本實(shí)用新型涉及一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置，該裝置基于彎曲變形理論通過對各向電阻應(yīng)變片進(jìn)行合理的空間布置，以消除分力之間的相互干擾，解決三維力傳感器存在維間耦合性的難題，提高三維力傳感器測量的準(zhǔn)確度。

背景技術(shù)：

傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一。多分力傳感器能夠測量三維空間的全力信息，廣泛應(yīng)用于精密裝配、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)等作業(yè)中，同時(shí)在智能機(jī)器人、自動(dòng)控制、航空航天、仿生運(yùn)動(dòng)等研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。對于多分力傳感器的研究，其核心問題是彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電阻應(yīng)變片的合理布置，彈性體的結(jié)構(gòu)決定著傳感器的剛度、分辨率、靈敏度和動(dòng)態(tài)性能等，電阻應(yīng)變片的空間布置影響傳感器的維間耦合性及測量精度，兩者是傳感器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。然而，目前在三維力傳感器的設(shè)計(jì)過程中在分辨率、測量精度、維間耦合性與動(dòng)態(tài)特性之間很難到達(dá)一個(gè)平衡點(diǎn)。國內(nèi)三維力傳感器普遍采用筒式結(jié)構(gòu)，電阻應(yīng)變片布置于圓筒兩端部，保證了傳感器具有較高的靈敏度，卻存在維間耦合度大、動(dòng)態(tài)特性差、穩(wěn)定性低等不足。近年來，一些學(xué)者探索采用立柱式結(jié)構(gòu)，比如，在公開號(hào)為CN200920276179.8的專利中公開了一種立柱式三維測力傳感器，該傳感器采樣立柱式結(jié)構(gòu)，并將電阻應(yīng)變片布置于立柱中心，此項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)在一定程度上提高了傳感器的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)性能，但是還是無法解決三維力傳感器存在維間耦合性的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置，通過對立柱式三維力傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并基于彎曲變形理論對各向電阻應(yīng)變片進(jìn)行合理的空間布置，解決三維力傳感器存在維間耦合性的難題，提高三維力傳感器的綜合性能。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案為：

一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置，包括上壓板、傳力柱、下壓板，上壓板通過四個(gè)均勻布置的傳力柱將其所承受的矢量力傳遞給下壓板；每個(gè)傳力柱四個(gè)表面上均布置X向電阻應(yīng)變片組、Y向電阻應(yīng)變片組與Z向電阻應(yīng)變片組，在外載荷作用下傳力柱產(chǎn)生彈性變形，X向電阻應(yīng)變片組、Y向電阻應(yīng)變片組與Z向電阻應(yīng)變片組便可感知其各自方向上的形變量。

所述的四個(gè)均勻布置的傳力柱為該三維力傳感器的彈性體，彈性體的殼體是沿殼體軸向上下對稱結(jié)構(gòu)，將殼體鏤空，分別形成上壓板、傳力柱、下壓板。

所述的X向電阻應(yīng)變片組由電阻應(yīng)變片Xa、電阻應(yīng)變片Xb、電阻應(yīng)變片Xc及電阻應(yīng)變片Xd組成，電阻應(yīng)變片Xa、電阻應(yīng)變片Xb、電阻應(yīng)變片Xc及電阻應(yīng)變片Xd以傳力柱橫向?qū)ΨQ面為中心對稱布置在其兩端，組成一組全橋電路Qx，用于完成對X方向分力Fx的測量。

所述的Y向電阻應(yīng)變片組由電阻應(yīng)變片Ya、電阻應(yīng)變片Yb、電阻應(yīng)變片Yc及電阻應(yīng)變片Yd組成，電阻應(yīng)變片Ya、電阻應(yīng)變片Yb、電阻應(yīng)變片Yc及電阻應(yīng)變片Yd以傳力柱橫向?qū)ΨQ面為中心對稱布置在其兩端，組成一組全橋電路Qy，用于完成對Y方向分力Fy的測量。

