技术领域
[0001] 本
发明属于传感器技术领域，涉及一种六维力传感器，具体涉及一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器。
背景技术
[0002]
机器人技术是现代科技的前沿技术之一，它又衍生出智能机器人、特殊作业机器人、
工业机器人、遥操作机器人、康复理疗机器人等众多分支，对所有的分支而言，力传感器都是机器人
感知系统中最重要的一种。特别是在某些极限的环境如航天、深海作业、防灾等危险场合，及柔性装配、多指灵巧手、机器人遥操作等特殊场合，力传感器是机器人所用传感器最为关键的一种。
[0003] 为了准确获取空间的力觉信息，往往需要同时测量三维空间中多个维度的力或力矩信息，多维力传感器就是实现这种力觉感知的元件。在智能机器人领域，多维力传感器装配于机械手臂的前端、
手爪的末端，用于检测机械手与外部环境的
接触力的大小和方向，实现
力反馈以及
机械臂的力控制。
[0004] 应变式多维力传感器是该领域最常用的一种，典型的结构有横梁结构和竖梁结构两种。1975年美国的P.C.Waston和S.H.Drake设计了一种竖梁结构的整体式六维力传感器，它是整体成型的，由一个金属环周壁铣成，三根细梁按120°周向均匀分布。横梁的典型代表是斯坦福大学
人工智能研究所七十年代设计的，美国Load公司生产的Scheinman腕力传感器。中国科学院合肥智能所和东南大学联合研制的SAFMS型腕力传感器采用的则是这种结构。这两种结构虽然是使用最广泛的，但是由于结构设计和制造工艺的误差，不可避免具有维间耦合。维间耦合是指作用在传感器某一个维度的力或力矩会对其他维度的输出产生影响，造成另一个维度在零输入时仍有输出。维间耦合是限制传感器
精度的一个重要因素，因此解耦方法也是研究的热点。最传统的解耦
算法是基于最小二乘法和求解矩阵广义逆的静态解耦算法，这种方法算法复杂，容易产生病态矩阵，且只适用于线性解耦。
马俊青等人提出一种基于耦合误差建模的多维力传感器解耦方法，这种方法简单可靠，运算量少。Voyles等人提出了一种快速线性解耦算法，称为shape from motion，也具有较好的效果。近年来，神经网络和小波分析等多种建模方法也被广泛用到解耦之中，主要解决传感器的非线性问题。然而，解耦算法一般对
硬件采集
电路和处理器性能要求很高。因此，研究可以结构解耦的传感器结构则可以简化解耦算法，更利于工程应用。结构解耦的型式也有多种，如上海交通大学提出的一种具有滑移结构的低维间耦合的小量程六维力传感器等，而这种基于结构解耦的传感器又往往结构复杂，加工难度相对较高。
[0005] 由此可知，传感器领域，尤其是智能机器人这类基于复杂系统的工程应用领域，研究一种低维间耦合的六维力和力矩传感器具有重要意义，尤其是设计一种具有结构解耦功能的传感器，具有广泛的应用前景。
发明内容
[0006] 发明目的：针对目前国内外力传感器在进行多维测量时，存在较严重的维间耦合的问题，提出一种低维间耦合的新型传感器结构，从结构上实现解耦，减少简化解耦算法，减小测量误差。
[0007] 技术方案：一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，该传感器包括弹性体结构和六组应变片组；
[0008] 所述弹性体结构包括外圆环壁、内圆环壁、四根结构相同的
外圈应力梁、四根结构相同的
内圈应力梁以及一个中心加载轴；以外圆环壁的几何中心为原点O定义一个XYZ三维直
角坐标系，所述外圆环壁、内圆环壁、外圈应力梁、内圈应力梁的中心横截面均位于XOY平面上，所述中心加载轴的
中轴线位于Z轴上，外圆环壁、内圆环壁和中心加载轴同轴设置，外圆环壁的高度高于内圆环壁；所述四个外圈应力梁以原点O为中心，均匀布置在外圆环壁和内圆环壁之间，且外圈应力梁两端分别与外圆环壁和内圆环壁固定；所述四个内圈应力梁以原点O为中心，均匀布置在内圆环壁和中心加载轴之间，且内圈应力梁两端分别与内圆环壁和中心加载轴固定；所述外圈应力梁位于X轴或Y轴上，所述内圈应力梁位于X轴或Y轴上；
[0009] 所述六组应变片组粘贴在四根外圈应力梁和四根内圈应力梁上，每组应变片组构成一个惠斯通电桥。
[0010] 作为本发明的改进，所述弹性体结构中，所述四根外圈应力梁为薄片结构并分别沿X轴和Y轴设置；沿X轴方向设置的外圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿Y轴方向长度大于沿Z轴方向的高度；沿Y轴方向设置的外圈应力梁与XZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿X轴方向长度大于沿Z轴方向的高度；所述四根内圈应力梁分别沿X轴和Y轴设置；沿X轴方向设置的内圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为正方形，沿Y轴方向设置的内圈应力梁与XZ坐标平面平行的截面为正方形。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述沿X轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿X轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴方向的高度，并且沿Y轴方向的长度大于内圈应力梁沿Y轴方向的长度；所述沿Y轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿Y轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴方向的高度，并且沿X轴方向的长度大于内圈应力梁沿X轴方向的长度。
