一种双十字梁结构六维力传感器，主要用于机器人腕关节、主动恒力装置、协作机器人一体化关节等场景，作为力反馈元件，实现机器人及其执行机构的力觉感知。也可应用于风洞试验，结构件力学检测等领域。
背景技术：
多维力传感器指的是一类能够同时测量两个方向及以上的力或力矩分量的力传感器。其中六维力传感器是多维力传感器中最完备的形式，能同时检测三维空间的全部力信息，即三个力分量和三个力矩分量，因此，六维力传感器也是最为广泛使用的力传感器之一。
近年来，六维力传感器应用于许多行业，如机械制造、航天航空、交通出行、医学等领域，尤其在机器人领域，六维力传感器发挥着重要作用。现如今，智能机器人已成为机器人领域发展的主要趋势，传感器作为机器人感知外界环境的关键部件，在智能机器人系统中处于非常重要的地位。其中，六维力传感器作为机器人与操作对象交互时测量力、力矩的传感器，为机器人的力控制和运动控制提供必要的力感知信息，对机器人完成复杂"精细作业任务，实现柔顺化，智能化操作起到关键作用。
美国、欧洲、日本等较早开展了六维力传感器的研究工作，积累了丰富的技术能力和应用经验。除了拥有工业级成熟产品外，也成功研制出空间机械臂和深海机械臂用六维力传感器并实现了现场应用。然而在这些关键国防领域，外国一直对我国实行严格的技术封锁和购买限制，目前我国已经研制出工业机器人用六维力传感器并将逐步形成系列化产品，但存在测量精度较差、生产效率低、检修困难的缺点，常用的三梁和四梁结构传感器结构上耦合较大，串扰大，引起精度低；滑移结构的双层传感器结构上可以解耦，但是元件滑移时，摩擦力会造成一定干扰，而且是非线性的。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种双十字梁结构六维力传感器，采用两层正交布置的测量梁和柔性梁，有效减少了各分量之间的干扰，明显提高了测量精度；该传感器上所有的应变片引线按照电路设计编号在接线盒的端子排上组合成测量电路，有效提高了贴片工人的组桥时间，调高了生产效率。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种双十字梁结构六维力传感器，包括本体；
所述本体包括第一层固定框、第二层固定框，第一层测量梁、第一层柔性梁、中间传力梁、第二层测量梁和第二层柔性梁；所述第一层固定框和第二层固定框为环形结构；
第一层测量梁通过第一层柔性梁与第一层固定框连接；第二层测量梁通过第二层柔性梁与第二层固定框连接；
中间传力梁连接第一层测量梁和第二层测量梁，且穿过第一层固定框和第二层固定框的圆心。
进一步的，第一层测量梁包括呈十字排布的四根第一层测量单梁，所述四根第一层测量单梁一端相交于中间传力梁第一端，另一端通过四根第一层柔性梁与第一层固定框连接；第二层测量梁包括呈十字排布的四根第二层测量单梁，所述四根第二层测量单梁一端相交于中间传力梁第二端，另一端通过四根第二层柔性梁与第二层固定框连接。
进一步的，定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框指向第一层固定框圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框的连接点，z轴方向根据右手定则确定；
所述第一层测量单梁设有第一槽孔，所述第一槽孔将每一第一层测量单梁在x方向分为两个单片梁；
所述第二层测量单梁设有第二槽孔，第二槽孔将沿y轴方向布置的第二层测量单梁在z方向分为两个单片梁，将沿z轴方向布置的第二层测量单梁在y方向分为两个单片梁。
进一步的，定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框指向第一层固定框圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框的连接点，y轴方向根据右手定则确定；
所述第一层柔性梁与第一层测量单梁连接点a和第一层柔性梁与第一层固定框连接点b之间的距离等于第一层测量单梁在x方向的尺寸；
所述第二层柔性梁与第二层测量单梁连接点c和第二层柔性梁与第二层固定框连接点d之间的距离等于二层测量单梁在y方向或z方向的尺寸。
进一步的，所述每一个第一层柔性梁与第一层固定框连接部分在垂直于每一个第一层测量单梁排布方向的尺寸大于第一层测量单梁垂直于排布方向的尺寸，连接部分关于所述第一层测量单梁中心线对称；
所述每一个第二层柔性梁与第二层固定框连接部分在垂直于每一个第二层测量单梁排布方向的尺寸大于第二层测量单梁垂直于排布方向的尺寸，连接部分关于所述第二层测量单梁中心线对称。
进一步的，所述六维力传感器还包括壳体和端盖，所述壳体和端盖通过焊接方式固定于安装于第一层固定框和第二层固定框的外侧。
