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一种电容式六维力传感器
申请号	CN201910064729.8	申请日	2019-01-23	公开(公告)号	CN109855772B	公开(公告)日	2024-04-19
申请人	广西大学;			发明人	蒲明辉; 王奉阳; 潘海鸿; 胡世通; 赵倩倩; 陈琳; 余蔚; 梁旭斌;
摘要	本发明公开了一种新型电容式六维力传感器，其包括变形层、测量层、PCB板、过载保护部分。测量层固定于变形层内圈上，PCB板固定于变形层外圈。测量层上的动电极部分与PCB板上的静电极部分组成8个电容器，其中4个为具有边缘效应的垂直型电容器，4个为平行板电容器。变形层内圈受空间力使变形层的蛇形梁发生变形，从而电容器两极板极距发生改变，对应的电容量也发生改变，通过检测电路采集电容量的改变值，进行解耦计算，求出对应力的六维数值。本发明采用测量层与变形层分层的设计方法降低制作难度，同时采用蛇形梁使传感器满量程时各维度的刚度相似，以达到传感器宽量程和高灵敏度的要求。
权利要求	1.一种电容式六维力传感器，其特征在于：它至少包括变形层(1)、测量层(2)、PCB板(3)、过载保护部分(4)；所述变形层(1)至少包括变形层外圈(5)、变形层内圈(6)、蛇形梁(7)、过载保护梁(8)；所述变形层外圈(5)上下分别有凸台(9)和矩形槽(10)；所述变形层内圈(6)上设有螺纹孔(11)和通孔(12)；所述测量层(2)通过螺纹孔(11)固定连接于变形层内圈(6)上；所述测量层(2)至少包括垂直型电容动电极部分(13)、平行板电容动电极部分(14)、测量层内圈(15)，所述垂直型电容动电极部分(13)均匀分布于测量层内圈(15)的外缘，另一端悬空，所述平行板电容动电极部分(14)均匀分布于所述测量层内圈(15)的外缘，另一端悬空，PCB板(3)固定连接在变形层外圈(5)上的凸台(9)上，所述PCB板(3)上设有安装孔(16)、矩形槽(17)、垂直型电容静电极部分(18)、平行板电容静电极部分(19)和传感器检测电路，所述矩形槽(17)用于放置垂直型电容动电极部分(13)，所述垂直型电容动电极部分(13)垂直于所述垂直型电容静电极部分(18)构成垂直型电容器(20)；所述平行板电容动电极部分(14)平行于所述平行板电容静电极部分(19)构成平行板电容器(21)；所述蛇形梁(7)位于变形层外圈(5)和变形层内圈(6)之间。 2.根据权利要求1所述的一种电容式六维力传感器，其特征在于：所述垂直型电容动电极部分(13)至少包括第一垂直型电容动电极(13‑1)、第二垂直型电容动电极(13‑2)、第三垂直型电容动电极(13‑3)、第四垂直型电容动电极(13‑4)；所述平行板电容动电极(14)至少包括第一平行板电容动电极(14‑1)、第二平行板电容动电极(14‑2)、第三平行板电容动电极(14‑3)、第四平行板电容动电极(14‑4)。 3.根据权利要求2所述的一种电容式六维力传感器，其特征在于：所述垂直型电容静电极部分(18)至少包括第一垂直型电容静电极(18‑1)、第二垂直型电容静电极(18‑2)、第三垂直型电容静电极(18‑3)、第四垂直型电容静电极(18‑4)；所述平行板电容静电极部分(19)至少包括第一平行板电容静电极(19‑1)、第二平行板电容静电极(19‑2)、第三平行板电容静电极(19‑3)、第四平行电容板静电极(19‑4)；所述安装孔(16)用于将PCB板(3)固定连接在变形层外圈(5)的凸台(9)上。 4.根据权利要求2或3所述的一种电容式六维力传感器，其结构特征在于：所述垂直型电容动电极部分(13)和垂直型电容静电极部分(18)构成垂直型电容器(20)；所述垂直型电容器(20)是指：所述第一垂直型电容动电极(13‑1)垂直于第一垂直型电容静电极(18‑1)，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第一垂直型电容器(20‑1)；所述第二垂直型电容动电极(13‑2)垂直于第二垂直型电容静电极(18‑2)，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第二垂直型电容器(20‑2)；所述第三垂直型电容动电极(13‑3)垂直于第三垂直型电容静电极(18‑3)，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第三垂直型电容器(20‑3)；所述第四垂直型电容动电极(13‑4)垂直于第四垂直型电容静电极(18‑4)，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第四垂直型电容器(20‑4)。 