[0012] 作为本发明的优选方案，所述第一应变片组用于测量空间x方向的力，包括第一应变片、第二应变片、第三应变片、第四应变片；所述第一应变片和第二应变片分别对称设置在沿Y轴方向排布的第一内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴轴线并靠近所述中心加载轴设置；所述第三应变片和第四应变片分别对称设置在沿Y轴方向排布的第二内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴轴线并靠近所述中心加载轴设置；
[0013] 所述第二应变片组用于测量空间y方向的力，包括第五应变片、第六应变片、第七应变片、第八应变片；所述第五应变片和第六应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第三内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并靠近所述中心加载轴设置；所述第七应变片和第八应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第四内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并靠近所述中心加载轴设置；
[0014] 所述第三应变片组用于测量空间z方向的力，包括第九应变片、第十应变片、第十一应变片、第十二应变片；所述第九应变片和第十应变片分别对称设置在沿Y轴方向排布的第一内圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置；所述第十一应变片和第十二应变片分别对称设置在沿Y轴方向排布的第二内圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置；
[0015] 所述第四应变片组用于测量空间z方向的力矩，包括第十三应变片、第十四应变片、第十五应变片、第十六应变片；所述第十三应变片和第十四应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第三内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并稍远离所述中心加载轴设置；所述第十五应变片和第十六应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第四内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线并稍远离所述中心加载轴设置；
[0016] 所述第五应变片组用于测量空间x方向的力矩，包括第十七应变片、第十八应变片、第十九应变片、第二十应变片；所述第十七应变片和第十八应变片分别对称设置在沿Y轴方向排布的第一外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置；所述第十九应变片和第二十应变片分别对称设置在沿Y轴方向排布的第二外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置；
[0017] 所述第六应变片组用于测量空间y方向力矩，包括第二十一应变片、第二十二应变片、第二十三应变片、第二十四应变片；第二十一应变片和第二十二应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第三外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线设置；所述第二十三应变片和第二十四应变片分别对称设置在沿X轴方向排布的第四外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线设置；
[0018] 每组应变片组中的四个应变片与中心加载轴的轴线等距设置。
[0019] 有益效果：与
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0020] (1)维间耦合低，实现了结构解耦。一方面，本发明采用内圈应力梁和外圈应力梁的双十字梁结构，去除了传统六维力传感器的浮动梁结构，减少由浮动梁在不必要的方向的移动引起的维间串扰。另一方面，不再按照传统的十字梁贴片方式，将敏感力和力矩的应变片贴在同一个梁上，而是把对力的敏感
位置和对力矩的敏感位置分开，使得敏感力和力矩的位置分开。因此本发明与传统的十字梁结构相比，减少了维间耦合，实现了结构解耦。
[0021] (2)对力和力矩的灵敏度设计更具灵活性。双十字梁的设计，使得对力和力矩的应变效果分开。外圈应力梁对力矩的测量的灵敏度更高，且内外圈应力梁梁尺寸分开设计使得传感器对不同维度的力和力矩的灵敏度可以更加灵活地组合。普通的十字梁结构不仅不具有这种灵活性，而且将敏感力矩的应变片贴在应变效果较弱的位置，牺牲了对力矩的敏感效果。
