十字梁弹性件、六维力传感器和工业机器人的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种十字梁弹性件、六维力传感器和具有该种六维力传感器的工业机器人。


背景技术：

2.现有的一种六维力传感器包括十字梁弹性件，十字梁弹性件包括承载台、梁体和座体，梁体具有弹性形变能力，多根梁体设置在承载台的外周，四根梁体的第一延伸端均连接在承载台上，四根梁体从承载台分别沿x轴正向、x轴负向、y轴正向和y轴负向伸出，座体围绕在四根梁体的外周，四根梁体的第二延伸端均连接在座体上。
3.每根梁体均为四面体，每根梁体均具有在高度方向上相对设置的两个第二表面和在水平方向上相对设置的两个第一表面，俯视方向下，梁体呈梯形，水平方向下，梁体呈矩形，第二表面和第一表面上均设有应变片。应变片在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值发生相应的变化，多个应变片组成多个惠斯通电桥，当承载台受力而引起多个梁体产生形变时，多个应变片的电阻值产生不同的变化，从而对受力情况作出判断。
4.现有的该种六维力传感器存在的问题是，梁体的该轮廓设计下，沿梁体的延伸方向，梁体各处的应变强度大小各异，分布在梁体上各处的应变片，特别是第二表面上多个应变片感受到的应变大小不一致。
5.由于六维力传感器因检测的力的种类较多，各方向检测间彼此干扰，若多个应变片感受到的应变大小不一致，使得信号输出有重复区间，难以对干扰量进行剥离，尤其是一体化的十字梁弹性件，其中一方向载荷下引起的切应变会对另一方向主应变产生较大的耦合作用，造成输出紊乱。


技术实现要素：

6.本实用新型的第一目的在于提供一种具有等强度梁体而提高检测准确度的十字梁弹性件。
7.本实用新型的第二目的在于提供一种提高检测准确度的六维力传感器。
8.本实用新型的第三目的在于提供另一种提高检测准确度的六维力传感器。
9.本实用新型的第四目的在于提供一种具有上述六维力传感器的工业机器人。
10.本实用新型第一目的提供的十字梁弹性件包括承载台、梁体和座体，梁体具有弹性形变能力，多根梁体设置在承载台的外周，四根梁体的第一延伸端均连接在承载台上，四根梁体从承载台分别沿x轴正向、x轴负向、y轴正向和y轴负向伸出，四根梁体的第二延伸端均连接在座体上；梁体具有在宽度方向上相对设置的两个第一表面，梁体具有在z轴方向上相对设置的两个第二表面，宽度方向垂直于z轴方向，且宽度方向垂直于梁体的延伸方向；梁体上，从第一延伸端至第二延伸端，两个第一表面和/或两个第二表面均为外凸曲面且单曲率弯曲。
11.由上述方案可见，梁体上，从第一延伸端至第二延伸端，多个表面线性变化而成为
外凸曲面且单曲率弯曲，且梁体的截面积逐渐缩小，此设置下可使每根梁体上各处的应变强度更均匀，使每个应变片的检测应变大小更具一致，从而减少干扰量而提高传感器的检测准确度。
12.进一步的方案是，在z轴方向上，第一表面的投影为第一曲线；在梁体的宽度方向上，第二表面的投影为第二曲线。
13.由上可见，垂直于梁体的延伸方向的方向上，第一表面和第二表面均沿直线延伸而各处应变强度更加均匀。
14.进一步的方案是，第一曲线为三次曲线，和/或第二曲线为三次曲线。
15.更进一步的方案是，第一曲线符合以下方程：其中 x1为第一曲线在梁体的延伸方向上的坐标值，y1为第一曲线在梁体的宽度方向上的坐标值，a为第一计量系数，和/或,第二曲线符合以下方程：其中x2为第二曲线在梁体的延伸方向上的坐标值， z2为第二曲线在z轴方向上的坐标值，b为第二计量系数。
16.由上可见，此设置下可使每根梁体上各处的应变强度更均匀，此设置能进一步保证垂直于梁体延伸方向的横向上的各处的应变大小一致，进一步减少干扰量。
17.进一步的方案是，梁体的截面积从第一延伸端至第二延伸端逐渐减小。
18.由上可见，此设置下，梁体的外轮廓不但符合三次曲线的设计，且能有效增大传感器的量程。
19.进一步的方案是，梁体上设置有应力集中通孔，应力集中通孔贯穿于两个第一表面之间，或，应力集中通孔贯穿于两个第二表面之间。
