信号线的引出及检测距离的调整，通过旋拧调节距检测面距离可以调节传感器测力量程范围，实现从机械本体上调节传感器测力范围和精度的功能，灵活性极强。附图说明

[0021] 图1为本发明传感器分解结构示意图；图2为本发明传感器三维剖切结构示意图；
图3为本发明壳体结构示意图；
图4为本发明弹性体结构示意图A；
图5为本发明弹性体结构示意图B；
图6为本发明端盖结构示意图A；
图7为本发明端盖结构示意图B；
图8为本发明探头支架结构示意图A；
图9为本发明探头支架结构示意图B；
图10为本发明线圈结构示意图。

[0022] 图中：1、壳体；2、弹性体；3、端盖；4、第一探头；5、第二探头；6、第三探头；7、第四探头；8、第五探头；101、第一内螺纹；102、第二内螺纹；103、第三内螺纹；104、第四内螺纹；105、凸起；106、第一通孔；201、定位孔；202第一螺钉孔；203、第一凸缘；204、第二通孔；205、齿状结构；206、导向槽；207、第二凸缘；208、第一沉孔；209、第五内螺纹；210、沉槽；211、第六内螺纹；212、第二沉孔；213、第二螺钉孔；301、端盖外螺纹；302、凸台；303、第三沉孔；
304、第四沉孔；305、第三凸缘；401、探头支架；402、线圈；411、支架外螺纹；412、直槽；413、缺口；414、圆柱；421、第三通孔。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

[0024] 实施例：一种基于电涡流效应的六维力检测传感器。

[0025] 一种基于电涡流效应的六维力检测传感器，包括壳体1、弹性体2、端盖3、第一探头4、第二探头5、第三探头6、第四探头7和第五探头8，所述弹性体2安装在所述壳体1内部，所述端盖3设置在所述壳体1底部，所述第一探头4、第二探头5、第三探头6和第四探头7均匀间隔设置在所述弹性体2的侧面上，所述第五探头8设置在弹性体2底部，所述第一探头4、第二探头5、第三探头6、第四探头7和第五探头8可以通过电流激发涡流磁场变化进而感应出弹性体2的变形量和变形方向。

[0026] 壳体1具体为薄壁圆筒状结构，筒壁上设置有均布的第一内螺纹101、第二内螺纹102、第三内螺纹103和第四内螺纹104，第一内螺纹101与第一探头4的外螺纹连接，第二内螺纹102和第二探头5的外螺纹连接，第三内螺纹103与第三探头6的外螺纹连接，第四内螺纹104和第四探头7的外螺纹连接。壳体1的筒壁靠近底部对称设置有两个凸起105，壳体1的顶部设置有第一通孔106。

[0027] 弹性体2具体为哑铃状结构，所述弹性体2顶部中心位置设置有定位孔201，弹性体2顶部边缘设置有四个均布的第一螺钉孔202，弹性体2顶部径向下方设置有第一凸缘203。
所述弹性体2侧壁上开设有第二通孔204，弹性体2侧壁上还设置有四个齿状结构205。所述弹性体2底部径向下设置有导向槽206和第二凸缘207，所述弹性体2底部中心位置设置有第一沉孔208，所述第一沉孔208外侧同心位置设置有第五内螺纹209，与所述第五内螺纹209外侧同心位置设置有第六内螺纹211，与所述第六内螺纹211外侧同心位置设置有沉槽210，所述弹性体2底部还设置有四个均布的第二螺钉孔213，与所述第二螺钉孔213相隔45°位置设置有两个均布的第二沉孔212。

[0028] 所述端盖3具体为扁平结构，所述端盖3外侧圆周上设置端盖外螺纹301，所述端盖3端部设置凸台302，所述端盖3底部设置有第三沉孔303和第四沉孔304，所述端盖3底部边缘还设置有第三凸缘305。所述第三沉孔303具体为圆沉孔，第四沉孔304具体为内六角沉孔。

[0029] 所述第一探头4包括探头支架401和线圈402，所述线圈402设置在探头支架401内，所述探头支架401具体为柱状结构，所述探头支架401外侧圆周上设置有支架外螺纹411，所述探头支架401外侧还开有四个局部的缺口413，所述探头支架401端部设置有直槽412。所述探头支架401内部中空，所述探头支架401内部中心位置设置有圆柱414。所述线圈402具体为中空圆柱结构，所述线圈402中心设置有第三通孔421，所述第三通孔421内径大小与所述圆柱414外径一致。所述第二探头5、第三探头6、第四探头7和第五探头8结构与所述第一探头4一致。

