CN101067579A - 大应变变形比六维并联传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大应变变形比六维并联传感器，属于力传感器领域。它是将斯蒂沃特平台型传感器结构中连杆分支的敏感元件替换为两个并联的敏感单元，其中一个敏感单元具有高刚度，以承受连杆分支大部分载荷，另一敏感单元具有低刚度和高灵敏度，用于贴片和测量信号的输出。采用这种结构的六维并联传感器具有结构简单、量程大、力解耦、固有频率高、可同时实现传感器的高刚度和高灵敏度，有效地解决传统应变式力传感器的刚度与灵敏度的矛盾。

Description

大应变变形比六维并联传感器

技术领域

本发明属于力传感器制造领域，特别涉及一种兼具高刚度和高灵敏度的六维并联力-力矩传感器。

背景技术

自从20世纪70年代以来，随着机器人关节用六维力传感器成为国内外学者研究的热点课题，发明了多种形式应变式六维力传感器，不断地推动了力传感器的发展，并在风洞测力、采矿业等领域广泛应用。在六维力传感器的研究中，应变式敏感元件的结构设计是研究的一个核心问题，因其结构在很大程度上决定了传感器性能的优劣。到迄今为止国内、外学者提出了多种结构形式的六维力传感器结构，如美国的瓦特森(Watson)等人提出的三根垂直筋作为变形元件的整体六维力传感器，美国斯坦福研究所设计的筒形六维力传感器，德国斯考特(Schott)设计了双环行六维力传感器，比利时的布鲁塞尔(Brussel)和以色列的克罗尔(Kroll)同时研制出一种四垂直筋结构六维力传感器，以及光电式六维力传感器和双十字交叉式六维力传感器，十字结构六维力传感器，双头形六维力传感器，三维交叉结构梁六维力传感器等。在国内，高峰等提出具有弹性铰链的六维并联力/力矩传感器，赵永生提出整体预紧式并联力传感器，黄心汉等人设计了一种非径向三梁结构六维力传感器，曾庆钊等研究了一种新型车轮六维力传感器，袁哲俊设计了一种八垂直筋结构六维力传感器，中科院合肥智能所和中国纺织大学先后开发了十字结构六维力传感器以。以上的应变式传感器的敏感单元参与载荷传递，为了尽可能提高信噪比，而不得不将敏感单元做得比较灵敏，但同时带来刚度及承载小的问题。此外，现有并联传感器在技术上相应的还存在结构复杂、刚度低、灵敏度低、标定困难、制造成本高，普遍存在敏感元件的刚度低，导致刚度与灵敏度矛盾难以协调。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高刚度、高频响和高灵敏度的大应变变形比六维并联传感器。这种传感器结构不但继承了并联传感器的固有优点，而且将现有应变式传感器的刚度与灵敏度矛盾有效地解决，可广泛应用于六分量力测量，尤其适用重载及动态测力。

一种大应变变形比六维并联传感器，包括上平台、下平台、六个分别带有敏感单元的连杆分支，每个连杆分支都包括上、下分支，上、下分支的上端、下端分别通过球铰与上平台、下平台相连，另一端分别与敏感单元连接，形成并联闭环结构，其特征在于：各敏感单元由承载单元和传感单元并联组成。

该大应变变形比传感器具有结构简单、成本低、精度高、承载大、刚度大、固有频率高、灵敏度高等优点。

附图说明

图1为一种大应变变形比六维并联传感器的结构示意图。

图2为环形应变式并联敏感单元的结构示意图。

图3为筒形应变式并联敏感单元的结构示意图。

图4为锁式结构应变式并联敏感单元的结构示意图。

图中标号名称：1、上平台，2、连杆分支，3、敏感单元，4、球铰，5，下平台。

参照图1，本发明提供了一种大应变变形比六维并联传感器由上平台1、六个带有敏感单元3的连杆分支2、球铰4、下平台5组成。其中，六个敏感单元3应用两个不同刚度的敏感单元并联。其中一个敏感单元具有高刚度，以承受连杆分支大部分载荷，为承载单元；另一敏感单元具有低刚度和高灵敏度，用于贴片和测量信号的输出，为传感单元。

参照图2，环形并联敏感单元由圆环与通过其中心的杆固接，其中杆用于承受大载荷，圆环用于信号输出。

参照图3，筒形并联敏感单元的筒与连杆下面固接，上面通过四个弹片与连杆上面固接，其中杆用于承受大载荷，四个弹片用于信号输出。

参照图4，锁式结构并联敏感单元的杆与框架下面固接，上面通过两个弹片与框架上面连接，其中杆用于承受大载荷，两个弹片用于信号输出。

传感器工作中，由于敏感单元3两端为球铰5连接，当上平台1承受六分量载荷时，六个敏感单元3受力通过轴线，由各敏感单元3测量出的载荷通过六维力雅可比矩阵变换即可计算出上平台1受载。

每个敏感单元由两个或多个不同刚度的敏感元件并联，大刚度的承载单元大大地提高了敏感单元及传感器的承载能力和刚度，提高了传感器的响应频率。同时小刚度的传感单元用于信号测量，提高了传感器的灵敏度。这种传感器改善了现有应变式传感器的敏感单元刚度低，难以获得大应变变形比的弊端，有效地解决了现有应变式传感器刚度与灵敏度的矛盾。

该大应变变形比六维并联传感器具有结构简单、承载强、成本低、精度高、刚度大、固有频率高、灵敏度高等优点，可广泛用于机器人腕力、采矿业、风洞测力、电梯缆绳张力等领域的力测量，特别适用于重载及动态力的测量。

Claims (5)

1、一种大应变变形比六维并联传感器，包括上平台(1)、下平台(5)、六个分别带有敏感单元(3)的连杆分支(2)，每个连杆分支(2)都包括上、下分支，上、下分支的上端、下端分别通过球铰(4)与上平台(1)、下平台(5)相连，另一端分别与敏感单元(3)连接，形成并联闭环结构，其特征在于：各敏感单元(3)由承载单元和传感单元并联组成。

2、根据权利要求1所述的大应变变形比六维并联传感器，其特征在于所述的承载单元呈杆状，传感单元呈环形，杆状承载单元通过环形传感单元中心并与其固接。

3、根据权利要求1所述的大应变变形比六维并联传感器，其特征在于所述的敏感单元(3)为筒形，筒的中心杆为承载单元，传感单元为四个位于筒形上方并连接筒和中心杆的弹片。

4、根据权利要求1所述的大应变变形比六维并联传感器，其特征在于所述的敏感单元(3)为锁形，锁的中心杆为承载单元，传感单元为两个位于承载单元上方并与其连接的弹片。

5.根据权利1-4任意所述的大应变变形比六维并联传感器，其特征在于各敏感单元(3)中传感单元为应变式或压电式或电容式。

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