20.由上可见，梁体在应力集中通孔的一侧形成应力集中处，将应变片设置在应力集中处能提高检测准确度。
21.进一步的方案是，应力集中通孔贯穿于两个第一表面之间，应力集中通孔在z轴方向上沿直线延伸，或应力集中通孔贯穿于两个第二表面之间，应力集中通孔在梁体的宽度方向上沿直线延伸。
22.由上可见，应力集中通孔越窄，应力集中效果越明显，此设置下能进一步实现应力集中。
23.进一步的方案是，在应力集中通孔的贯穿方向的投影上，应力集中通孔的延伸两端分别靠近梁体的相对两侧的边缘。
24.由上可见，应力集中通孔越长，梁体在应力集中处形变能力越好，应力集中效果越明显。
25.进一步的方案是，至少两个应力集中通孔的贯穿方向相同且沿梁体的延伸方向依次设置。
26.另一进一步的方案是，应力集中通孔的数量为二个以上，多个应力集中通孔中的至少一个贯穿于两个第一表面之间，多个应力集中通孔中的至少另一个贯穿于两个第二表面之间。
27.由上可见，此设置能适应于配合多个应变片的布置位置，多个应变片组成更合理的多个惠斯通电桥而提高检测准确度。
28.进一步的方案是，多个应力集中通孔贯穿于两个第二表面之间且沿梁体的延伸方
向依次设置，在z轴方向的投影上，多个应力集中通孔均具有靠近第一表面的边缘，多个边缘均位于第三曲线上，第三曲线与第一表面的投影曲线呈常系数比例关系，和/或多个应力集中通孔贯穿于两个第一表面之间且沿梁体的延伸方向依次设置，在梁体的宽度方向的投影上，多个应力集中通孔具有靠近第二表面的边缘，多个边缘均位于第四曲线上，第四曲线与第二表面的投影曲线呈常系数比例关系。
29.由上可见，此设置能进一步保证由于设置应力集中通孔而形成的多个应力集中处的应变强度大小的一致性。
30.进一步的方案是，十字梁弹性件还包括支撑体，多个支撑体均支立在座体上，多个梁体的第二延伸端分别连接在多个支撑体上。
31.由上可见，此设置下，座体不用设置在多个梁体的外周，传感器的外径减小而是体积减小，且质量减小。
32.进一步的方案是，十字梁弹性件还包括第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片；梁体上，两片第一应变片对称地分别设置在两个第一表面上，两片第二应变片对称地分别设置在两个第一表面上，两片第三应变片对称地分别设置在两个第二表面上，两片第四应变片对称地分别设置在两个第二表面上。
33.更进一步的方案是，沿梁体的延伸方向，从梁体的第一延伸端到第二延伸端，第四应变片、第三应变片、第二应变片和第一应变片依次设置。
34.由上可见，此设置下，多个应变片能组成更合理的多个惠斯通电桥而提高检测准确度。
35.本实用新型第二目的提供的六维力传感器包括十字梁弹性件采用上述的十字梁弹性件。
36.进一步的方案是，六维力传感器还包括电路板、底板、端盖和外周壳体；座体的底部形成安装位，电路板固定在安装位中，底板固定在座体的底部并遮盖安装位；外周壳体与座体固定连接且围绕在承载台以及多根梁体的外周，端盖与承载台固定连接。
37.本实用新型第三目的提供的六维力传感器包括检测电路和十字梁弹性件，十字梁弹性件采用上述的十字梁弹性件；检测电路包括第一惠斯通电桥、第二惠斯通电桥、第三惠斯通电桥、第四惠斯通电桥、第五惠斯通电桥、第六惠斯通电桥、第七惠斯通电桥和第八惠斯通电桥；第一惠斯通电桥包括设置在沿y轴正向延伸的梁体上的两个第一应变片和设置在沿y轴负向延伸的梁体的两个第一应变片；第二惠斯通电桥包括设置在沿y轴正向延伸的梁体上的两个第二应变片和设置在沿y轴负向延伸的梁体的两个第二应变片；第三惠斯通电桥包括设置在沿y轴正向延伸的梁体上的两个第三应变片和设置在沿y轴负向延伸的梁体的两个第三应变片；第四惠斯通电桥包括设置在沿y轴正向延伸的梁体上的两个第四应变片和设置在沿y轴负向延伸的梁体的两个第四应变片；第五惠斯通电桥包括设置在沿x轴正向延伸的梁体上的两个第一应变片和设置在沿x轴负向延伸的梁体的两个第一应变片；第六惠斯通电桥包括设置在沿x轴正向延伸的梁体上的两个第二应变片和设置在沿x轴负向延伸的梁体的两个第二应变片；第七惠斯通电桥包括设置在沿x轴正向延伸的梁体上的两个第三应变片和设置在沿x轴负向延伸的梁体的两个第三应变片；第八惠斯通电桥包括设置在沿x轴正向延伸的梁体上的两个第四应变片和设置在沿x轴负向延伸的梁体的两个第四应变片。
