CN100494932C - 压电式六维大力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压电式传感器领域，特别涉及大承载能力的前提下实现多维力测量的大力分流测量技术和具有并联分流传力方式的大力传感器，压电式六维大力传感器由上平台、下平台、机械手手臂、六只上杆球铰、六只连接杆上杆、六组压电石英晶片、六只连接杆下杆、六只下杆球铰组成，上下平台各通过四只连接螺栓与机械手手臂相连，将压电石英晶片嵌于凹槽内，凸台与凹槽配合，通过四只上下杆连接螺栓和上下杆连接螺母将上杆和下杆连接在一起。本发明的显著效果是采用并联分载结构设计的压电式六维大力值传感器，该传感器具有分载效果好、安装操作方便、精度高、稳定性好、结构简单等特点，适用于重载操作装备中的六维大力值实时测量。

Description

压电式六维大力传感器

技术领域

本发明属于压电式传感器领域，特别涉及大承载能力的前提下实现多维力测量的大力分流测量技术和具有并联分流传力方式的大力传感器。

背景技术

在重载操作装备操作过程中，六维力测量以及实时力反馈是实现多装备协调操作控制、力顺应控制的基础。大力测量技术是在重型装备的需求驱动下发展起来的，通常称承载能力在10～2000kN范围内的传感器为大力传感器，而重载制造装备中的大力传感器最大额定承载能力可高达100MN以上。支承式重型大力传感器的制造工艺复杂，技术难度大，只有少数国家有规模生产，国内少量重型装备所用的支承式大力传感器主要是国外进口产品，且大部分重型设备至今尚无大力测控装置。由于支承式重型大力传感器的承载面积、几何尺寸和重量均随被测力的增大而激增，不便安装和维护。大力分流测量技术和具有并联分流传力方式的大力传感器设计思想源自上世纪60年代，此后苏、美、加、德等国先后研制了附着式大力传感器。我国北方工业大学沈久珩教授自行研制成功附着式大力传感器，专利号为86 1 05879，但只能实现一维大力测量。而目前的多维力传感器，测力范围都比较小，无法实现大力值测量。在重载操作装备中，为了实现力反馈控制，要求六维大力测量，当前的重载操作装备中尚无六维大力测量传感器，仅通过测量液压缸压力来实现力的反馈，实时性较差。本发明所提出的六维大力传感器满足了重载操作机对六维大力测量的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过将并联分载与六维力测量相结合的方式实现大载荷力的多维测量，并且以压电石英作为敏感元件，提高测量的实时性，将其应用于锻压操作机等重载操作装备中，解决了重载操作装备无法进行六维大力测量的难题。

本发明采用的技术方案：压电式六维大力传感器由上平台1、下平台2、机械手手臂3、四只上平台连接螺栓4、六只上杆球铰5、六只连接杆上杆6、六只连接杆下杆10、六组压电石英晶片9、六只下杆球铰11、四只下平台连接螺栓12、四个上平台凸台a、四个下平台凸台b、六个连接杆凸台d和六个连接杆凹槽c组成；六组上、下连接杆中，每组有四只上下杆连接螺栓7和四只上下杆连接螺母8，四只上平台连接螺栓4分别安装在上平台1的四个凸台上，上平台1通过这四只上平台连接螺栓4与机械手手臂3上部相连，四只下平台连接螺栓12分别安装在下平台2的四个凸台上，下平台2通过这四只下平台连接螺栓12与机械手手臂3下部相连，上杆球铰5与上平台1铰链连接，下杆球铰11与下平台2铰链相连；连接杆上杆6一端为上杆球铰5，另一端有一个凹槽c，连接杆下杆10一端为下杆球铰11，另一端有一个凸台d，将压电石英晶片9嵌于连接杆上杆6的凹槽c内，连接杆下杆10的凸台d与连接杆上杆6的凹槽c相配合，六组上、下连接杆中，每组通过四只上下杆连接螺栓7和四只上下杆连接螺母8将各组连接杆上杆6和连接杆下杆10分别安装在一起。

本发明的显著效果是采用并联分载结构设计的压电式六维大力值传感器，该传感器具有分载效果好、安装操作方便、精度高、稳定性好、结构简单等特点，适用于重载操作装备中的六维大力值实时测量，可提高重载操作机机械手的力顺应性和灵活性。

附图说明

图1为压电式六维大力传感器装配图主视图，其中，1为上平台，2为下平台，3为机械手手臂，4为上平台连接螺栓，5为上杆球铰，6为连接杆上杆，7为上下杆连接螺栓，8为上下杆连接螺母，9为压电石英晶片，10为连接杆下杆，11为下杆球铰，12为下平台连接螺栓，a为上平台凸台，b为下平台凸台。