[0030] 所述第一探头4、第二探头5、第三探头6和第四探头7设置在距齿状结构205外侧0.5mm的位置，弹性体2上的四个齿状结构205作为径向检测面的外侧齿顶要求光滑洁净，弹性体2材料具体为不锈钢；所述端盖3设置在距第五探头8端面0.4mm位置，端盖3上设置的凸台302表面要求光滑洁净，端盖3材料具体为铝合金。

[0031] 本实施例中，壳体1与弹性体2通过冷压过盈配合连接在一起，凸起105与导向槽206配合连接，第五探头8与弹性体2上的第五内螺纹209进行螺纹连接，端盖3通过端盖外螺纹301与弹性体2上的第六内螺纹211连接，第一探头4和第二探头5相对放置，第三探头6和第四探头7相对放置，第一探头4、第二探头5、第三探头6和第四探头7拧入位置应分别正对齿状结构205的一侧边缘，即一半探头感应凸起面，一半探头感应凹陷面，探头中心一定要对着缺口413侧面的边缘，这样才具备微小扭摆引起磁通变化的条件。上述探头支架401材料具体为塑料，线圈402具体由铜丝绕成，在所述探头位置及端盖3调整完成后填充密封胶密封及固定。当存在力加载时，弹性体2产生变形，涡流磁场的变化导致通过电感线圈402的磁通量改变，从而使得线圈402两端的电压产生变化，然后通过一般的采集电路采集线圈
402两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，通过不同电感线圈402的电压变化情况即可判断出弹性体2的变形量和变形方向，即可判定力加载大小和方向。

[0032] 本传感器的工作原理如下：传感器使用时,先给探头供电, 基于电涡流效应,弹性体2的检测面存在稳定的涡流磁场,然后检测到力的存在时,会导致弹性体2产生前后左右等某一方向的倾斜或位移, 从而导致探头激发的涡流磁场发生变化,布置在圆周的探头各自的阻抗会产生变化,然后通过在一般的采集电路中测试探头两端电压从而可以计算出偏置位移,进而通过比对标定数据转换为力的大小。

[0033] 实施例2：一种基于电涡流效应的六维力检测方法。

[0034] 一种基于电涡流效应的六维力检测方法，使用如实施例1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器，具体方法如下：当存在力加载时，弹性体2产生变形，通过通有高频直流电流的电感线圈402激发的涡流磁场的变化，感应出弹性体2的变形量和变形方向，然后通过一般的采集电路采集线圈402两端的电压变化即可得到电压——力特性曲线，即检测出力的大小。

[0035] 在检测过程中通过第一探头4、第二探头5、第三探头6、第四探头7和第五探头8的检测反馈数据判断力的方向。具体为：传感器加载时，若仅第五探头8反馈检测距离变化，第一探头4、第二探头5、第三探头6和第四探头7反馈检测距离不变化，说明力方向为Z方向；若第一探头4、第二探头5、第三探头6和第四探头7反馈检测距离同时变化，且变化一致（同时增大或同时减小），则力方向为绕Z轴的转矩；若第一探头4反馈检测距离减小（增大），同时第二探头5反馈检测距离增大（减小），且变化量一致，当第三探头6和第四探头7反馈检测距离不变时说明力方向为绕Y轴的转矩，当第三探头6反馈检测距离增大（减小），第四探头7反馈检测距离减小（增大），同时变化量一致时，说明力方向为X方向；同理，若第三探头6反馈检测距离减小（增大），同时第四探头7反馈检测距离增大（减小），且变化量一致，当第一探头4和第二探头5反馈检测距离不变时说明力方向为绕X轴的转矩，当第一探头4反馈检测距离增大（减小），第二探头5反馈检测距离减小（增大），同时变化量一致时，说明力方向为Y方向。

[0036] 实施例3：一种智能设备。

[0037] 一种智能设备，包括传感器，所述传感器具体为如实施例1所述的基于电涡流效应的六维力检测传感器。

[0038] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

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