CN112414607A - 一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器，其包括传感器主体、绝缘垫片、感应动电极层、PCB板。传感器主体主要由受力台、外壁以及连接于外壁与受力台之间的变形梁组成，其中变形梁为复合梁结构，由横梁、竖梁以及纵梁三部分组成。绝缘垫片以及感应动电极层通过绝缘螺钉固定连接在传感器主体受力台上，PCB板固定在传感器外壁内侧的PCB安装台上，并与感应动电极层组成六个电容器。本发明采用复合梁作为变形梁，通过在普通等截面横梁的基础上增加竖梁和纵梁，减小变形梁整体的抗弯刚度，使电容式六维力传感器各方向抗弯刚度相似，在任意方向力的传递过程中变形梁的反应更为灵敏，且传感器各向灵敏度相似。

Description

一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及力传感器，特别涉及一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器。

背景技术

六维力传感器作为机器人和环境之间进行力学信息交换的媒介，能够实现对多维力信号的测量，在机械加工、汽车制造、智能化机器人以及航空航天等领域具有广泛的应用。目前，基于电阻应变原理的六维力传感器较为成熟，但其电路设计复杂，加工工艺要求较高，价格昂贵。电容式六维力传感器结构简单、动态性能好，属于非接触测量，相比电阻应变片式具有较长的使用寿命。然而目前大部分电容式六维力传感器所用的弹性体为等截面直梁结构，在受力时某些方向抗弯刚度太大，导致传感器各方向灵敏度不一致。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前电容式六维力传感器的不足，提出了一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器，通过复合梁结构的设计减小变形梁的整体抗弯刚度，提高了电容式六维力传感器灵敏度，且使电容式六维力传感器各向灵敏度相似。

为了实现上述目标，本发明的技术方案如下：

一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器包括传感器主体1、绝缘垫片2、感应动电极层3、PCB板4；所述传感器主体1至少包括外壁5、变形梁6以及受力台7；所述外壁5内侧设有凹槽8、PCB板安装台9以及走线孔10；

所述变形梁6为复合梁结构，至少包括横梁6-1、竖梁6-2以及纵梁6-3；所述横梁6-1一端固定连接于受力台7外侧，另一端垂直连接于竖梁6-2下端；所述竖梁6-2上端垂直连接于纵梁6-3中部位置；所述纵梁6-3两端均连接于外壁5内侧的凹槽8两侧；所述变形梁6数目为3呈120°角绕Z轴均匀分布。所述变形梁6为复合梁，即在普通等截面横梁6-1的基础上再增加竖梁6-2和纵梁6-3，当传感器受到任意空间任意力时各方向抗弯刚度相似，故传感器各方向灵敏度相似。

所述绝缘垫片2位于受力台7与感应动电极层3之间，且绝缘垫片2以及感应动电极层3通过绝缘螺钉连接于受力台7上；所述绝缘垫片2作用在于将传感器主体1与感应动电极层3隔开，使两者间电气隔离，减小传感器使用过程中因带电体靠近或接触传感器外壁5对电容器造成的电磁干扰，以提高传感器测量精度；所述PCB板4通过螺钉安装于PCB板安装台9上。

所述感应动电极层2上有平行板电容动电极11以及垂直型电容动电极12，数目均为3，且两者绕Z轴呈60°夹角交叉分布。所述PCB板4上有平行板电容静电极13、垂直型电容静电极14；所述平行板电容动电极11与平行板电容静电极13构成平行板电容器15；所述垂直型电容动电极12与垂直型电容静电极14构成垂直型电容器16，且垂直型电容器16为差动式结构，以提高传感器灵敏度和线性度。

本发明的特点和有益效果在于：

(1)本发明采用了一种复合梁结构变形梁，通过在普通等截面直梁的基础上增加竖梁和纵梁来改善传感器变形梁整体抗弯刚度，提高了电容式六维力传感器灵敏度，且使电容式六维力传感器各向灵敏度相似。

附图说明

图1为本发明整体爆炸图；

图2为本发明传感器主体结构示意图；

图3为本发明传感器主体与感应动电极层装配示意图；

图4为本发明电容器结构示意图；

附图中：1.传感器主体；2.绝缘垫片；3.感应动电极层；4.PCB板；5.外壁；6.变形梁；6-1.横梁；6-2.竖梁；6-3.纵梁；7.受力台；8.凹槽；9.PCB板安装台；10.走线孔；11.平行板电容动电极；12.垂直型电容动电极；13.平行板电容静电极；14.垂直型电容静电极；15.平行板电容器；16.垂直型电容器。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，在下文将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。

如图1所示，一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器包括传感器主体1、绝缘垫片2、感应动电极层3、PCB板4；所述传感器主体1至少包括外壁5、变形梁6以及受力台7；所述外壁5内侧设有凹槽8、PCB板安装台9以及走线孔10；

