CN101246064A - 弹性铰并联6-ups六维测力平台 - Google Patents

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赵延志
刘丽欢
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本发明公开一种弹性铰并联6－UPS六维测力平台。其特征是：每个一维测力分支中含有一体式弹性万向铰链(3)和一体式弹性球铰链(5)，安装在基础平台(1)和加载平台(9)之间的每组一维测力分支之间的夹角为120°。一维测力分支有两种结构：第一种为装配式一维测力分支结构；第二种结构是整体式一维测力分支结构(17)。本发明通过在分支中采用一体式弹性万向铰链(3)和一体式弹性球铰链(5)的结构方案，获得了一种简单的、全部由单自由度弹性转动副构成的并联式六维测力平台结构。一维测力分支也可用一维线性微驱动分支代替，使六维测力平台成为六维精密定位平台。本发明避免了常规运动副的摩擦，具有结构简单、易于分析建模、性能稳定、适应性广等优点。

Description

弹性铰并联6-UPS六维测力平台
技术领域
本发明涉及一种力传感器领域，特别是涉及一种弹性铰并联6-UPS六维测力平台。
背景技术
测量六维力的关键是要将力的六个分量转化成六路电信号输出。为此人们设计出了许多种结构的六维力传感器敏感元件，例如三垂直筋结构、筒形结构、双环形结构、四垂直筋结构、十字结构、非径向三梁结构和八垂直筋结构等。这些传感器结构各具特点，但大多存在结构复杂、刚度低、应变灵敏度低、解耦难等不同方面的问题。因此，国内外一些学者已将并联结构引入到六维力传感器力敏元件结构的设计中。与其它结构相比，并联Stewart平台六维力传感器结构可以将作用于受力平台的六维力映射到六个UPS分支上(U-万向铰，P-移动副，S-球铰)，并且每个分支理论上仅承受单一的拉压力，消除了拉弯扭耦合的问题。Stewart平台六维力传感器结构的又一个优点是既可以通过采用柔性铰链缩小体积，又可以采用普通球形铰链的装配结构制造成大测力范围、大量程的大型六维力传感器。但通过标定实验发现基于Stewart平台机构采用普通球形铰链装配结构制造成的大型六维力传感器精度较差，难以达到高精度检测的要求。导致精度低的主要原因之一是普通球形铰链内存在间隙和摩擦。为了消除普通球形铰链内间隙和摩擦的影响，人们已提出了一种基于弹性球铰的Stewart平台型六维力传感器的解决方案，例如：中国专利ZL99102421.4公开的专利技术，其原理是用弹性良好金属棒的局部细脖代替普通球铰，由细脖处产生的弹性弯曲和扭转变形近似代替球铰的三维转动。目前这种结构已被开发成机器人手指用六维力传感器和六维力鼠标。但由于该弹性球铰难以承受大的载荷，因而在开发大量程六维力传感器时受到了限制。另外，一种具有中间预紧分支的6-SPS六维力传感器结构也已被中国专利ZL99102526.1公开，这种结构通过中间分支预紧，可消除过零误差，但存在预紧力儒变等问题。
发明内容
为了克服现有技术中弹性球铰难以承受较大载荷和存在的预紧力儒变等不足，本发明提供一种弹性铰链并联6-UPS六维测力平台，该发明采用单自由度弹性转动铰链和一维高精度拉压传感器(或应变片)通过装配构成六维力检测平台，这种平台结构保证了万向铰和球铰各自中心汇交，既可消除普通球铰存在的间隙和摩擦，又能承受大的载荷，能够满足大量程的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：并联6-UPS六维测力平台由基础平台、加载平台和六个一维测力分支连接构成了空间6-UPS并联机构，安装在基础平台和加载平台之间的每组一维测力分支之间的夹角为120°。所述每个一维测力分支中含有一体式弹性万向铰链和一体式弹性球铰链。
一维测力分支有以下三种结构：
第一种结构是：一维测力分支由锁紧螺母、双头螺栓、一体式弹性万向铰链、一维力传感器、一体式弹性球铰链连接而成。一体式弹性万向铰链的外形为长方体，所述长方体中切槽中心线的连线定义为切槽中心面，在其相对的两组侧面上分别加工两个切槽，两个切槽夹角为60°～120°，两组切槽中心面的交线垂直并相交，使长方体成为轴线垂直相交的一体式弹性万向铰链。一体式弹性球铰链的外形为长方体，在所述长方体的下部或上部相对的两组侧面上分别加工两个切槽，两个切槽夹角为60°～120°，两组切槽中心面的交线垂直并相交；在长方体的上部或下部相对一组侧面上再加工两个切槽，两个切槽的中心线相交于长方体的截面中心，两个切槽中心线的夹角为60°～180°，该组切槽中心面交线的延长线与前两组切槽中心面的交线垂直并相交，在其另一组侧面上加工两个相互平行的至上述切槽末端的切口，实现铰链绕自身轴线的转动，使长方体成为转动轴线互相垂直相交的弹一体式性球铰链。
