一種組合式三軸力傳感器及計算方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種組合式三軸力傳感器及計算方法，具體來說，是一種用于機器人力腕的由多個一維力傳感器組合構成的三軸力傳感器。屬于多維力傳感器技術領域。
【背景技術】
[0002]多維力傳感器可以檢測空間多個方向的力或者力矩信息，自上世紀70年代問世以來，首先在智能機器人領域得到應用，近年來在航空、航天、機械裝配與制造等領域也獲得了廣泛的應用。機器人添加力傳感器后具有初步感覺功能，可以適應環(huán)境進行作業(yè)，在一些高精度的裝配作業(yè)及其它一些危險場合完全能夠代替人工。因此，力傳感器是機器人不可缺少的一種重要感覺元件。目前，多維力傳感器的設計步驟一般為:彈性體設計、貼片位置及組橋方式設計、標定及解耦。設計和加工工藝比較復雜。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明采用成品的一維壓力傳感器通過機械連接組合的方法構成三維力傳感器，通過簡單的一維壓力傳感器的組合測量三維力，避免了彈性體的設計和加工。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是:
[0005]1、一種組合式三維力傳感器，它由機械結構組成；
[0006]本發(fā)明所述機械結構由上平臺、中間連接組件、下平臺組件以及多個一維壓力傳感器構成。其位置連接關系是:下平臺組件上分兩組對稱的固定四個壓力傳感器、其中一組傳感器上加兩個可與下平臺底座相對上下移動的可移動軸承座，并在可移動軸承座上加上預緊力使軸承緊壓在這組壓力傳感器上。然后將中間連接組件上的兩個軸與可移動軸承座里的軸承連接。預緊力通過控制螺釘?shù)念A緊力矩來控制。中間連接組件上裝有一組對稱分布的兩個壓力傳感器。中間連接組件上有一對軸承座，上平臺伸出的桿與中間連接組件的軸承連接，上平臺的旋轉力矩可以直接傳遞到中間連接組件上的兩個壓力傳感器上。機器人力腕可以和上、下平臺通過螺紋連接。該上平臺是一個圓板，圓板圓周上每隔90°對稱的伸出同等厚度的四個桿，四個桿分為兩對，一對端部為軸，另一對為矩形，矩形下部設有兩個圓孔，正好壓在壓力傳感器測力柱上。該中間連接組件包括中間連接件201和上軸座202及壓力傳感器103 ;該中間連接件是一個矩形的框架。框架是一個矩形容器，四個側面切開八個孔洞以減少重量?？蚣苌掀渲幸粋€側面的橫梁上設有半圓狀便于安裝軸承。矩形框架另一側面有軸伸出。矩形框架底面設有通孔，通孔的大小略大于所選壓力傳感器的螺紋孔尺寸。該上軸座由兩個矩形板及半圓板組合而成，矩形板上設有連接通孔；該下平臺組件包括下平臺底座101、可移動軸承座102、壓力傳感器103和擋板104。該下平臺底座是由兩中間端設有突出的半圓矩形板及四角設有四塊立板組合而成，突出的半圓矩形板，用以放置壓力傳感器，四塊立板上側有四個螺紋孔用以安裝固定擋板；該可移動軸承座是由一個圓形及矩形的板料組合而成，矩形板料兩側切有V型凹槽，這個V型凹槽保證該可移動軸承座只能上下移動。該壓力傳感器按需選購。該擋板是其上設有一通孔的矩形板料。
[0007]2、本發(fā)明一種組合式三軸力傳感器計算方法，通過一維力傳感器解算出X、Y方向的力矩和Z方向的力。該方法具體步驟如下:
[0008]步驟一:壓力傳感器標定后，標定不受外界力時力傳感器的讀數(shù)記為零。
[0009]步驟二:中間連接件上的一組壓力傳感器讀出數(shù)值，其中這組中的左傳感器讀數(shù)為Ct1、右傳感器的讀數(shù)為CI2，則由兩傳感器的讀數(shù)差和傳感器的機械位置力臂，求出上平臺繞中間連接件微轉動的力矩。同理，求出中間連接件繞下平臺轉動的力矩。