5.根据权利要求4所述的一种电容式六维力传感器，其特征在于：所述第一垂直型电容器(20‑1)与第三电垂直型电容器(20‑3)沿X轴分布且关于Y轴对称；所述第二垂直型电容器(20‑2)与第四垂直型电容器(20‑4)沿Y轴分布且关于X轴对称。 6.根据权利要求2或3所述的一种电容式六维力传感器，其结构特征在于：所述平行板电容动电极部分(14)和平行板电容静电极部分(19)构成平行板电容器(21)；所述平行板电容器(21)是指：所述第一平行板电容动电极(14‑1)平行于第一平行板电容静电极(19‑1)，且两极板之间存在一定间隙，构成第一平行板电容器(21‑1)；所述第二平行板电容动电极(14‑2)平行于第二平行板电容静电极(19‑2)，且两极板之间存在一定间隙，构成第二电平行板容器(21‑2)；所述第三平行板电容动电极(14‑3)平行于第三平行板电容静电极(19‑3)，且两极板之间存在一定间隙，构成第三平行板电容器(21‑3)；所述第四平行板电容动电极(14‑4)平行于第四平行板电容静电极(19‑4)，且两极板之间存在一定间隙，构成第一平行板电容器(21‑4)。 7.根据权利要求6所述的一种电容式六维力传感器，其特征在于：所述第一平行板电容器(21‑1)、第二平行板电容器(21‑2)、第三平行板电容器(21‑3)、第四平行板电容器(21‑4)垂直于Z轴且绕Z轴均匀分布。 8.根据权利要求1所述的一种电容式六维力传感器，其特征在于：所述过载保护部分(4)至少包括过载保护梁(8)、过载保护底座(22)、过载保护块(23)；所述过载保护梁(8)为连接于变形层内圈(5)外缘的悬臂梁，梁上有螺纹孔(24)；所述过载保护块(23)为L型结构，其通过螺纹孔(24)固定连接于过载保护梁(8)末端，且所述过载保护块(23)与过载保护底座(22)内壁存在一定间隙；所述过载保护底座(22)通过螺纹孔(25)固定连接于矩形槽(10)内；所述过载保护部分(4)在整个传感器中起到多方向过载保护作用。
说明书全文	一种电容式六维力传感器技术领域 [0001] 本发明属于传感器技术领域，涉及力传感器，特别涉及一种电容式六维力传感器。背景技术 [0002] 六维力传感器能够实现空间六维力信号的测量，其作为实现工业智能化最重要的传感器之一，广泛应用在机械加工、汽车制造、智能化机器人以及航空航天等领域。力传感器种类较多，按力信号产生的方式可分为应变式、压电式、压磁式、光学式与电容式等。目前市场上较为成熟的力传感器主要是电磁式和应变式。电磁式力传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，通过对信号进行组合处理后得到力矩信息；该传感器是一种无磨损的非接触式传感器，但由于体积较大，无法应用于机器人当中。应变式灵敏度较高、响应较快，然而其结构与电路设计复杂，力解耦困难，需要额外的A/D转化器，需要精密粘贴应变片，而且应变片容易损坏，以及对电磁噪声过于灵敏。 [0003] 电容式力传感器具有温度稳定性好、结构简单，适应性强、静电引力小、动态响应好，且能够实现非接触式检测等优点。然而目前电容式力传感器也存在着不少问题，如：输出阻抗高，负载能力差、灵敏度不高，抗干扰能力差，导致电容式力传感器存在使用的局限性。同时国内电容式传感器的研究多为单维力传感器，六维力传感器研究较少，而单维力传感器无法实现对机器人末端复杂力的检测。发明内容 [0004] 本发明的目的在于针对现有电容式力传感器的问题，提供了一种电容式六维力传感器，实现了六维力同时检测，同时使得传感器具有宽量程与高灵敏度的技术指标。 [0005] 本发明为了解决上述技术问题，采用了如下技术方案： [0006] 一种电容式六维力传感器包括变形层1、测量层2、PCB板3、过载保护部分4；所述变形层1至少包括变形层外圈5、变形层内圈6、蛇形梁7、过载保护梁8，同时变形层外圈5上下表面分别有凸台9和矩形槽10，凸台9和矩形槽10都有螺纹孔，分别用于连接PCB板3和过载保护底座22；所述变形层内圈6上设有螺纹孔11和通孔12，分别用于连接测量层2和关节减速器主轴；所述变形层外圈5上设有沉头孔26用于连接外接负载；所述测量层2至少包括垂直型电容动电极部分13、平行板电容动电极部分14、测量层内圈15；所述PCB板3上设有安装孔16、矩形槽17、垂直型电容静电极部分18、平行板电容静电极部分19和传感器检测电路；所述蛇形梁7位于变形层外圈5和变形层内圈6之间。