第二种结构是：一维测力分支为一个一次加工成型的零件，其中部为长方体结构；长方体的中部贴有应变片用于输出拉压应变信号，一维测力分支由弹性材料一次加工而成。
第三种结构是：一维测力分支为一个一次加工成型的零件，其中部为长方体结构，长方体的中部加工有中空的腔体，腔体内部两侧装有应变片。一维测力分支由弹性材料一次加工而成。
本发明的有益效果是：本发明基于新型6-UPS并联机构的原理，实现了六维力向六个分支上的分解，特别是通过分支内采用一体式弹性球铰链和一体式弹性万向铰链的结构方案，获得了一种简单的、全部由单自由度弹性转动副(万向铰链相当于两个转动副，球铰链相当于三个转动副)构成的、可承受大载荷的并联式六维测力平台结构。本发明具有结构简单、易于分析建模、性能稳定、适应性广等优点。
附图说明
图1为并联6-UPS六维测力平台的结构示意图；
图2为装配式一维测力分支结构示意图；
图3为一体式弹性球铰结构示意图；
图4为弹性球铰的A-A向剖面图；
图5为弹性球铰的B-B向剖面图；
图6为整体式一维测力分支结构示意图；
图7为并联整体式6-UPS六维测力平台的结构示意图；
图8为内腔整体式一维测力分支结构示意图；
图9为内腔整体式6-UPS六维测力平台的结构示意图。
在上述附图中，1.基础平台，2.下定位块，3.一体式弹性万向铰链，4.一维力传感器，5.一体式弹性球铰链，6.上定位块，7.紧固螺栓，8.定位销，9.加载平台，10.双头螺栓，11.锁紧螺母，12.锁紧螺母，13.锁紧螺母，14.双头螺栓，15.锁紧螺母，16.应变片，17.整体式一维测力分支，18.螺纹孔，19.定位孔，20.内腔整体式一维测力分支，21.圆柱销。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明公开的一个实施例。装配式一维测力分支通过紧固螺栓7、定位销8和上、下定位块(6，2)分别与基础平台1和加载平台9连接。装配式一维测力分支由锁紧螺母11、双头螺栓10、一体式弹性万向铰链3、锁紧螺母12、一维力传感器4、锁紧螺母13、一体式弹性球铰链5、锁紧螺母15和双头螺栓14连接而成，锁紧螺母11、12、13和15用于螺纹连接后的锁紧，防止测力时螺纹松动。一体式弹性万向铰链3的外形为长方体，在其相对的两组侧面上分别加工两个切槽，两个切槽夹角为110°，两组切槽中心面的交线垂直并相交，使长方体成为轴线垂直相交的一体式弹性万向铰。所述一体式弹性球铰链5的外形为长方体，在所述长方体的下部或上部相对的两组侧面上分别加工两个切槽，两个切槽夹角为110°，两组切槽中心面的交线垂直并相交；在长方体的上部或下部相对一组侧面上再加工两个切槽，两个切槽中心线相交于长方体的截面中心，两个切槽中心线夹角为180°，该组切槽中心面交线的延长线与前两组切槽中心面的交线垂直并相交，在其另一组侧面上加工两个相互平行的至上述切槽末端的切口，实现铰链绕自身轴线的转动，使长方体成为三转动轴线互相垂直相交的一体式弹性球铰链5
实施例2
图6为本发明的第二个实施例，一维测力分支为整体式一维测力分支17，是一次加工成型的，它的中部为长方体结构，长方体中部外表面贴有应变片16作为力敏感元件。整体式一维测力分支通过紧固螺栓7和定位销8与基础平台1和加载平台9连接。
实施例3
图8为本发明的第三个实施例，一维测力分支为内腔整体式一维测力分支20，是一次加工成型的，它中部长方体的中部加工有中空的腔体，腔体内部两侧装有应变片16。内腔整体式一维测力分支通过圆柱销21分别与固定在基础平台1和加载平台9上的定位块(6，2)相连接。
一维测力分支可用一维线性微驱动分支所代替，使测力平台成为六维精密定位平台；所述一维线性微驱动分支的中部为长方体结构，长方体的中部加工有上下凸台的腔体，上下凸台之间安装压电陶瓷直线驱动器，使一维测力分支变成一维驱动分支，使六维测力平台成为六维精密定位平台。