进一步的，所述壳体包括圆筒形外壳，所述外壳一端与第二层固定框固定连接，另一端与第一层固定框设有间隙；
所述第二层固定框和第一层固定框的环形端面上设有安装槽，所述端盖与安装槽配合后固定于第二层固定框和第一层固定框上。
进一步的，四个第一层测量单梁上均设有用于测量fx的应变片；四个第一层测量单梁中1#第一层测量单梁和3#第一层测量单梁设有用于测量my的应变片，2#第一层测量单梁和4#第一层测量单梁设有用于测量mz的应变片；
所述测量fx的应变片的位置比测量my的应变片或测量mz的应变片靠近第一层固定框圆心；
所述1#第一层测量单梁与2#第一层测量单梁以及4#第一层测量单梁垂直，所述3#第一层测量单梁与2#第一层测量单梁以及4#第一层测量单梁垂直；
四个第二层测量单梁上均设有用于测量mx的应变片；四个第一层测量单梁中5#第二层测量单梁和7#第二层测量单梁设有用于测量fy的应变片，6#第二层测量单梁和8#第二层测量单梁设有用于测量fz的应变片；
所述测量mx的应变片的位置比测量fy的应变片或测量fz的应变片靠近第二层固定框圆心；
所述5#第二层测量单梁与6#第二层测量单梁以及8#第二层测量单梁垂直，所述7#第二层测量单梁与6#第二层测量单梁以8#第二层测量单梁垂直；
进一步的，壳体还包括接线盒、接线盒端盖和电缆锁头；
所述电缆锁头设于线盒端盖上，用于固定各应变片的引线；接线盒和接线盒端盖设于壳体外部，接线盒和接线盒端盖形成的空腔内固定安装接线端子排，所述接线端子排上各接线端与各应变片一一对应，且通过编号进行识别。
进一步的，所述本体为整体加工部件，所述第一层固定框和第二层固定框的圆心的距离＜5mm；所述第一层柔性梁和第二层柔性梁采用金属材料制备。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明一种双十字梁结构六维力传感器，采用两层正交布置的测量梁，并在测量梁与固定框之间设计了柔性梁，且两层测量梁之间通过中间传力梁进行力的传递，避免了串扰和两层结构滑移所造成的摩擦力的干扰，有效提高了传感器的测量精度；
(2)本发明一种双十字梁结构六维力传感器，特别设计了柔性梁的结构与尺寸，使柔性梁受力时产生稳定形变，避免了各因素引起的干扰；
(3)本发明设计的一种双十字梁结构六维力传感器，采用了解耦结构设计，单元校准公式就能够满足测量精度要求，提高了校准效率，相对于其他传感器大大缩短了生产周期；
(4)本发明设计的一种双十字梁结构六维力传感器，通过接线方法设计和对电路组合工艺方法改进有效提高了生产效率；通过使测量梁、应变片、接线端子一一对应并进行编号，依据设计电路按编号进行连线，组合电路，各个分量都有对应编号的测量梁、应变片和接线端子，使测量电路线路清晰，便于故障诊断和维修。
附图说明
图1为本发明一种双十字梁结构六维力传感器主视图的全剖视图；
图2为本发明一种双十字梁结构六维力传感器的左视图；
图3为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中本体主视图的全剖视图；
图4为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中本体的左视图a；
图5为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中本体的左视图b；
图6为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中本体的右视图a；
图7为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中本体的右视图b；
图8为图6在a-a方向的剖视图；
图9为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中壳体的左视图；
图10为本发明一种双十字梁结构六维力传感器中壳体的主视图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，包括本体1，本体1为传感器的核心部件，所有的测量、传力和安装功能均由本体1承担；
所述本体1包括第一层固定框13、第二层固定框17，第一层测量梁11、第一层柔性梁12、中间传力梁14、第二层测量梁15和第二层柔性梁16；所述第一层固定框13和第二层固定框17为环形结构；
第一层测量梁11通过第一层柔性梁12与第一层固定框13连接；第二层测量梁15通过第二层柔性梁16与第二层固定框17连接；
中间传力梁14连接第一层测量梁11和第二层测量梁15，且穿过第一层固定框13和第二层固定框17的圆心。