38.由上可见，此设置下，由于桥路设置涵盖大部分的应力变化位置，优势在于，一旦加载面有一丝受力而中心位置存在偏距，会导致桥路中的应变片感知力产生变化，桥路设置越广泛，越能准确的实现感知，不存在z轴向力和力矩感知位置缺失的问题。
39.本实用新型第四目的提供的工业机器人包括上述的六维力传感器。
附图说明
40.图1为本实用新型六维力传感器实施例的结构分解图。
41.图2为本实用新型六维力传感器实施例中十字梁弹性件的结构图。
42.图3为本实用新型六维力传感器实施例的剖视图。
43.图4为图2中a处的放大图。
44.图5为现有技术的六维力传感器第一受力状态下的仿真图。
45.图6为现有技术的六维力传感器第二受力状态下的仿真图。
46.图7为本实用新型六维力传感器实施例第一受力状态下的仿真图。
47.图8为本实用新型六维力传感器实施例第二受力状态下的仿真图。
48.图9为本实用新型六维力传感器实施例应变片组的布置示意图。
49.图10为本实用新型六维力传感器实施例应变片组第一连接方式下多个惠斯通电桥的检测电路图。
50.图11为本实用新型六维力传感器实施例应变片组第二连接方式下多个惠斯通电桥的检测电路图。
具体实施方式
51.以下先对本实施例的六维力传感器的整体结构进行说明。参见图1，六维力传感器包括十字梁弹性件1、端盖2、外周壳体3、底板4、应变片组5、电路板6、第一螺丝71和第二螺丝72。
52.参见图2和图3，十字梁弹性件1包括一体成型的承载台11、梁体12、座体13和支撑体14，座体13呈环形，四个支撑体14沿座体 13的周向均匀地从座体13的上表面竖立起来，外周轮廓呈八边形的承载台11位于座体13的正上方，四根梁体12设置在承载台11的外周，四根梁体12的第一延伸端均连接在承载台上，四根梁体12从承载台分别沿x轴正向、x轴负向、y轴正向和y轴负向伸出。
53.四根梁体12的第二延伸端分别连接在对应的一个支撑体14的上部，从而使承载台11依次通过四根梁体12和四个支撑体14被支承在座体13上。由于梁体12具有弹性形变能力，承载台11承载时会引起梁体12的弹性形变。
54.座体13的底部形成安装位(图中未示出)，电路板6固定在该安装位中，四根第二螺丝72穿过电路板6的通孔并与座体13上的四个第二螺孔132锁紧。如图3所示，圆形的底板4固定在座体13的底部并遮盖电路板6以及安装位，外周壳体3固定套装于座体13外周的环形台阶位上而与座体13固定连接，且外周壳体3围绕在承载台11以及多根梁体12的外周。圆形的端盖2通过八根第一螺丝71与承载台 11固定连接。
55.接下来对十字梁弹性件1的结构进行说明。参见图2至图4，每根梁体12具有在其宽度方向上相对设置的两个第一表面121，以及在 z轴方向上相对设置的两个第二表面122，
梁体12的宽度方向垂直于z 轴方向且垂直于梁体12的延伸方向。从图4可见，在梁体12的延伸方向上，从与承载台11连接的第一延伸端128到与支撑体14连接的第二延伸端129，梁体12的截面积逐渐减小。
56.结合图3和图4，每根梁体12上，从第一延伸端128至第二延伸端129，两个第一表面121和两个第二表面122均为外凸曲面且单曲率弯曲，如图4所示，在z轴方向上，第一表面121的投影为第一曲线l1，如图3所示，在梁体的宽度方向上，第二表面122的投影为第二曲线l2。第一曲线l1和第二曲线l2为三次曲线。
57.第一曲线l1符合以下方程：其中x1为第一曲线l1 在梁体的延伸方向上的坐标值，y1为第一曲线l1在梁体12的宽度方向上的坐标值，a为与六维力传感器的量程以及尺寸相关的第一计量系数。
58.第二曲线l2符合以下方程：其中x2为第二曲线l2 在梁体的延伸方向上的坐标值，z2为第二曲线l2在z轴方向上的坐标值，b为与六维力传感器的量程以及尺寸相关的第二计量系数。
59.即，梁体12上，形成于第一表面121和第二表面122之间的四条边缘曲线满足如下方程组：
[0060][0061]
其中，边缘曲线处于y或z负半轴方向时取负号，边缘曲线处于y 或z正半轴方向时取正号。