Claims (5)

1.一种弹性铰并联6-UPS六维测力平台，由基础平台(1)、加载平台(9)和六个一维测力分支组成，所述六个一维测力分支分为三组分别与基础平台(1)和加载平台(9)相连接，其特征是：每个一维测力分支中含有一体式弹性万向铰链(3)和一体式弹性球铰链(5)，安装在基础平台(1)和加载平台(9)之间的每组一维测力分支之间的夹角为120°。
2.根据权利要求1所述的弹性铰并联6-UPS六维测力平台，其特征是：所述一体式弹性万向铰链(3)的外形为长方体，在其相对的两组侧面上分别加工两个切槽，两个切槽夹角为60°～120°，两组切槽中心面的交线垂直并相交，使长方体成为轴线垂直相交的一体式弹性万向铰；所述一体式弹性球铰链(5)的外形为长方体，在所述长方体的下部或上部相对的两组侧面上分别加工两个切槽，两个切槽夹角为60°～120°，两组切槽中心面的交线垂直并相交，在长方体的上部或下部相对一组侧面上再加工两个切槽，两个切槽中心线间夹角为60°～180°且相交于长方体的截面中心，该组切槽中心面交线的延长线与前两组切槽中心面的交线垂直并相交，在其另一组侧面上还加工两个相互平行的至上述切槽末端的切口，使长方体成为三转动轴线垂直并相交的一体式弹性球铰链(5)。
3.根据权利要求1或2所述的弹性铰并联6-UPS六维测力平台，其特征是：所述的装配式一维测力分支由锁紧螺母(11)、双头螺栓(10)、一体式弹性万向铰链(3)、锁紧螺母(12)、拉压传感器(4)、锁紧螺母(13)、一体式弹性球铰链(5)、锁紧螺母(15)和双头螺栓(14)连接而成；装配式一维测力分支通过紧固螺栓(7)、定位销(8)和上、下定位块(6，2)分别与基础平台(1)和加载平台(9)相连接。
4.根据权利要求1或2所述的弹性铰并联6-UPS六维测力平台，其特征是：所述一维测力分支为整体式一维测力分支(17)是一次加工成型的，其下部为一体式弹性万向铰链(3)，上部为一体式弹性球铰链(5)，中部为长方体结构，在长方体中部外表面贴有应变片(16)作为力敏感元件；整体式一维测力分支(17)通过紧固螺栓(7)和定位销(8)与基础平台(1)和加载平台(9)连接。
5.根据权利要求1或2所述的并联6-UPS六维测力平台，其特征是：所述一维测力分支为内腔整体式一维测力分支(20)是一次加工成型的，其下部为一体式弹性万向铰链(3)，上部为一体式弹性球铰链(5)，中部为长方体结构，在长方体结构的中部加工有中空的腔体，腔体内部两侧表面装有应变片(16)；内腔整体式一维测力分支(20)通过圆柱销(21)分别与固定在基础平台(1)和加载平台(9)上的定位块(6，2)相连接。
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