所述安装孔16用于将PCB板3固定在变形层外圈5的凸台9上；所述矩形槽17用于放置垂直型电容动电极部分13。 [0007] 所述垂直型动电极部分13至少包括第一垂直型电容动电极13‑1、第二垂直型电容动电极13‑2、第三垂直型电容动电极13‑3、第四垂直型电容动电极13‑4，且均匀分布于测量层内圈15外缘，另一端悬空；所述平行板电容动电极部分14至少包括第一平行板电容动电极14‑1、第二平行板电容动电极14‑2、第三平行板电容动电极14‑3、第四平行板电容动电极14‑4，且均匀分布于测量层内圈15外缘，另一端悬空；所述垂直型电容静电极部分18至少包括第一垂直型电容静电极18‑1、第二垂直型电容静电极18‑2、第三垂直型电容静电极18‑3、第四垂直型电容静电极18‑4；所述平行板电容静电极部分19至少包括第一平行板电容静电极19‑1、第二平行板电容静电极19‑2、第三平行板电容静电极19‑3、第四平行板电容静电极 19‑4。 [0008] 所述垂直型电容动电极部分13和垂直型电容静电极部分18构成垂直型电容器20；所述垂直型电容器20是指：所述第一垂直型电容动电极13‑1垂直于第一垂直型电容静电极 18‑1，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第一垂直型电容器20‑1；所述第二垂直型电容动电极13‑2垂直于第二垂直型电容静电极18‑2，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第二垂直型电容器20‑2；所述第三垂直型电容动电极13‑3垂直于第三垂直型电容静电极18‑3，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第三垂直型电容器20‑3；所述第四垂直型电容动电极13‑4垂直于第四垂直型电容静电极18‑4，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第四垂直型电容器20‑4。 [0009] 所述第一垂直型电容器20‑1与第三垂直型电容器20‑3沿X轴分布且关于Y轴对称；所述第二垂直型电容器20‑2与第四垂直型电容器20‑4沿Y轴分布且关于X轴对称。 [0010] 所述平行板动电极部分14和平行板静电极部分19构成平行板电容器21；所述平行板电容器21是指：所述第一平行板电容动电极14‑1平行于第一平行板电容静电极19‑1，且两极板之间存在一定间隙，构成第一平行板电容器21‑1；所述第二平行板电容动电极14‑2平行于第二平行板电容静电极19‑2，且两极板之间存在一定间隙，构成第二平行板电容器21‑2；所述第三平行板电容动电极14‑3平行于第三平行板电容静电极19‑3，且两极板之间存在一定间隙，构成第三平行板电容器21‑3；所述第四平行板电容动电极14‑4平行于第四平行板电容静电极19‑4，且两极板之间存在一定间隙，构成第一平行板电容器21‑4。 [0011] 所述第一平行板电容器21‑1、第二平行板电容器21‑2、第三平行板电容器21‑3、第四平行板电容器21‑4垂直于Z轴且绕Z轴均匀分布。传感器工作时，当受到任意力都可以分解为FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个方向的空间力,受力时8个电容器的极距h发生改变，改变量为Δh1、Δh2、Δh3、Δh4、Δh5、Δh6、Δh7、Δh8，因而引起电容值发生变化，变化量为ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4、ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8。最后通过解耦算法可以求出空间力FX、FY、FZ、MX、MY、MZ的值。 [0012] 其中FX、FY、FZ分别表示X方向的力、Y方向的力、Z方向的力,单位为N； [0013] MX、MY、MZ分别表示X方向力矩、Y方向力矩、Z方向力矩,单位为N·m。 [0014] 所述过载保护部分4至少包括过载保护梁8、过载保护底座22、过载保护块23；所述过载保护梁8为连接于变形层内圈5外缘的悬臂梁，梁上有螺纹孔24；所述过载保护块23为L型结构，其通过螺纹孔24固定连接于过载保护梁8末端，且所述过载保护块23与过载保护底座22内壁存在一定间隙；所述过载保护底座22通过螺纹孔25固定连接于矩形槽10内；过载保护部分4在传感器中起到多方向保护作用。 [0015] 本发明与现有技术相比的特点和优点在于： [0016] 本发明基于电容边缘效应原理和平行板电容器原理双原理对六维力进行测量，并且采用蛇形梁使传感器满量程时各维度的刚度相似，以达到传感器宽量程和高灵敏度的要求。本发明还采用测量层与变形层上下分层分布，测量层和变形层可以使用不同材料，同时使得传感器更容易加工，降低传感器制造成本。过载保护装置增加过载保护底座可实现多方向过载保护。附图说明 [0017] 图1为本发明的立体分解图； [0018] 图2为本发明立体组装示意图； [0019] 图3为本发明PCB板Z向示意图； [0020] 图4为本发明测量层与PCB板组装Z向示意图； [0021] 图5为本发明过载保护部分局部示放大图； [0022] 附图中：1.变形层；2.测量层；3.PCB板；4.过载保护部分；5.变形层外圈；6.变形层内圈；7.蛇形梁；8.过载保护梁；9.凸台；10.矩形槽；11.螺纹孔；12.通孔；13.垂直型动电极部分；13‑1.第一垂直型电容动电极；13‑2.第二垂直型电容动电极；13‑3.第三垂直型电容动电极；13‑4.第四垂直型电容动电极；14.平行板电容动电极部分；14‑1.第一平行板电容动电极；14‑2.第二平行板电容动电极；14‑3‑第三平行板电容动电极；14‑4.第四平行板电容动电极；15.测量层内圈；16.安装孔；17.矩形槽；18.垂直型电容静电极部分；18‑1.第一垂直型电容静电极；18‑2.第二垂直型电容静电极；18‑3.第三垂直型电容静电极；18‑4.第四垂直型电容静电极19.平行板电容静电极部分；19‑1.第一平行板电容静电极；19‑2.第二平行板电容静电极；19‑3.第三平行板电容静电极；19‑4.第四平行板电容静电极；20.垂直型电容器；20‑1.第一垂直型电容器；20‑2第二垂直型电容器；20‑3第三垂直型电容器；20‑4第四垂直型电容器；21.平行板电容器；21‑1.第一平行板电容器；21‑2.第二平行板电容器；21‑3第三平行板电容器；21‑4第四平行板平行板电容器；22.过载保护底座；23.过载保护块；24.螺纹孔；25.螺纹孔；26沉头孔。具体实施方式 [0023] 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。 [0024] 如图1至图5所示本发明一种电容式六维力传感器包括变形层1、测量层2、PCB板3、过载保护部分4；所述变形层1至少包括变形层外圈5、变形层内圈6、蛇形梁7、过载保护梁8，同时变形层外圈5上下表面分别有凸台9和矩形槽10，凸台9和矩形槽10都有螺纹孔，分别用于连接PCB板3和过载保护底座22；所述变形层内圈6上设有螺纹孔11和通孔12，分别用于连接测量层2和关节减速器主轴；所述变形层外圈5上设有沉头孔26用于连接外接负载；所述测量层2至少包括垂直型电容动电极部分13、平行板电容动电极部分14、测量层内圈15；所述PCB板3上设有安装孔16、矩形槽17、垂直型电容静电极部分18、平行板电容静电极部分19和传感器检测电路；所述蛇形梁7位于变形层外圈5和变形层内圈6之间。所述安装孔16用于将PCB板3固定在变形层外圈5的凸台9上；所述矩形槽17用于放置垂直型电容动电极部分13。 [0025] 所述垂直型动电极部分13至少包括第一垂直型电容动电极13‑1、第二垂直型电容动电极13‑2、第三垂直型电容动电极13‑3、第四垂直型电容动电极13‑4，且均匀分布于测量层内圈15外缘，另一端悬空；所述平行板电容动电极部分14至少包括第一平行板电容动电极14‑1、第二平行板电容动电极14‑2、第三平行板电容动电极14‑3、第四平行板电容动电极14‑4，且均匀分布于测量层内圈15外缘，另一端悬空；所述垂直型电容静电极部分18至少包括第一垂直型电容静电极18‑1、第二垂直型电容静电极18‑2、第三垂直型电容静电极18‑3、第四垂直型电容静电极18‑4；所述平行板电容静电极部分19至少包括第一平行板电容静电极19‑1、第二平行板电容静电极19‑2、第三平行板电容静电极19‑3、第四平行板电容静电极 19‑4。 [0026] 所述垂直型电容动电极部分13和垂直型电容静电极部分18构成垂直型电容器20；所述垂直型电容器20是指：所述第一垂直型电容动电极13‑1垂直于第一垂直型电容静电极 18‑1，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第一垂直型电容器20‑1；所述第二垂直型电容动电极13‑2垂直于第二垂直型电容静电极18‑2，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第二垂直型电容器20‑2；所述第三垂直型电容动电极13‑3垂直于第三垂直型电容静电极18‑3，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第三垂直型电容器20‑3；所述第四垂直型电容动电极13‑4垂直于第四垂直型电容静电极18‑4，且两极板之间存在一定间隙，构成具有边缘效应的第四垂直型电容器20‑4。 [0027] 所述第一垂直型电容器20‑1与第三垂直型电容器20‑3沿X轴分布且关于Y轴对称；所述第二垂直型电容器20‑2与第四垂直型电容器20‑4沿Y轴分布且关于X轴对称。 [0028] 所述平行板动电极部分14和平行板静电极部分19构成平行板电容器21；所述平行板电容器21是指：所述第一平行板电容动电极14‑1平行于第一平行板电容静电极19‑1，且两极板之间存在一定间隙，构成第一平行板电容器21‑1；所述第二平行板电容动电极14‑2平行于第二平行板电容静电极19‑2，且两极板之间存在一定间隙，构成第二平行板电容器21‑2；所述第三平行板电容动电极14‑3平行于第三平行板电容静电极19‑3，且两极板之间存在一定间隙，构成第三平行板电容器21‑3；所述第四平行板电容动电极14‑4平行于第四平行板电容静电极19‑4，且两极板之间存在一定间隙，构成第一平行板电容器21‑4。 [0029] 所述第一平行板电容器21‑1、第二平行板电容器21‑2、第三平行板电容器21‑3、第四平行板电容器21‑4垂直于Z轴且绕Z轴均匀分布。 [0030] 其工作原理：当施加任意力时，可分解为FX、FY、FZ、MX、MY、MZ六个方向的空间力，使蛇形梁7发生变形，传感器中第一垂直型电容器20‑1、第二电垂直型容器20‑2、第三垂直型电容器20‑3、第四垂直型电容器20‑4以及第一平行板电容器21‑1、第二平行板电容器21‑2、第三平行板电容器21‑3、第一平行板电容器21‑4的极距随之发生改变，变化量为Δh1、Δh2、Δh3、Δh4、Δh5、Δh6、Δh7、Δh8，因而引起电容值发生改变，变化量为ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4、ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔC8。假设输入力与电容变化呈线性关系，通过试验可得6×8矩阵A,并建立下列解耦公式： [0031] F＝AΔC [0032] 式中，F＝(FX、FY、FZ、MX、MY、MZ)T,ΔC＝(ΔC1、ΔC2、ΔC3、ΔC4、ΔC5、ΔC6、ΔC7、ΔTC8) ； [0033] FX、FY、FZ分别表示X方向的力、Y方向的力、Z方向的力,单位为N； [0034] MX、MY、MZ分别表示X方向力矩、Y方向力矩、Z方向力矩,单位为N·m； [0035] 由上述分析可求出六维空间力FX、FY、FZ、MX、MY、MZ的值。 [0036] 所述过载保护部分4至少包括过载保护梁8、过载保护底座22、过载保护块23；所述过载保护梁8为连接于变形层内圈5外缘的悬臂梁，梁上有螺纹孔24；所述过载保护块23为L型结构，其通过螺纹孔24固定连接于过载保护梁8末端，且所述过载保护块23与过载保护底座22内壁存在一定间隙；所述过载保护底座22通过螺纹孔25固定连接于矩形槽10内；过载保护部分4在传感器中起到多方向保护作用。 [0037] 以上仅是本发明的优选实施方式，而本发明并非仅局限于此例，本实施例中用到的电容器为8个，垂直型电容器和平行板电容器均为4个，而电容器为6个，垂直型电容器与平行板电容器均为3个也是本发明保护的范围，应当指出在本技术领域范围内，凡运用本发明原理所研究的等效技术变化，均包含于本实发明的专利范围内。