所述的Z向電阻應(yīng)變片組由電阻應(yīng)變片Za、電阻應(yīng)變片Zb、電阻應(yīng)變片Zc及電阻應(yīng)變片Zd組成，電阻應(yīng)變片Zc與電阻應(yīng)變片Zd布置于傳力柱兩相對表面上，電阻應(yīng)變片Zc與電阻應(yīng)變片Zd中心與柱橫向?qū)ΨQ面重合并以傳力柱縱向?qū)ΨQ面為中心對稱布置；電阻應(yīng)變片Za與電阻應(yīng)變片Zb位于傳力柱兩相對表面，其中心與柱橫向?qū)ΨQ面重合，電阻應(yīng)變片Za、電阻應(yīng)變片Zb、電阻應(yīng)變片Zc及電阻應(yīng)變片Zd串聯(lián)于同一支路上，組成一組全橋電路Qz，用于完成對Z方向分力Fz的測量。

所述的上壓板、下壓板采用階梯軸結(jié)構(gòu)。

本實(shí)用新型所取得的有益效果為：

本實(shí)用新型可以完成對矢量力X、Y、Z三個(gè)方向分力的測量，本實(shí)用新型以三維力傳感器立柱式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并借鑒筒式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，確保了該新型三維力傳感器具有較高的靈敏度、測量精度以及動(dòng)態(tài)特性，并基于彎曲變形理論通過對各向電阻應(yīng)變片進(jìn)行合理的空間布置，消除三維力傳感器維間耦合性問題。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖I；

圖2為本實(shí)用新型三維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖II；

圖3為本實(shí)用新型三維力傳感器傳力柱電阻應(yīng)變片布置示意圖I；

圖4為本實(shí)用新型三維力傳感器傳力柱電阻應(yīng)變片布置示意圖II；

圖5為本實(shí)用新型三維力傳感器傳力柱電阻應(yīng)變片布置示意圖III；

圖6為X向全橋電路Qx；

圖7為Y向全橋電路Qy；

圖8為Z向四分之一橋電路Qz；

圖中：1-上壓板；2-傳力柱；3-下壓板；4-Y向電阻應(yīng)變片組；5-X向電阻應(yīng)變片組；6-Z向電阻應(yīng)變片組；7-電阻應(yīng)變片Xa；8-電阻應(yīng)變片Za；9-電阻應(yīng)變片Xb；10-電阻應(yīng)變片Ya；11-電阻應(yīng)變片Yb；12-電阻應(yīng)變片Zb；13-電阻應(yīng)變片Zc；14-電阻應(yīng)變片Yc；15-電阻應(yīng)變片Yd；16-電阻應(yīng)變片Xc；17-電阻應(yīng)變片Zd；18-電阻應(yīng)變片Xd。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1—8所示，本實(shí)用新型所述一種降低三維力傳感器各方向相互耦合的裝置包括上壓板1、傳力柱2、下壓板3及電阻應(yīng)變片組，組成彈性體的殼體是沿殼體軸向上下對稱結(jié)構(gòu)；將殼體鏤空，分別形成上壓板1、傳力柱2、下壓板3，上壓板1通過4個(gè)均勻布置的傳力柱2將其所承受的矢量力傳遞給下壓板3；4個(gè)均勻布置的傳力柱2為該三維力傳感器的彈性體，每個(gè)傳力柱2四個(gè)表面上均布置X向電阻應(yīng)變片組5、Y向電阻應(yīng)變片組4與Z向電阻應(yīng)變片組6，在外載荷作用下彈性體傳力柱2產(chǎn)生彈性變形，X向電阻應(yīng)變片組5、Y向電阻應(yīng)變片組4與Z向電阻應(yīng)變片組6便可感知其各自方向上的形變量。

X向電阻應(yīng)變片組5由電阻應(yīng)變片Xa7、電阻應(yīng)變片Xb9、電阻應(yīng)變片Xc16及電阻應(yīng)變片Xd18組成，電阻應(yīng)變片Xa7、電阻應(yīng)變片Xb9、電阻應(yīng)變片Xc16及電阻應(yīng)變片Xd18以傳力柱2橫向?qū)ΨQ面為中心對稱布置在其兩端，組成一組全橋電路Qx，用于完成對X方向分力Fx的測量。