[0010]步驟三:由于可移動軸承座可以將垂直于下平臺的力傳遞給下平臺上的兩個壓力傳感器，因此求這組傳感器的和再除以二，可以得到垂直于下平臺方向的力的數(shù)值。
[0011]3、本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0012]1、本發(fā)明沒有采用一般意義上的彈性體，并通過彈性體的應力-應變分析的方法計算空間的多維力的方法，提供了多維力傳感器設計的一種新的思路；
[0013]2、本發(fā)明采用一維壓力傳感器的組合方法，簡單易用，便于加工。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明力傳感器結構示意圖。
[0015]圖2為本圖1中I指下平臺組件結構示意圖。
[0016]圖3為圖1中2中間連接組件結構示意圖。
[0017]圖4為圖1中3上平臺結構示意圖。
[0018]圖5為圖2中101下平臺底座結構示意圖。
[0019]圖6為圖3中201中間連接件結構示意圖。
[0020]圖7為圖3中202上軸座示意圖。
[0021]圖8為圖2中102可移動軸承座示意圖。
[0022]圖9為圖2中103壓力傳感器示意圖。
[0023]圖10為圖2中104擋板示意圖。
[0024]圖11為計算模型圖。
[0025]圖12為計算模型圖。
[0026]圖中:
[0027]1-下平臺組件2-中間連接組件 3-上平臺101-下平臺底座102-可移動軸承座 103-壓力傳感器 104-擋板 201-中間連接件202-上軸座。
【具體實施方式】
[0028]見圖1一一圖12，下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0029]如圖1，本發(fā)明所述圖1中機械結構包括下平臺組件1、中間連接組件2、上平臺3及多個一維壓力傳感器103。其位置關系是:中間連接件組件2上的軸與下平臺組件I上通過軸承配合連接，并通過壓力傳感器103頂住中間連接組件2，上平臺3上的軸與中間連接件組件2通過軸承連接，并通過壓力傳感器103頂住上平臺3。
[0030]本發(fā)明所述下平臺組件I如圖2所示，下平臺組件I包括下平臺底座101、可移動軸承座102、壓力傳感器103、擋板104。其位置關系是:可移動軸承座102的凸起和下平臺底座101零件的凹槽構成一個可上下滑動的滑軌，壓力傳感器103其中的一組位于可移動軸承座102零件的下面，頂住可移動軸承座102，承擔可移動軸承座102向下的壓力，擋板104壓住可移動軸承座102，限制可移動軸承座102向上的移動，并通過螺釘和下平臺底座101連接。壓力傳感器103的另一組相對于下平臺底座101的軸承形成的軸線對稱分布。
[0031]本發(fā)明中間連接件組件2如圖3所示，中間連接組件2包括中間連接件201和上軸座202以及下平臺組件I中的壓力傳感器103組成。壓力傳感器103相對于軸承軸線對稱分布，上軸座202與中間連接件201通過螺釘固定連接，方便上平臺3的安裝，螺釘通過可控預緊力的扳手擰上。
[0032]本發(fā)明所述計算方法如圖11所示，按照本發(fā)明的機械結構，X、Y方向的力矩分別由上面所述中間連接組件2上關于軸承軸線對稱分布的壓力傳感器103和下平臺組件I上關于軸承軸線對稱分布的壓力傳感器103測量。按照圖11所示的計算模型，力矩的計算可由下面公式求得:
[0033]M = (F1-F2) *1/2。Z方向的力由下平臺組件I中可移動軸承座102下的兩個壓力傳感器測得，由圖12的計算模型可得，Z方向的力可由公式F = (FJF2)/2求得，這樣可以消除由于轉矩帶來的影響。