如图2所示，所述变形梁6为复合梁结构，至少包括横梁6-1、竖梁6-2以及纵梁6-3；所述横梁6-1一端固定连接于受力台7外侧，另一端垂直连接于竖梁6-2下端；所述竖梁6-2上端垂直连接于纵梁6-3中部位置；所述纵梁6-3两端均连接于外壁5内侧的凹槽8两侧；所述变形梁6数目为3呈120°角绕Z轴均匀分布。所述变形梁6为复合梁，即在普通等截面横梁6-1的基础上再增加竖梁6-2和纵梁6-3，当变形梁6受到任意空间力时各方向抗弯刚度均减小。

如图3所示，所述绝缘垫片2位于受力台7与感应动电极层3之间，且绝缘垫片2以及感应动电极层3通过绝缘螺钉连接于受力台7上；所述绝缘垫片2作用在于将传感器主体1与感应动电极层3隔开，使两者间电气隔离，减小传感器使用过程中因带电体靠近或接触传感器外壁5对电容器造成的电磁干扰，以提高传感器测量精度；所述PCB板4通过螺钉安装于PCB板安装台9上。

如图4所示，所述感应动电极层2上有平行板电容动电极11以及垂直型电容动电极12，数目均为3，且两者绕Z轴呈60°夹角交叉分布。所述PCB板4上有平行板电容静电极13、垂直型电容静电极14，数目均为3，且两者绕Z轴呈60°夹角交叉分布；所述平行板电容动电极11与平行板电容静电极13构成平行板电容器15；所述垂直型电容动电极12与垂直型电容静电极14构成垂直型电容器16，且垂直型电容器16为差动式结构，以提高传感器灵敏度和线性度。

其工作原理，传感器工作时，外壁5固定，当传感器受力台7受到任意力时都可以分解为F_X、F_Y、F_Z、M_X、M_Y、M_Z六维空间力，其使变形梁6发生变形，从而使六个电容器的极距发生改变，相应的电容改变值为ΔC₁、ΔC₂、ΔC₃、ΔC₄、ΔC₅、ΔC₆。假设输入力与电容变化呈线性关系，通过试验可得6×6矩阵A，并建立下列解耦公式：

F＝AΔC

式中，F＝(F_X,F_Y,F_Z,M_X,M_Y,M_Z)^T,ΔC＝(ΔC₁,ΔC₂,ΔC₃,ΔC₄,ΔC₅,ΔC₆)^T；

F_X、F_Y、F_Z分别表示X方向的力、Y方向的力、Z方向的力，单位为N；

M_X、M_Y、M_Z分别表示X方向力矩、Y方向力矩、Z方向力矩，单位为N·m；

由上述分析可求出六维空间力F_X、F_Y、F_Z、M_X、M_Y、M_Z的值。

最后说明的是以上仅是本发明的优选实施方式，而本发明并非仅局限于以上实施例，还可以做各种修改或变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡运用本发明原理所研究的等效技术变化，均包含于本发明的专利范围内。

Claims (4)

1.一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器，其特征在于：它至少包括传感器主体(1)、绝缘垫片(2)、感应动电极层(3)、PCB板(4)；所述传感器主体(1)至少包括外壁(5)、变形梁(6)以及受力台(7)；所述外壁(5)设有凹槽(8)、PCB板安装台(9)以及走线孔(10)；

所述变形梁(6)为复合梁结构，至少包括横梁(6-1)、竖梁(6-2)以及纵梁(6-3)；所述横梁(6-1)一端固定连接于受力台(7)外侧，另一端垂直连接于竖梁(6-2)下端；所述竖梁(6-2)上端垂直连接于纵梁(6-3)中部位置；所述纵梁(6-3)两端均连接于外壁(5)内侧的凹槽(8)两侧；

所述绝缘垫片(2)位于受力台(7)与感应动电极层(3)之间，且绝缘垫片(2)以及感应动电极层(3)通过绝缘螺钉连接于受力台(7)上；所述PCB板(4)安装于PCB板安装台(9)上。

2.根据权利要求1所述的一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器，其特征在于：所述感应动电极层(3)上有平行板电容动电极(11)以及垂直型电容动电极(12)，且两者绕Z轴呈60°夹角均匀分布。

3.根据权利要求2所述的一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器，其特征在于：所述PCB板(4)至少包括平行板电容静电极(13)、垂直型电容静电极(14)。

4.根据权利要求3所述的一种具有复合梁结构的电容式六维力传感器，其特征在于：所述平行板电容动电极(11)与平行板电容静电极(13)构成平行板电容器(15)；所述垂直型电容动电极(12)与垂直型电容静电极(14)构成垂直型电容器(16)。

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