本发明公开了一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，包括浮动导力模块，第一一维力传感器模块，第二一维力传感器模块，第三一维力传感器模块和基座模块；第一一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合为一组安装在基座模块的前侧，另一组第一一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合安装在基座模块的左侧；第二一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合为一组安装在基座模块的后侧，另一组第二一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合安装在基座模块的右侧；浮动导力模块通过四组一维力传感器模块悬浮固定在基座模块的中部。本发明安装方便，结构简单，体积小，测量更准确，而且能实现无耦合输出，对标定要求也低。
1.一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，其特征在于：包括浮动导力模块(1)，第一一维力传感器模块(2)，第二一维力传感器模块(3)，第三一维力传感器模块(4)和基座模块(5)；所述第一一维力传感器模块(2)和第三一维力传感器模块(4)组合为一组安装在基座模块(5)的前侧，另一组第一一维力传感器模块(2)和第三一维力传感器模块(4)组合安装在基座模块(5)的左侧；所述第二一维力传感器模块(3)和第三一维力传感器模块(4)组合为一组安装在基座模块(5)的后侧，另一组第二一维力传感器模块(3)和第三一维力传感器模块(4)组合安装在基座模块(5)的右侧；所述浮动导力模块(1)通过四组一维力传感器模块悬浮固定在基座模块(5)的中部；其特征在于：所述第一一维力传感器模块(2)包括一维力传感器(9)，水平支撑块(11)，A垫片(12)，B垫片(13)和水平接触块(15)，所述水平支撑块(11)通过底部螺纹连接固定在基座模块(5)上，一维力传感器(9)的一端与A垫片(12)通过螺纹连接固定在水平支撑块(11)的顶部，水平接触块(15)通过B垫片(13)连接固定在一维力传感器(9)另一端的底面。
2.根据权利要求1所述的基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，其特征在于：所述第二一维力传感器模块(3)包括一维力传感器(9)，A垫片(12)，B垫片(13)、C垫片(14)和水平接触块(15)，所述A垫片(12)，B垫片(13)固定在基座模块(5)上，一维力传感器(9)的一端通过C垫片(14)与A垫片(12)固定，水平接触块(15)通过B垫片(13)连接固定在一维力传感器(9)另一端的顶面。
3.根据权利要求1所述的基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，其特征在于：所述第三一维力传感器模块(4)包括一维力传感器(9)，垂直支撑块(10)，A垫片(12)，B垫片(13)和垂直接触块(16)，所述垂直支撑块(10)通过螺钉与基座模块(5)固定，一维力传感器(9)的一端与A垫片(12)通过螺纹连接固定在垂直支撑块(10)的侧面，垂直接触块(16)和B垫片(13)通过螺纹连接固定在一维力传感器(9)的另一端。
4.根据权利要求1所述的基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，其特征在于：所述浮动导力模块(1)包括握杆(6)、中心台(7)以及四根导力杆(8)，所述握杆(6)通过螺纹连接固定在中心台(7)的中心位置，四根导力杆(8)分别通过螺纹连接固定在中心台(7)四个侧面的中心位置，每根导力杆(8)的末端都加工成球形触头，每根导力杆(8)末端与一个水平接触块(15)和一个垂直接触块(16)接触。
一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种四维力传感器，特别是一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，属于传感器技术领域。
背景技术
[0002] 多维力与力矩传感器在机器人领域扮演者十分重要的角色。随着工业机器人和遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的机器人传感器，而机器人力与力矩传感器则是机器人完成接触性作业任务的保障，也是遥操作机器人完成远程作业任务的保障。遥操作机器人需要通过力与力矩传感器检测机械手与环境的接触力并反馈作用于操作者的手部，使操作者产生“身临其境”的力觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制。
[0003] 现有的机器人力与力矩传感器主要为六维力与力矩传感器，它们结构复杂，贴片数量和组桥电路多，体积较大，价格高，并且存在较为严重的维间耦合，需要复杂的解耦算法，而且对标定实验的精度要求也很高。
[0004] 在实际应用中，我们发现对于工业机器人装配作业和遥操作机器人作业而言，四维力与力矩传感器是最有实用价值的机器人力与力矩传感器，它主要提供三维的力信息和一个轴向旋转的力矩信息。而目前专用的四维力与力矩传感器则很少见，一般都是利用现有的六维力与力矩传感器，选用其中的四维来实现四维力与力矩的测量，这样不仅造成了硬件资源的浪费，而且也无法克服六维力与力矩传感器固有的维间耦合的影响。当然也有少量直接输出型的四维力与力矩传感器，但是同样存在贴片数量和组桥电路多，体积较大等不足之处。本传感器采用多个一维力传感器合理组合的方法，达到结构解耦的效果，具有结构简单，无耦合等优点。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，这种传感器通过对多个一维传感器成品进行合理组合装配，达到测量四维力与力矩的效果，具有设计简单，体积小，无需自行贴应变片，输出信号无需解耦的优点。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，包括浮动导力模块，第一一维力传感器模块，第二一维力传感器模块，第三一维力传感器模块和基座模块；所述第一一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合为一组安装在基座模块的前侧，另一组第一一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合安装在基座模块的左侧；所述第二一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合为一组安装在基座模块的后侧，另一组第二一维力传感器模块和第三一维力传感器模块组合安装在基座模块的右侧；所述浮动导力模块通过四组一维力传感器模块悬浮固定在基座模块的中部。