【主權項】
1.一種組合式三維力傳感器，其特征在于:它由機械結構組成； 所述機械結構由上平臺、中間連接組件、下平臺組件以及復數(shù)個一維壓力傳感器構成；下平臺組件上分兩組對稱的固定四個壓力傳感器，其中一組傳感器上加兩個能與下平臺底座相對上下移動的可移動軸承座，并在可移動軸承座上加上預緊力使軸承緊壓在這組壓力傳感器上，然后將中間連接組件上的兩個軸與可移動軸承座里的軸承連接，預緊力通過控制螺釘?shù)念A緊力矩來控制；中間連接組件上裝有一組對稱分布的兩個壓力傳感器；中間連接組件上有一對軸承座，上平臺伸出的桿與中間連接組件的軸承連接，上平臺的旋轉力矩直接傳遞到中間連接組件上的兩個壓力傳感器上；機器人力腕和上、下平臺通過螺紋連接；該上平臺是一個圓板，圓板圓周上每隔90°對稱的伸出同等厚度的四個桿，四個桿分為兩對，一對端部為軸，另一對為矩形，矩形下部設有兩個圓孔，正好壓在壓力傳感器測力柱上；該中間連接組件包括中間連接件(201)和上軸座(202)及壓力傳感器(103);該中間連接件是一個矩形的框架，框架是一個矩形容器，四個側面切開八個孔洞以減少重量；框架上其中一個側面的橫梁上設有半圓狀便于安裝軸承，矩形框架另一側面有軸伸出，矩形框架底面設有通孔，通孔的大小稍大于所選壓力傳感器的螺紋孔尺寸；該上軸座由兩個矩形板及半圓板組合而成，矩形板上設有連接通孔；該下平臺組件包括下平臺底座(101)、可移動軸承座(102)、壓力傳感器(103)和擋板(104);該下平臺底座是由兩中間端設有突出的半圓矩形板及四角設有四塊立板組合而成，突出的半圓矩形板，用以放置壓力傳感器，四塊立板上側有四個螺紋孔用以安裝固定擋板；該可移動軸承座是由一個圓形及矩形的板料組合而成，矩形板料兩側切有V型凹槽，這個V型凹槽保證該可移動軸承座只能上下移動；該擋板是其上設有一通孔的矩形板料。2.一種組合式三軸力傳感器計算方法，通過一維力傳感器解算出X、Y方向的力矩和Z方向的力，該方法具體步驟如下: 步驟一:壓力傳感器標定后，標定不受外界力時力傳感器的讀數(shù)記為零； 步驟二:中間連接件上的一組壓力傳感器讀出數(shù)值，其中這組中的左傳感器讀數(shù)為a 1、右傳感器的讀數(shù)為α 2，則由兩傳感器的讀數(shù)差和傳感器的機械位置力臂，求出上平臺繞中間連接件微轉動的力矩；同理，求出中間連接件繞下平臺轉動的力矩； 步驟三:由于可移動軸承座將垂直于下平臺的力傳遞給下平臺上的兩個壓力傳感器，因此求這組傳感器的和再除以二，得到垂直于下平臺方向的力的數(shù)值。
【專利摘要】一種組合式三維力傳感器，它由機械結構組成；所述機械結構由上平臺、中間連接組件、下平臺組件以及復數(shù)個一維壓力傳感器構成；一種組合式三軸力傳感器計算方法，它有三大該步驟：步驟一：壓力傳感器標定后，標定不受外界力時力傳感器的讀數(shù)記為零；步驟二：中間連接件上的一組壓力傳感器讀出數(shù)值，其中這組中的左傳感器讀數(shù)為α1、右傳感器的讀數(shù)為α2，則由兩傳感器的讀數(shù)差和傳感器的機械位置力臂，求出上平臺繞中間連接件微轉動的力矩；同理，求出中間連接件繞下平臺轉動的力矩；步驟三：由于可移動軸承座將垂直于下平臺的力傳遞給下平臺上的兩個壓力傳感器，因此求這組傳感器的和再除以二，得到垂直于下平臺方向的力的數(shù)值。
【IPC分類】G01L5/16
【公開號】CN105092134
【申請?zhí)枴緾N201510437024
【發(fā)明人】胡磊, 胡玥
【申請人】北京航空航天大學
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年7月23日