进一步的，第一层测量梁11包括呈十字排布的四根第一层测量单梁，所述四根第一层测量单梁一端相交于中间传力梁14第一端，另一端通过四根第一层柔性梁12与第一层固定框13连接；第二层测量梁15包括呈十字排布的四根第二层测量单梁，所述四根第二层测量单梁一端相交于中间传力梁14第二端，另一端通过四根第二层柔性梁16与第二层固定框17连接，双层十字梁可以有效避免测量分量间的干扰，四根测量梁通过四根柔性梁分别和固定框连接在一起，四根测量梁分别和中间传力梁14连接在一起。
进一步的，定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框17指向第一层固定框13圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框17的连接点，z轴方向根据右手定则确定；
所述第一层测量单梁设有第一槽孔，所述第一槽孔将每一第一层测量单梁在x方向分为两个单片梁；
所述第二层测量单梁设有第二槽孔，第二槽孔将沿y轴方向布置的第二层测量单梁在z方向分为两个单片梁，将沿z轴方向布置的第二层测量单梁在y方向分为两个单片梁。
进一步的，定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框17指向第一层固定框13圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框17的连接点，y轴方向根据右手定则确定；
所述第一层柔性梁12与第一层测量单梁连接点a和第一层柔性梁12与第一层固定框13连接点b之间的距离等于第一层测量单梁在x方向的尺寸；
所述第二层柔性梁16与第二层测量单梁连接点c和第二层柔性梁16与第二层固定框17连接点d之间的距离等于二层测量单梁在y方向或z方向的尺寸。
进一步的，每一个第一层柔性梁12与第一层固定框13连接部分在垂直于每一个第一层测量单梁排布方向的尺寸大于第一层测量单梁垂直于排布方向的尺寸，连接部分关于所述第一层测量单梁中心线对称；
所述每一个第二层柔性梁16与第二层固定框17连接部分在垂直于每一个第二层测量单梁排布方向的尺寸大于第二层测量单梁垂直于排布方向的尺寸，连接部分关于所述第二层测量单梁中心线对称，对称分布使得两侧柔性梁变形一致，避免变形不一致引起的干扰。
进一步的，六维力传感器还包括壳体2和端盖3，所述壳体2和端盖3通过焊接方式固定于安装于第一层固定框13和第二层固定框17的外侧。
进一步的，壳体2包括圆筒形外壳21，所述外壳21一端与第二层固定框17固定连接，另一端与第一层固定框13设有间隙；所述间隙≤5mm；
所述第二层固定框17和第一层固定框13的环形端面上设有安装槽，所述端盖3与安装槽配合后固定于第二层固定框17和第一层固定框13上，端盖3的功能是密封和保护内部元器件。
进一步的，四个第一层测量单梁上均设有用于测量fx的应变片；四个第一层测量单梁中1#第一层测量单梁和3#第一层测量单梁设有用于测量my的应变片，2#第一层测量单梁和4#第一层测量单梁设有用于测量mz的应变片；
所述测量fx的应变片的位置比测量my的应变片或测量mz的应变片靠近第一层固定框13圆心；
所述1#第一层测量单梁与2#第一层测量单梁以及4#第一层测量单梁垂直，所述3#第一层测量单梁与2#第一层测量单梁以及4#第一层测量单梁垂直；
四个第二层测量单梁上均设有用于测量mx的应变片；四个第一层测量单梁中5#第二层测量单梁和7#第二层测量单梁设有用于测量fy的应变片，6#第二层测量单梁和8#第二层测量单梁设有用于测量fz的应变片；
所述测量mx的应变片的位置比测量fy的应变片或测量fz的应变片靠近第二层固定框17圆心；
所述5#第二层测量单梁与6#第二层测量单梁以及8#第二层测量单梁垂直，所述7#第二层测量单梁与6#第二层测量单梁以8#第二层测量单梁垂直；
进一步的，壳体2还包括接线盒22、接线盒端盖23和电缆锁头24；壳体2起到密封和保护内部元器件的作用，同时用来安装接线端子；
所述电缆锁头24设于线盒端盖23上，用于固定各应变片的引线；接线盒22和接线盒端盖23设于壳体21外部，接线盒22和接线盒端盖23形成的空腔内固定安装接线端子排，所述接线端子排上各接线端与各应变片一一对应，且通过编号进行识别，测量梁上的应变片按相应的梁进行编号，接线端上也进行编号，应变片的引线按照电路图焊接在设计编号的接线端子上，所有的电路组合全部在接线端子上完成。
进一步的，所述本体1为整体加工部件，所述第一层固定框13和第二层固定框17的圆心的距离＜5mm。
实施例1
如图1、图2、图3和图8所示，一种双十字梁结构六维力传感器，包括本体1、壳体2和端盖3三个部分。
本体1与壳体2在第二层固定框17处使用激光焊焊接成整体，定位基准为下层固定框17的定位台阶172，壳体2与第一层固定框13的台阶132之间留有间隙，此处间隙使用柔性防水密封胶进行密封，保证传感器的防水、防尘性能；端盖3共两片，分别焊接在第一层固定框13的第一层端盖安装槽133和第二层固定框17的第二层端盖安装槽173。端面131和171上设计有定位用的销孔和安装用的螺纹孔，用来和外界零部件进行连接。