[0008] 所述第一一维力传感器模块包括一维力传感器，水平支撑块，A垫片，B垫片和水平接触块，所述水平支撑块通过底部螺纹连接固定在基座模块上，一维力传感器的一端与A垫片通过螺纹连接固定在水平支撑块的顶部，水平接触块通过B垫片连接固定在一维力传感器另一端的底面。
[0009] 所述第二一维力传感器模块包括一维力传感器，A垫片，B垫片、C垫片和水平接触块，所述A垫片，B垫片固定在基座模块上，一维力传感器的一端通过C垫片与A垫片固定，水平接触块通过B垫片连接固定在一维力传感器另一端的顶面。
[0010] 所述第三一维力传感器模块包括一维力传感器，垂直支撑块，A垫片，B垫片和垂直接触块，所述垂直支撑块通过螺钉与基座模块固定，一维力传感器的一端与A垫片通过螺纹连接固定在垂直支撑块的侧面，垂直接触块和B垫片通过螺纹连接固定在一维力传感器的另一端。
[0011] 所述浮动导力模块包括握杆、中心台以及四根导力杆，所述握杆通过螺纹连接固定在中心台的中心位置，四根导力杆分别通过螺纹连接固定在中心台四个侧面的中心位置，每根导力杆的末端都加工成球形触头，每根导力杆末端与一个水平接触块和一个垂直接触块接触。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
[0013] （1）无耦合输出的传感器，不需要复杂算法，对标定的要求也低。本发明提出了不完全约束的思路，采用球面与平面接触的方式，从结构上消除了结构耦合。（2）体积小，结构简单，安装方便。本发明采用多个一维传感器组合的结构，避免了自行贴应变片等复杂工序，使用成熟的一维传感器，使结构更加简单，输出信号准确率更高，误差小。（3）每个一维力传感器采用特定套件使变形合理，输出更准确。本发明中每一个一维传感器模块安装了特定的垫片和接触快，保证受力变形时，变形最大处在应变片处，使一维测力更加准确。
附图说明
[0014] 图1是本发明传感器的整体结构示意图。
[0015] 图2是本发明传感器的浮动导力模块示意图。
[0016] 图3是本发明传感器的第一一维力传感器模块示意图。
[0017] 图4是本发明传感器的第二一维力传感器模块示意图。
[0018] 图5是本发明传感器的第三一维力传感器模块示意图。
[0019] 图6是本发明传感器的导力杆与第一一维力传感器模块的安装示意图。
[0020] 图7是本发明传感器的导力杆与第二一维力传感器模块的安装示意图。
[0021] 图8是本发明传感器的导力杆与第三一维力传感器模块的安装示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0023] 如图1所示，一种基于结构解耦的组合式四维力与力矩传感器，包括浮动导力模块1，第一一维力传感器模块2，第二一维力传感器模块3，第三一维力传感器模块4和基座模块
5；所述第一一维力传感器模块2和第三一维力传感器模块4组合为一组安装在基座模块5的前侧，另一组第一一维力传感器模块2和第三一维力传感器模块4组合安装在基座模块5的左侧；所述第二一维力传感器模块3和第三一维力传感器模块4组合为一组安装在基座模块
5的后侧，另一组第二一维力传感器模块3和第三一维力传感器模块4组合安装在基座模块5的右侧；所述浮动导力模块1通过四组一维力传感器模块悬浮固定在基座模块5的中部。
[0024] 如图3所示，所述第一一维力传感器模块2包括一维力传感器9，水平支撑块11，A垫片12，B垫片13和水平接触块15，所述水平支撑块11通过底部螺纹连接固定在基座模块5上，一维力传感器9的一端与A垫片12通过螺纹连接固定在水平支撑块11的顶部，水平接触块15通过B垫片13连接固定在一维力传感器9另一端的底面。
[0025] 如图4所示，所述第二一维力传感器模块3包括一维力传感器9，A垫片12，B垫片13、C垫片14和水平接触块15，所述A垫片12，B垫片13固定在基座模块5上，一维力传感器9的一端通过C垫片14与A垫片12固定，水平接触块15通过B垫片13连接固定在一维力传感器9另一端的顶面。
[0026] 如图5所示，所述第三一维力传感器模块4包括一维力传感器9，垂直支撑块10，A垫片12，B垫片13和垂直接触块16，所述垂直支撑块10通过螺钉与基座模块5固定，一维力传感器9的一端与A垫片12通过螺纹连接固定在垂直支撑块10的侧面，垂直接触块16和B垫片13通过螺纹连接固定在一维力传感器9的另一端。
[0027] 如图2所示，所述浮动导力模块1包括握杆6、中心台7以及四根导力杆8，所述握杆6通过螺纹连接固定在中心台7的中心位置，四根导力杆8分别通过螺纹连接固定在中心台7四个侧面的中心位置，每根导力杆8的末端都加工成球形触头，每根导力杆8末端与一个水平接触块15和一个垂直接触块16接触。
[0028] 如图6至图8所示，本发明工作原理如下：
[0029] 为了测量空间四维力和力矩，需要基于传感器结构定义一个空间直角坐标系。该直角坐标系的原点位于中心台7的立体几何中心，x轴和y轴分别沿导力杆8中心轴线重合，z轴与握杆6中心线重合。当握杆6受到指向x正方向的力，整个浮动导力模块1沿着x方向移动，此时仅x轴正方向端的第三一维力传感器模块4受到挤压变形，产生电信号，达到测量x轴正方向的力，同理x轴负方向的力由x轴负端的第三一维力传感器模块4测量。y轴方向正负的力同理x轴方向的原理。z轴正方向的力由x轴上的第一一维力传感器模块2测量，z轴负方向的力由x轴上的第二一维力传感器模块3测量，剩余两个传感器模块不进行测力，仅起到支撑浮动导力模块1的作用。