[0062]
参见图5和图6，现有技术的六维力传感器在受到不同方向的作用力时，其梁体上各处的受力情况较为不均匀；比对图7和图8，当本实施例受到相同情况的不同方向的作用力时，梁体12受力各处较为均匀。因此，当梁体12根据上面方程式设置时，梁体12形成等强度梁体结构，整根梁体12的第一表面121和第二表面122各个位置应力强度分布均匀相等。
[0063]
继续参见图3和图4，梁体12上需要粘贴多片应变片去对梁体12 产生的弹性形变进行反馈，因此，为提高准确度，梁体12上还在需要粘贴应变片的地方设置了多个应力集中通孔以形成多个应力集中处。
[0064]
设置在梁体12上的多个应力集中通孔包括沿梁体12的延伸方向依次设置的第一应力集中通孔251、第二应力集中通孔252、第三应力集中通孔253和第四应力集中通孔254。
[0065]
第一应力集中通孔251和第二应力集中通孔252均沿z轴方向贯穿于相对的两个第二表面122之间，在梁体12的宽度方向上，第一应力集中通孔251和第二应力集中通孔252均沿直线延伸，且第一应力集中通孔251和第二应力集中通孔252的延伸两端分别靠近梁体12的相对两侧的边缘。如图4所示，在z轴方向的投影上，第一应力集中通孔251和第二应力集中通孔252均具有靠近第一表面121的边缘，第一应力集中通孔251的边缘和第二应力集中通孔252的边缘均位于第三曲线l3上，第三曲线l3与第一曲线l1呈常系数比例关系，即在z轴方向的投影上，第三曲线l3与第一曲线l1的x轴坐标值相等时，第三曲线l3与第一曲线l1的y轴坐标值之间成常系数比例关系。
[0066]
第三应力集中通孔253和第四应力集中通孔254均沿梁体12的宽度方向贯穿于相
对的两个第一表面121之间，在z轴方向上，第三应力集中通孔253和第四应力集中通孔254均沿直线延伸，且第三应力集中通孔253和第四应力集中通孔254的延伸两端分别靠近梁体12的相对两侧的边缘。如图3所示，在梁体12宽度方向的投影上，第三应力集中通孔253和第四应力集中通孔254均具有靠近第二表面122的边缘，第三应力集中通孔253的边缘和第四应力集中通孔254的边缘均位于第四曲线l4上，第三曲线l4与第二曲线l2呈常系数比例关系。此设置能进一步保证由于设置应力集中通孔而形成的多个应力集中处的应变强度大小的一致性。
[0067]
参见图4和图9，应变片组包括36片应变片，每根梁体12上设置有8片应变片。梁体12上的8片应变片包括对称地分别设置在两个第一表面121上的两片第一应变片、对称地分别设置在两个第一表面 121上的两片第二应变片、对称地分别设置在两个第二表面122上的两片第三应变片和对称地分别设置在两个第二表面122上的两片第四应变片，沿梁体12的延伸方向，从梁体12的第一延伸端128到第二延伸端129，第四应变片、第三应变片、第二应变片和第一应变片依次设置。
[0068]
另外，相对设置的两片应变片粘贴在梁体12上应力集中通孔所在表面相邻的两个表面上，且该两片应变片靠近应力集中通孔设置。如图4所示，沿x轴正向延伸的梁体12上，第一应力集中通孔251贯穿第二表面122，两片第一应变片252粘贴在第一表面121上。
[0069]
沿y轴负向设置的梁体12上设置有第一应变片501、第一应变片 505、第二应变片502、第二应变片506、第三应变片503、第三应变片507、第四应变片504和第四应变片508。
[0070]
沿x轴负向设置的梁体12上设置有第一应变片509、第一应变片 513、第二应变片510、第二应变片514、第三应变片511、第三应变片515、第四应变片512和第四应变片516。
[0071]
沿y轴正向设置的梁体12上设置有第一应变片517、第一应变片 521、第二应变片518、第二应变片522、第三应变片519、第三应变片523、第四应变片520和第四应变片524。
[0072]
沿x轴正向设置的梁体12上设置有第一应变片525、第一应变片 529、第二应变片526、第二应变片530、第三应变片527、第三应变片531、第四应变片528和第四应变片532。
[0073]