Y向電阻應(yīng)變片組4由電阻應(yīng)變片Ya10、電阻應(yīng)變片Yb11、電阻應(yīng)變片Yc14及電阻應(yīng)變片Yd15組成，電阻應(yīng)變片Ya10、電阻應(yīng)變片Yb11、電阻應(yīng)變片Yc14及電阻應(yīng)變片Yd15以傳力柱2橫向?qū)ΨQ面為中心對稱布置在其兩端，組成一組全橋電路Qy，用于完成對Y方向分力Fy的測量。

Z向電阻應(yīng)變片組6由電阻應(yīng)變片Za8、電阻應(yīng)變片Zb12、電阻應(yīng)變片Zc13及電阻應(yīng)變片Zd17組成，并基于彎曲變形理論，將電阻應(yīng)變片Zc13與電阻應(yīng)變片Zd17布置于傳力柱2兩相對表面上，保證電阻應(yīng)變片Zc13與電阻應(yīng)變片Zd17中心與柱橫向?qū)ΨQ面重合并以傳力柱2縱向?qū)ΨQ面為中心對稱布置；電阻應(yīng)變片Za8與電阻應(yīng)變片Zb12位于傳力柱2兩相對表面，其中心與柱橫向?qū)ΨQ面重合，用于溫度補(bǔ)償。電阻應(yīng)變片Za8、電阻應(yīng)變片Zb12、電阻應(yīng)變片Zc13及電阻應(yīng)變片Zd17組成一組全橋電路Qz，用于完成對Z方向分力Fz的測量。

本實(shí)施例根據(jù)使用要求確定量程，軸向力Fz量程500kN，切向力Fx、Fy量程150kN，根據(jù)量程確定該三維力傳感器彈性體的關(guān)鍵尺寸如下：傳感器上壓板1、下壓板3直徑為上壓板1、下壓板3采用階梯軸結(jié)構(gòu)，總厚度為50mm；四個(gè)傳力柱2以上壓板1、下壓板3中心軸均勻布置于直徑為的圓上，其截面尺寸為30mmx30mm，每個(gè)傳力柱2上均粘貼有X向電阻應(yīng)變片組5、Y向電阻應(yīng)變片組4與Z向電阻應(yīng)變片組6，用于完成對軸向力Fz與切向力Fx、Fy的測量。

以其中任意一傳力柱2為例，其X向電阻應(yīng)變片組5、Y向電阻應(yīng)變片組4與Z向電阻應(yīng)變片組6的布置示意圖如圖3—5所示，其中X向電阻應(yīng)變片組5、Y向電阻應(yīng)變片組4分別布置于傳力柱2兩相對表面，并分別組成如圖6、圖7所示的全橋測量電路，用于完成對切向力Fx、Fy的測量，只要保證X向電阻應(yīng)變片組5與Y向電阻應(yīng)變片組4粘貼位置分別位于傳力柱2縱向?qū)ΨQ面上，并位于兩相對表面上對稱位置，即可消除X向與Y向的維間耦合問題。

Z向電阻應(yīng)變片Za8、電阻應(yīng)變片Zd17與電阻應(yīng)變片Zb12、電阻應(yīng)變片Zc13布置于傳力柱2兩相對表面，并組成如圖8所示的四分之一橋電路，用于完成對切向力Fz的測量。其中電阻應(yīng)變片Za8與電阻應(yīng)變片Zb12位于傳力柱2橫向?qū)ΨQ面上并橫向粘貼，傳力柱2在受到外力作用時(shí)，此兩電阻應(yīng)變片將不發(fā)生形變，用于Z向溫度補(bǔ)償；電阻應(yīng)變片Zc13與電阻應(yīng)變片Zd17布置于傳力柱2橫向?qū)ΨQ面上并以粘貼于傳力柱2縱向?qū)ΨQ面兩側(cè)，基于彎曲變形理論當(dāng)傳力柱2受到X向或Y向外力作用時(shí)，傳力柱2發(fā)生彎曲變形，并以傳力柱2中性層為對稱中心，對稱兩側(cè)發(fā)生大小相等，方向相反的形變，如圖8所示將電阻應(yīng)變片Zc13及電阻應(yīng)變片Zd17串聯(lián)于同一支路上，即可消除X向和Y向與Z向的維間耦合問題。