本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種力傳感器。

背景技術(shù)：

隨著機器人技術(shù)的飛速發(fā)展，對于具有多傳感器感知的機器人提出了更高的要求。力覺作為機器人一個非常重要的功能，在機器人發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。作為感知機器人力覺最重要的一種傳感器，六維力傳感器在機器人的腕部力感知、機器人靈巧手指尖力檢測、仿人機器人足部力測量等方面發(fā)揮著非常大的作用。因此，六維力傳感器的相關(guān)技術(shù)是機器人領(lǐng)域的一大研究熱點和難點問題。六維力傳感器的靈敏度、維間耦合、精度和遲滯等是影響傳感器使用性能的最重要指標。如何提高六維力傳感器的靈敏度、精度，降低維間耦合、減小遲滯一直以來是備受研究的焦點問題，但迄今為止并沒有一個很好的解決方法。

現(xiàn)有的用于檢測六維力傳感器受力后的彈性體往往為實心梁，如中國專利公開號分別為cn103940544b、cn103487194b、cn103528746b、cn103528726b、cn104048790a、cn100535620c、cn105651446a的專利，現(xiàn)有的用于檢測六維力傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是傳感器的剛度大、遲滯小，但缺點是靈敏度低、維間耦合大。專利cn106225977a采用了單向傳感器提高測量精度，單向傳感器的彈性梁為雙目結(jié)構(gòu)，但是該專利的彈性體為組合的彈性體，因此存在間隙、預(yù)緊力等問題，從而導(dǎo)致六維力傳感器存在較大的遲滯效應(yīng)，影響測量精度。專利cn102323000b雖然可以降低傳感器存在的力耦合，但由于存在螺栓連接會產(chǎn)生不均勻的預(yù)緊力，導(dǎo)致傳感器具有較大的遲滯，降低測量精度。論文《一種滑動結(jié)構(gòu)的六維力傳感器的解耦分析》(詳細出處為：wub,caip.decouplinganalysisofaslidingstructuresix-axisforce/torquesensor[j].measurementsciencereview,2013,13(4):187-193)提出的基于滑移結(jié)構(gòu)的解耦六維力傳感器雖然也采用了雙目結(jié)構(gòu)提高靈敏度，但是由于滑移結(jié)構(gòu)的存在使得傳感器彈性體為非整體式，因此存在較大的遲滯，降低測量精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的六維力傳感器靈敏度低、維間耦合大的問題，提出了一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器。

本發(fā)明所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器，包括三十二個應(yīng)變片、中心輪轂、上平臺加載臺、四個上平臺敏感梁、下平臺固定臺和四個下平臺敏感梁；

上平臺加載臺和下平臺固定臺均為圓環(huán)狀；

中心輪轂同時位于上平臺加載臺的中心處和下平臺固定臺的中心處；

每個下平臺敏感梁的一端均固定在中心輪轂下部的外壁上，每個下平臺敏感梁的另一端均固定在下平臺固定臺的內(nèi)壁上；并且每個下平臺敏感梁均開有一號雙目結(jié)構(gòu)通孔；

每個上平臺敏感梁的一端均固定在中心輪轂上部的外壁上，每個上平臺敏感梁的另一端均固定在上平臺加載臺的內(nèi)壁上，并且每個上平臺敏感梁均開有二號雙目結(jié)構(gòu)通孔；

每四個應(yīng)變片組成一組惠斯通全橋；八組惠斯通全橋均用于實現(xiàn)六維力信息的測量；

上平臺加載臺上開有多個上平臺螺紋孔，下平臺固定臺上開有多個下平臺螺紋孔；多個上平臺螺紋孔和多個下平臺螺紋孔均用于與外部待測設(shè)備進行連接。

本發(fā)明具有以下有益效果：

一、本發(fā)明每個下平臺敏感梁上開有一號雙目結(jié)構(gòu)通孔，每個上平臺敏感梁開有二號雙目結(jié)構(gòu)通孔；在同等外部尺寸參數(shù)的條件下，相較于實心敏感梁，本發(fā)明的下平臺敏感梁和上平臺敏感梁的抗彎模量變小，因此，在同等外部載荷條件下，本發(fā)明的下平臺敏感梁和上平臺敏感梁的應(yīng)力應(yīng)變較大，因此會大大提高傳感器的靈敏度；