图2为压电式六维大力传感器装配图俯视图，其中，1为上平台，2为下平台，a为上平台凸台，b为下平台凸台。

图3为连接杆放大示意图，其中，c为连接杆上杆凹槽，d为连接杆下杆凸台，7为上下杆连接螺栓，8为上下杆连接螺母，9为压电石英晶片。

图4为压电式六维大力传感器示意图

图5为压电式六维大力传感器系统图

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明的具体实施，上下平台各通过四只连接螺栓与机械手手臂3刚性连接，将压电石英晶片9嵌于连接杆上杆6的凹槽c内，通过上下杆连接螺栓7和螺母8将连接杆上下杆安装在一起，连接杆与上下平台采用球形铰链连接。机械手工作时，机械手的作用力主要由手臂承担，少部分力分载到各个连接杆上，实现了大力分流，由于是球形铰链连接，因此连接杆可视为二力杆，仅受轴向的拉压力，连接杆受到的拉压力通过每根杆上安装的一组压电石英晶片9被测出，以下平台2作为固定平台，以上平台1作为动平台，设要测的机械手对手臂作用的六维力为 $\stackrel{\→}{F}={[F_x,F_y,F_z,M_x,M_y,M_z]}^T$ ，各个杆上测得的力用向量表示为 $\stackrel{\→}{f}={[f_1,f_2,f_3,f_4,f_5,f_6]}^T$ ，机械手手臂对上平台中心的作用力 $\stackrel{\→}{F}\′={[F_x\′,F_y\′,F_z\′,M_x\′,M_y\′,M_z\′]}^T$ ，将上平台6个球铰点坐标分别记为b₁，b₂，b₃，b₄，b₅，b₆，它们对固定坐标系的空间位置

以矢量表示，下平台6个球铰点坐标分别为B₁，B₂，B₃，B₄，B₅，B₆，对固定坐标系的位置以矢量表示，设第i杆轴线对固定坐标系的单位线矢$i，$_i＝S_i+∈S_0i， $S_{0i}={\stackrel{\→}{b}}_i\×S_i$ ，式中， $S_i=\frac{{\stackrel{\→}{b_i}-\stackrel{\→}{B}}_i}{|\stackrel{\→}{b_i}-{\stackrel{\→}{B}}_i|},$ $S_{0i}={\stackrel{\→}{B}}_i{\×S}_i=\frac{{\stackrel{\→}{B}}_i{\×\stackrel{\→}{b}}_i}{|{\stackrel{\text{\→}}{b}}_i-{\stackrel{\→}{B}}_i|},$ 根据力螺旋理论得到该并联机构的力平衡方程(F′；M′)＝f₁＄₁+f₂$₂+f₃$₃+f₄$₄+f₅$₅+f₆＄₆，将其写成矩阵形式为 $\stackrel{\→}{F}\′=\left[G_f^F\right]\stackrel{\→}{f}$ ，则根据已测得的各杆受力 $\stackrel{\→}{f}={[f_1,f_2,f_3,f_4,f_5,f_6]}^T$ ，得到上平台受到的六维力。将测得的各杆受力f_i带入公式 $\mathrm{\Δl}=\frac{\mathrm{Fl}}{\mathrm{EA}}$ ，得到各个杆的变形量(Δl₁，Δl₂，Δl₃，Δl₄，Δl₅，Δl₆)，由位姿正解，得到上平台位姿增量(Δ_x，Δ_y，Δ_z，θ_z，θ_y，θ_x)，以上平台中心点的位移(Δ_x，Δ_y，Δ_z，θ_z，θ_y，θ_x)作为边界条件，对上下平台之间的机械手手臂进行受力分析，得到上平台中心点所受六维力

，为机械手对手臂的作用力

与并联机构对手臂作用力的合力，即 $\stackrel{\→}{F}\′\′=\stackrel{\→}{F}-\stackrel{\→}{F}\′$ ，根据求得的

和

可得到机械手对手臂的作用力 $\stackrel{\→}{F}=\stackrel{\→}{F}\′\′+\stackrel{\→}{F\′}$ 。

Claims (1)

1.一种压电式六维大力传感器，其特征在于，压电式六维大力传感器由上平台(1)、下平台(2)、机械手手臂(3)、四只上平台连接螺栓(4)、六只上杆球铰(5)、六只连接杆上杆(6)、六只连接杆下杆(10)、六组压电石英晶片(9)、六只下杆球铰(11)、四只下平台连接螺栓(12)、四个上平台凸台(a)、四个下平台凸台(b)、六个连接杆凸台(d)和六个连接杆凹槽(c)组成；六组上、下连接杆中，每组有四只上下杆连接螺栓(7)和四只上下杆连接螺母(8)，四只上平台连接螺栓(4)分别安装在上平台(1)的四个凸台上，上平台(1)通过这四只上平台连接螺栓(4)与机械手手臂(3)上部相连，四只下平台连接螺栓(12)分别安装在下平台(2)的四个凸台上，下平台(2)通过这四只下平台连接螺栓(12)与机械手手臂(3)下部相连，上杆球铰(5)与上平台(1)铰链连接，下杆球铰(11)与下平台(2)铰链相连；连接杆上杆(6)一端为上杆球铰(5)，另一端有一个凹槽(c)，连接杆下杆(10)一端为下杆球铰(11)，另一端有一个凸台(d)，将压电石英晶片(9)嵌于连接杆上杆(6)的凹槽(c)内，连接杆下杆(10)的凸台(d)与连接杆上杆(6)的凹槽(c)相配合，六组上、下连接杆中，每组通过四只上下杆连接螺栓(7)和四只上下杆连接螺母(8)将各组连接杆上杆(6)和连接杆下杆(10)安装在一起。

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