如图3所示，本体1为整体加工部件，包括第一层测量梁11、第一层柔性梁12、第一层固定框13、中间传力梁14、第二层测量梁15、第二层柔性梁16和第二层固定框17。第一层测量梁11与第二层测量梁15正交布置，第一层柔性梁12与第二层柔性梁16正交布置，可以有效避免测量分量间的干扰。
如图3、图4和图5所示，第一层测量梁11由绕本体1轴线(即过同时第一层固定框13圆心和第二层固定框17圆心的直线)均匀分布的1#测量梁111、2#测量梁112、3#测量梁113和4#测量梁114构成，每根测量梁上开有方槽孔(第1一槽孔)，将测量梁在轴线方向分为两片。第一层柔性梁12由绕本体1轴线均匀分布的1#柔性梁121、2#柔性梁122、3#柔性梁123和4#柔性梁124构成。编号对应的测量梁和柔性梁连接在一起，四根柔性梁分别和第一层固定框13连接在一起，四根测量梁分别和中间传力梁14连接在一起。
如图3、图6和图7所示，第二层测量梁15由绕本体1轴线均匀分布的5#测量梁151、6#测量梁152、7#测量梁153和8#测量梁154构成，每根测量梁上开有方槽孔(第二槽孔)，将测量梁分为如图6和图7中的左右两片。第二层柔性梁16由绕本体1轴线均匀分布的5#柔性梁161、6#柔性梁162、7#柔性梁163和8#柔性梁164构成。编号对应的测量梁和柔性梁连接在一起，四根柔性梁分别和第二层固定框17连接在一起，四根测量梁分别和中间传力梁14连接在一起，每根柔性梁分为两部分对称分布在对应的测量梁两侧。
如图9和图10所示，壳体2包括外壳21、接线盒22、接线盒端盖23和电缆锁头24。壳体2中的接线盒22内部安装接线端子排，测量梁上的应变片按相应的梁进行编号，接线端上也进行编号，应变片的引线按照电路图焊接在设计编号的接线端子上，所有的电路组合全部在接线端子上完成。
以图1所示传感器轴线为x轴，向左为正方向，按照右手法则建立坐标系，具体地说，定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框17指向第一层固定框13圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框17的连接点，z轴方向根据右手定则确定；
各个坐标轴上的力和力矩分量定义为：fx、fy、fz、mx、my、mz。
1#测量梁111、2#测量梁112、3#测量梁113和4#测量梁114靠近圆心的一端粘贴应变片，用来测量fx；1#测量梁111和3#测量梁113远离圆心的一端粘贴应变片，用来测量my；2#测量梁112和4#测量梁114远离圆心的一端粘贴应变片，用来测量mz。
5#测量梁151、6#测量梁152、7#测量梁153和8#测量梁154靠近圆心的一端粘贴应变片，用来测量mx；5#测量梁151和7#测量梁153远离圆心的一端粘贴应变片，用来测量fy；6#测量梁152和8#测量梁154远离圆心的一端粘贴应变片，用来测量fz。
该传感器使用单元校准方法进校校准，形成使用公式，使用15组载荷进行综合精度校核，检验传感器的测量准度指标。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
1.一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，包括本体(1)；
所述本体(1)包括第一层固定框(13)、第二层固定框(17)，第一层测量梁(11)、第一层柔性梁(12)、中间传力梁(14)、第二层测量梁(15)和第二层柔性梁(16)；所述第一层固定框(13)和第二层固定框(17)为环形结构；
第一层测量梁(11)通过第一层柔性梁(12)与第一层固定框(13)连接；
第二层测量梁(15)通过第二层柔性梁(16)与第二层固定框(17)连接；
中间传力梁(14)连接第一层测量梁(11)和第二层测量梁(15)，且穿过第一层固定框(13)和第二层固定框(17)的圆心。
2.根据权利要求1所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，所述第一层测量梁(11)包括呈十字排布的四根第一层测量单梁，所述四根第一层测量单梁一端相交于中间传力梁(14)第一端，另一端通过四根第一层柔性梁(12)与第一层固定框(13)连接；第二层测量梁(15)包括呈十字排布的四根第二层测量单梁，所述四根第二层测量单梁一端相交于中间传力梁(14)第二端，另一端通过四根第二层柔性梁(16)与第二层固定框(17)连接。