[0022] (3)整体式结构的设计，提高了传感器的动态性能，减小了重复性误差。现有的无维间耦合的传感器都需要精密的零件加工和复杂的装配，制作成本非常高，并且无耦合也是理想状态，实际测试仍然有少量耦合。本发明相对于这一类传感器而言，结构简单，易于加工，制作成本低廉。同时，本发明也有整体式结构的动态性能好、重复性误差小的优点。
附图说明
[0023] 图1为本发明的传感器整体结构示意图；
[0024] 图2为本发明的传感器的侧面剖视图；
[0025] 图3为本发明的传感器的贴片示意俯视图；
[0026] 图4为本发明的传感器的贴片左视剖切图；
[0027] 图5为本发明的传感器的贴片正视剖切图；
[0028] 图6为本发明传感器受X方向的力的形变图；
[0029] 图7为本发明传感器受Z方向的力的形变图；
[0030] 图8为本发明传感器受Y方向的力矩的形变图；
[0031] 图9为本发明传感器受Z方向的力矩的形变图；
[0032] 图10为本发明的传感器的装配示意图；
[0033] 图11为本发明的传感器的与底座的连接示意图；
[0034] 图中有：外圆环壁1、内圆环壁2、外圈应力梁3、内圈应力梁4和一个中心加载轴5。
具体实施方式
[0035] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0036] 一种低维间耦合的双十字梁型六维力和力矩传感器，包括弹性体结构和六组应变片组。如图1所示，弹性体结构包括外圆环壁1、内圆环壁2、四根结构相同的外圈应力梁3、四根结构相同的内圈应力梁4以及一个中心加载轴5。以外圆环壁1的几何中心为原点O定义一个XYZ三维直角坐标系，外圆环壁1、内圆环壁2、外圈应力梁3、内圈应力梁4的中心横截面均位于XOY平面上，除中心加载轴5外，弹性体结构关于XY坐标平面对称。中心加载轴5的中轴线位于Z轴上。外圆环壁1、内圆环壁2和中心加载轴5同轴设置，外圆环壁1的高度高于内圆环壁2。四个外圈应力梁3以原点O为中心，均匀布置在外圆环壁1和内圆环壁2之间，外圈应力梁3两两位于X轴和Y轴上，且外圈应力梁3两端分别与外圆环壁
1和内圆环壁2固定。四个内圈应力梁4以原点O为中心，均匀布置在内圆环壁2和中心加载轴5之间，内圈应力梁4两两位于X轴和Y轴上，且内圈应力梁4两端分别与内圆环壁2和中心加载轴5固定；从而使得四根内圈应力梁4形成十字梁结构，且十字梁结构的交点位于中心加载轴5处。
[0037] 弹性体结构中，四根外圈应力梁3为薄片结构并分别沿X轴和Y轴设置。如图2所示，沿X轴方向设置的外圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿Y轴方向长度大于沿Z轴方向的高度；沿Y轴方向设置的外圈应力梁与XZ坐标平面平行的截面为矩形，且沿X轴方向长度大于沿Z轴方向的高度。四根内圈应力梁4分别沿X轴和Y轴设置，沿X轴方向设置的内圈应力梁与YZ坐标平面平行的截面为正方形，沿Y轴方向设置的内圈应力梁与XZ坐标平面平行的截面为正方形。进一步地，沿X轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿X轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴方向的高度，并且沿Y轴方向的长度大于内圈应力梁沿Y轴方向的长度；沿Y轴方向设置的外圈应力梁的沿Z轴方向的高度低于沿Y轴方向设置的内圈应力梁沿Z轴方向的高度，并且沿Z轴方向的长度大于内圈应力梁X轴方向的长度。
[0038] 本发明为应变式多维力传感器，在本弹性体结构的相应位置上贴覆应变片后，通过电气连接将应变片组成桥式电路可以测量空间六维力和力矩。由于全桥电路具有灵敏度高、非线性误差小的优点，本发明六个维度的测量各采用一个全桥电路测量。因此，本发明的传感器上共贴覆有六组应变片组，每组应变片组包括四个应变片，每组应变片组测量空间一个维度的力或力矩。
[0039] 具体的如图3所示，传感器的六组应变片组粘贴在四根外圈应力梁3和四根内圈应力梁4上，且设置在靠近四根内圈应力梁4与中心加载轴5连接处，以及靠近四根内圈应力梁4与内圆环壁2连接处；每组应变片组构成一个惠斯通电桥。
[0040] 其中，第一应变片组用于测量空间x方向的力，包括第一应变片R1、第二应变片R2、第三应变片R3、第四应变片R4。第一应变片R1和第二应变片R2分别对称设置在沿Y轴方向排布的第一内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴轴线并靠近所述中心加载轴5设置。第三应变片R3和第四应变片R4分别对称设置在沿Y轴方向排布的第二内圈应力梁中平行YZ坐标平面的两个侧面上，同时沿Y轴轴线并靠近中心加载轴5设置。
[0041] 第二应变片组用于测量空间y方向的力，包括第五应变片R5、第六应变片R6、第七应变片R7、第八应变片R8。第五应变片R5和第六应变片R6分别对称设置在沿X轴方向排布的第三内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并靠近所述中心加载轴5设置。第七应变片R7和第八应变片R8分别对称设置在沿X轴方向排布的第四内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并靠近中心加载轴5设置。