六维力传感器还包括检测电路，检测电路包括第一惠斯通电桥、第二惠斯通电桥、第三惠斯通电桥、第四惠斯通电桥、第五惠斯通电桥、第六惠斯通电桥、第七惠斯通电桥和第八惠斯通电桥，结合图9 和图10，在多片应变片第一连接方式下，第一惠斯通电桥包括第一应变片501、第一应变片505、第一应变片517和第一应变片521，第二惠斯通电桥包括第二应变片502、第二应变片506、第二应变片518和第二应变片522，第三惠斯通电桥包括第三应变片503、第三应变片 507、第三应变片519和第三应变片523，第四惠斯通电桥包括第四应变片504、第四应变片508第四应变片520和第四应变片524。第五惠斯通电桥包括第一应变片509、第一应变片513、第一应变片525和第一应变片529，第六惠斯通电桥包括第二应变片510、第二应变片514、第二应变片526和第二应变片530、第七惠斯通电桥包括第三应变片 511、第三应变片515、第三应变片527和第三应变片531，第八惠斯通电桥包括第四应变片512、第四应变片516、第四应变片528和第四应变片532。
[0074]
第一惠斯通电桥和第五惠斯通电桥两组输出用于实现z轴方向力矩mz的检测；第二惠斯通电桥输出用于实现x轴方向力fx的检测；第六惠斯通电桥输出用于实现y轴方向力fy的检测；第三惠斯通电桥输出用于实现x轴方向力矩mx的检测；第七惠斯通电桥输出用于实现y轴方向力矩my的检测；第四惠斯通电桥和第八惠斯通电桥两组输出用于实现z轴方向
力fz的检测。
[0075]
再结合图1和图11，六维力传感器工作时，首先给六维力传感器供电，此时各路惠斯通电桥输出为零，当端盖2的表面感受到负载力并传递到四根梁体12上，粘贴在梁体12上的多片应变片发生形变并引起自身阻值变化，从而使路惠斯通电桥的输出电压发生变化，电路板6采集到8路信号，依次经过一次放大、滤波、第二放大以及a/d 信号转换后进行运算，最后输出终值。
[0076]
多片应变片第一连接方式下，六维力运算算法如下：
[0077][0078]
多片应变片还能以其他方式连接而组成不同的多个惠斯通电桥。如图11所示，第一惠斯通电桥包括第一应变片501、第一应变片505、第二应变片502和第二应变片506；第二惠斯通电桥包括第三应变片 503、第三应变片507、第四应变片504和第四应变片508；第三惠斯通电桥包括第一应变片509、第二应变片510、第一应变片513和第二应变片514；第四惠斯通电桥包括第三应变片511、第三应变片515、第四应变片512、第四应变片516；第五惠斯通电桥包括第一应变片 517、第一应变片521、第二应变片518和第二应变片522；第六惠斯通电桥包括第三应变片519、第三应变片523、第四应变片520和第四应变片524；第七惠斯通电桥包括第一应变片525、第一应变片529、第二应变片526和第二应变片530；第八惠斯通电桥包括第三应变片 527、第三应变片531、第四应变片528和第四应变片532。
[0079]
多片应变片第二连接方式下，六维力运算算法如下：
[0080][0081]
本实用新型通过对十字梁弹性件的梁体轮廓进行设计，使梁体的四个表面呈外凸曲面且均沿三次曲线延伸以形成等强度梁结构，保证梁体上各处应变强度的一致性；进一步地，在需要粘贴应变片的位置设置对应的细长的应力集中通孔而使应力集中，进一步降低耦合误差占比；再进一步地，通过对多片应变片进行更合理的布置以覆盖更多的应力变化位置，广泛设置的桥路能获取更能准确的实现感知，解决检测位置缺失问题。
[0082]
在其他实施例中，仅第一表面设置为外凸曲面且单曲率弯曲，或仅第二表面设置为外凸曲面且单曲率弯曲。
[0083]
在其他实施例中，第一曲线和/或第二曲线可以是二次曲线。
[0084]
在其他实施例中，在z轴方向上，第一表面的投影具有面积而不仅包括第一曲线，或，在梁体宽度方向上，第二表面的投影具有面积而不仅包括第二曲线。
[0085]
另外，本实用新型还保护工业机器人，工业机器人上设置有本实用新型的六维力传感器。
[0086]
最后需要强调的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。