3.根据权利要求2所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框(17)指向第一层固定框(13)圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框(17)的连接点，z轴方向根据右手定则确定；
所述第一层测量单梁设有第一槽孔，所述第一槽孔将每一第一层测量单梁在x方向分为两个单片梁；
所述第二层测量单梁设有第二槽孔，第二槽孔将沿y轴方向布置的第二层测量单梁在z方向分为两个单片梁，将沿z轴方向布置的第二层测量单梁在y方向分为两个单片梁。
4.根据权利要求2所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，
定义原点o为四根第二层测量单梁的交点，x轴方向由第二层固定框(17)指向第一层固定框(13)圆心，y轴方向由原点o指向某一第二层测量单梁通过第二层柔性梁与第二层固定框(17)的连接点，y轴方向根据右手定则确定；
所述第一层柔性梁(12)与第一层测量单梁连接点a和第一层柔性梁(12)与第一层固定框(13)连接点b之间的距离等于第一层测量单梁在x方向的尺寸；
所述第二层柔性梁(16)与第二层测量单梁连接点c和第二层柔性梁(16)与第二层固定框(17)连接点d之间的距离等于二层测量单梁在y方向或z方向的尺寸。
5.根据权利要求2所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，
所述每一个第一层柔性梁(12)与第一层固定框(13)连接部分在垂直于每一个第一层测量单梁排布方向的尺寸大于第一层测量单梁垂直于排布方向的尺寸，连接部分关于所述第一层测量单梁中心线对称；
所述每一个第二层柔性梁(16)与第二层固定框(17)连接部分在垂直于每一个第二层测量单梁排布方向的尺寸大于第二层测量单梁垂直于排布方向的尺寸，连接部分关于所述第二层测量单梁中心线对称。
6.根据权利要求1所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，所述六维力传感器还包括壳体(2)和端盖(3)，所述壳体(2)和端盖(3)通过焊接方式固定于安装于第一层固定框(13)和第二层固定框(17)的外侧。
7.根据权利要求6所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，所述壳体(2)包括圆筒形外壳(21)，所述外壳(21)一端与第二层固定框(17)固定连接，另一端与第一层固定框(13)设有间隙；
所述第二层固定框(17)和第一层固定框(13)的环形端面上设有安装槽，所述端盖(3)与安装槽配合后固定于第二层固定框(17)和第一层固定框(13)上。
8.根据权利要求2所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，四个第一层测量单梁上均设有用于测量fx的应变片；四个第一层测量单梁中1#第一层测量单梁和3#第一层测量单梁设有用于测量my的应变片，2#第一层测量单梁和4#第一层测量单梁设有用于测量mz的应变片；
所述测量fx的应变片的位置比测量my的应变片或测量mz的应变片靠近第一层固定框(13)圆心；
所述1#第一层测量单梁与2#第一层测量单梁以及4#第一层测量单梁垂直，所述3#第一层测量单梁与2#第一层测量单梁以及4#第一层测量单梁垂直；
四个第二层测量单梁上均设有用于测量mx的应变片；四个第一层测量单梁中5#第二层测量单梁和7#第二层测量单梁设有用于测量fy的应变片，6#第二层测量单梁和8#第二层测量单梁设有用于测量fz的应变片；
所述测量mx的应变片的位置比测量fy的应变片或测量fz的应变片靠近第二层固定框(17)圆心；
所述5#第二层测量单梁与6#第二层测量单梁以及8#第二层测量单梁垂直，所述7#第二层测量单梁与6#第二层测量单梁以8#第二层测量单梁垂直。
9.根据权利要求7所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，所述壳体(2)还包括接线盒(22)、接线盒端盖(23)和电缆锁头(24)；
所述电缆锁头(24)设于线盒端盖(23)上，用于固定各应变片的引线；接线盒(22)和接线盒端盖(23)设于壳体(21)外部，接线盒(22)和接线盒端盖(23)形成的空腔内固定安装接线端子排，所述接线端子排上各接线端与各应变片一一对应，且通过编号进行识别。
10.根据权利要求1所述的一种双十字梁结构六维力传感器，其特征在于，所述本体(1)为整体加工部件，所述第一层固定框(13)和第二层固定框(17)的圆心的距离＜5mm；所述第一层柔性梁(12)和第二层柔性梁(16)采用金属材料制备。
技术总结