[0042] 如图4所示，第三应变片组用于测量空间z方向的力，包括第九应变片R9、第十应变片R10、第十一应变片R11、第十二应变片R12。第九应变片R9和第十应变片R10分别对称设置在沿Y轴方向排布的第一内圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置。第十一应变片R11和第十二应变片R12分别对称设置在沿Y轴方向排布的第二内圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置。
[0043] 第四应变片组用于测量空间z方向的力矩，包括第十三应变片R13、第十四应变片R14、第十五应变片R15、第十六应变片R16。第十三应变片R13和第十四应变片R14分别对称设置在沿X轴方向排布的第三内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个侧面上，同时沿X轴轴线并稍远离所述中心加载轴5设置。第十五应变片R15和第十六应变片R16分别对称设置在沿X轴方向排布的第四内圈应力梁中平行XZ坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线并稍远离所述中心加载轴5设置。
[0044] 第五应变片组用于测量空间x方向的力矩，包括第十七应变片R17、第十八应变片R18、第十九应变片R19、第二十应变片R20。第十七应变片R17和第十八应变片R18分别对称设置在沿Y轴方向排布的第一外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置。第十九应变片R19和第二十应变片R20分别对称设置在沿Y轴方向排布的第二外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿Y轴轴线设置。
[0045] 如图5所示，第六应变片组用于测量空间y方向力矩，包括第二十一应变片R21、第二十二应变片R22、第二十三应变片R23、第二十四应变片R24。第二十一应变片R21和第二十二应变片R22分别对称设置在沿X轴方向排布的第三外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线设置。第二十三应变片R23和第二十四应变片R24分别对称设置在沿X轴方向排布的第四外圈应力梁中平行XY坐标平面的两个面上，同时沿X轴轴线设置。
[0046] 上述6组应变片组中，每组应变片组中的四个应变片与中心加载轴5的轴线等距设置。
[0047] 现有的十字梁式弹性体通常包括应力主梁和浮动梁。在应力主梁上贴应变片，浮动梁则是隔离应变的薄板结构。主梁与浮动梁相接，在受力时，浮动梁的浮动效果使得主梁发生某方向的移动，产生形变，从而可以测出力或力矩值。然而，浮动梁带来的一个
副作用是，弹性体在受力时除了在主方向有移动，在其他方向上也产生一定移动，也就是说，浮动梁在一定程度上引起了维间串扰。本发明的传感器一方面去除了浮动梁，利用内圆环壁限制应力梁只在需要的方向发生形变，另一方面把测量力和力矩的应力梁分开设置，可以减小维间耦合。
[0048] 如图6至图9所示为利用
有限元分析软件ANSYS对本发明进行的仿真结果。ANSYS软件是融结构、
流体、电
磁场、声场和热场分析于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛应用于土木、地质、材料、机械等工程的分析和科学研究。此处采用ANSYS15.0软件对本发明的弹性体进行结构静力分析，根据弹性体的形变情况分析其维间耦合情况。如图6所示，当传感器受到X方向的力时，内圆环壁发生了一定的
变形，起到浮动梁的作用，从而Y方向的内圈应力梁发生形变。此时，由于内圆环壁的隔离作用，Y方向的外圈应力梁形变很小。Y方向的应力梁上贴覆的是测量X方向力矩的应变片，也就是说X方向的力对X方向力矩的耦合很小。传感器受Y方向的力时，只需要把传感器旋转90°，分析方法和应力结果完全一样。
[0049] 如图7所示，当传感器受到Z方向的力时，四根内圈应力梁都发生了形变，而由于内圆环壁的隔离作用，四根外圈应力梁形变仍然很小，也就是说，Z方向的力对X和Y方向的力矩耦合很小。
[0050] 如图8所示，当传感器受到Y方向的力矩时，整个内圆环壁和内圈应力梁都发生了倾斜，造成外圈应力梁发生较大幅度的变形，使得外圈应力梁上的应变片可以有效地测出力矩值。由于X方向的两根内圈应力梁的形变方向恰好相反，因此，Y方向的力矩引起的X方向的力的耦合很小。传感器受X方向的力矩时，只需要把传感器旋转90°，分析方法和应力结果完全一样。
[0051] 如图9所示，当传感器受到Z方向的力矩时，内圈应力梁由于宽度较窄，发生了明显的变形，且变形最大的位置相比X或Y方向受力的情况而言，更加远离中心加载轴。而外圈应力梁由于宽度较宽，变形非常微小。因此，Z方向的力矩对其他方向的力或力矩耦合都较小。
[0052] 综上所述，本发明的传感器具有维间耦合小的优点。
[0053] 图10和图11演示了一种可选的传感器装配方案。装配体中，有底座、本发明的传感器和顶盖。其中，底座上有四个卡座，每个卡座由两个弧形的凸台构成。凸台之间的间隙恰好可以容纳传感器的外圆环壁。四个卡座可以将外圆环壁固定，横穿卡座的通孔和外圆环壁的通孔是尺寸配合的，利用连接装置可以将传感器固定在底座上，形成对传感器的约束。这种装配方案不仅方便、牢固，而且有利于加工。顶盖与底座配合连接，中心加载轴从顶盖上的通孔伸出，用于应用时和外部机械结构的连接。从而，传感器可以很方便地组装成一个整
体模块，方便装配和使用。
[0054] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