二、本發(fā)明采用復(fù)雜的敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計一種具有直接解耦的六維力傳感器，該傳感器具有無耦合的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為具體實施方式四中下平臺固定臺上應(yīng)變片的位置關(guān)系示意圖；

圖3為具體實施方式四中上平臺加載臺上應(yīng)變片的位置關(guān)系示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器，包括三十二個應(yīng)變片1、中心輪轂4、上平臺加載臺5、四個上平臺敏感梁7、下平臺固定臺8和四個下平臺敏感梁9；

上平臺加載臺5和下平臺固定臺8均為圓環(huán)狀；

中心輪轂4同時位于上平臺加載臺5的中心處和下平臺固定臺8的中心處；

每個下平臺敏感梁9的一端均固定在中心輪轂4下部的外壁上，每個下平臺敏感梁9的另一端均固定在下平臺固定臺8的內(nèi)壁上；并且每個下平臺敏感梁9均開有一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2；

每個上平臺敏感梁7的一端均固定在中心輪轂4上部的外壁上，每個上平臺敏感梁7的另一端均固定在上平臺加載臺5的內(nèi)壁上，并且每個上平臺敏感梁7均開有二號雙目結(jié)構(gòu)通孔3；

每四個應(yīng)變片1組成一組惠斯通全橋；八組惠斯通全橋均用于實現(xiàn)六維力信息的測量；

上平臺加載臺5上開有多個上平臺螺紋孔6，下平臺固定臺8上開有多個下平臺螺紋孔10；多個上平臺螺紋孔6和多個下平臺螺紋孔10均用于與外部待測設(shè)備進行連接，從而用于實際工況的六維力信息檢測。

在本實施方式中，每個下平臺敏感梁9上開有一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2，每個上平臺敏感梁7開有二號雙目結(jié)構(gòu)通孔3；在同等外部尺寸參數(shù)的條件下，相較于實心敏感梁，本實施方式中的下平臺敏感梁9和上平臺敏感梁7的抗彎模量變小，因此，在同等外部載荷條件下，本實施方式中的下平臺敏感梁9和上平臺敏感梁7的應(yīng)力應(yīng)變較大，因此會大大提高傳感器的靈敏度；同時本實施方式采用復(fù)雜的敏感元件結(jié)構(gòu)設(shè)計一種具有直接解耦的六維力傳感器，該傳感器具有無耦合的優(yōu)點。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2的形狀和二號雙目結(jié)構(gòu)通孔3的形狀相同；并且一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2的橫截面積與二號雙目結(jié)構(gòu)通孔3的橫截面積依據(jù)所述雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器的量程進行設(shè)定。

在本實施方式中，一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2的橫截面積與二號雙目結(jié)構(gòu)通孔3的橫截面積可以相同，也可以不相同。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，四個下平臺敏感梁9沿中心輪轂4的周向方向均勻分布；四個上平臺敏感梁7沿中心輪轂4的周向方向均勻分布。

在本實施方式中，相鄰的兩個下平臺敏感梁9之間的夾角為90度，相鄰的兩個上平臺敏感梁7之間的夾角同為90度。

具體實施方式四：結(jié)合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式三所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，三十二個應(yīng)變片1分別為應(yīng)變片s1-s32；并且應(yīng)變片s1-s32的初始電阻值相同；

應(yīng)變片s5、應(yīng)變片s6、應(yīng)變片s19和應(yīng)變片s17組成第一組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s11、應(yīng)變片s12、應(yīng)變片s22和應(yīng)變片s24組成第二組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s27、應(yīng)變片s28、應(yīng)變片s31和應(yīng)變片s32組成第三組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s25、應(yīng)變片s26、應(yīng)變片s29和應(yīng)變片s30組成第四組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s1、應(yīng)變片s2、應(yīng)變片s9和應(yīng)變片s10組成第五組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s15、應(yīng)變片s7、應(yīng)變片s8和應(yīng)變片s16組成第六組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s13、應(yīng)變片s14、應(yīng)變片s21和應(yīng)變片s23組成第七組惠斯通全橋；

應(yīng)變片s3、應(yīng)變片s4、應(yīng)變片s18和應(yīng)變片s20組成第八組惠斯通全橋。

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式四所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2為上下通孔；

所述四個下平臺敏感梁9沿圓周方向依次為第一下平臺敏感梁9-1、第二下平臺敏感梁9-2、第三下平臺敏感梁9-3和第四下平臺敏感梁9-4；

應(yīng)變片s3和應(yīng)變片s4粘貼在第一下平臺敏感梁9-1的一個側(cè)壁上，應(yīng)變片s18和應(yīng)變片s20粘貼在第三下平臺敏感梁9-3的一個側(cè)壁上；

應(yīng)變片s7和應(yīng)變片s8粘貼在第一下平臺敏感梁9-1的另一個側(cè)壁上，應(yīng)變片s15和應(yīng)變片s16粘貼在第三下平臺敏感梁9-3的另一個側(cè)壁上；

應(yīng)變片s1和應(yīng)變片s2粘貼在第四下平臺敏感梁9-4的一個側(cè)壁上，應(yīng)變片s9和應(yīng)變片s10粘貼在第二下平臺敏感梁9-2的一個側(cè)壁上；

應(yīng)變片s23和應(yīng)變片s21粘貼在第四下平臺敏感梁9-4的另一個側(cè)壁上，應(yīng)變片s13和應(yīng)變片s14粘貼在第二下平臺敏感梁9-2的另一個側(cè)壁上。

在本實施方式中，第五組惠斯通全橋用于測量切向力fy；第八組惠斯通全橋用于測量切向力fx；第六組惠斯通全橋和第七組惠斯通全橋均用于測量扭矩mz。

具體實施方式六：本實施方式是對具體實施方式五所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，二號雙目結(jié)構(gòu)通孔3與一號雙目結(jié)構(gòu)通孔2的開孔方向垂直；

所述四個上平臺敏感梁7沿圓周方向依次為第一上平臺敏感梁7-1、第二上平臺敏感梁7-2、第三上平臺敏感梁7-3和第四上平臺敏感梁7-4；

應(yīng)變片s27和應(yīng)變片s28粘貼在第一上平臺敏感梁7-1的底面上，應(yīng)變片s31和應(yīng)變片s32粘貼在第三上平臺敏感梁7-3的底面上；

應(yīng)變片s5和應(yīng)變片s6粘貼在第一上平臺敏感梁7-1的頂面上，應(yīng)變片s17和應(yīng)變片s19粘貼在第三上平臺敏感梁7-3的頂面上；

應(yīng)變片s29和應(yīng)變片s30粘貼在第四上平臺敏感梁7-4的底面上，應(yīng)變片s25和應(yīng)變片s26粘貼在第二上平臺敏感梁7-2的底面上；

應(yīng)變片s11和應(yīng)變片s12粘貼在第四上平臺敏感梁7-4的頂面上，應(yīng)變片s22和應(yīng)變片s24粘貼在第二上平臺敏感梁7-2的頂面上。

在本實施方式中，第一組惠斯通全橋用于測量彎矩mx；第二組惠斯通全橋用于測量彎矩my；第三組惠斯通全橋和第四組惠斯通全橋均用于測量軸向力fz。

具體實施方式七：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，多個上平臺螺紋孔6在上平臺加載臺5上沿圓周方向均勻分布；多個下平臺螺紋孔10在下平臺固定臺8上沿圓周方向均勻分布。

具體實施方式八：本實施方式是對具體實施方式一所述的一種雙目結(jié)構(gòu)的無耦合六維力傳感器進一步限定，在本實施方式中，中心輪轂4、上平臺加載臺5、四個上平臺敏感梁7、下平臺固定臺8和四個下平臺敏感梁9均為一體結(jié)構(gòu)；并且該一體結(jié)構(gòu)采用硬鋁合金、不銹鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制成。

在本實施方式中，采中心輪轂4、上平臺加載臺5、四個上平臺敏感梁7、下平臺固定臺8和四個下平臺敏感梁9均為一體結(jié)構(gòu)，敏感元件不存在預(yù)緊力和裝配間隙等問題，所以遲滯小，精度高。