CN101246065A - 弹性铰并联6-upur六维测力平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弹性铰并联6－UPUR六维测力平台。其特征是：所述整体式一维测力分支由一体式UPU结构和上定位块(8)组成：所述一体式UPU结构由弹性材料一次加工而成，它含有两个对称的一体式弹性万向铰链(7，7′)，在其中部加工有单维拉压力传感器结构(5)，在其下端加工有柱销孔(6)，在其上端加工有螺杆(13)；所述上定位块(8)也是一次加工成型的弹性元件，其上含有弹性转动铰链。本发明基于新型6－UPUR并联机构的原理，获得了一种简单的、全部由单自由度弹性转动副构成并联式六维测力平台结构，实现了六维力向六个分支上的分解。本发明的结构简单、加工方便、易于分析建模、性能稳定、适应性广。该发明的一维测力分支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。
Description
技术领域
本发明涉及一种力传感器技术领域，特别是涉及一种弹性铰并联6-UPUR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-UPUR六维测力平台，该发明采用单自由度弹性转动铰链和单维高精度拉压传感器结构集成构成六维力检测平台，既可消除普通球铰存在的间隙和摩擦，又能承受大的载荷，并且加工方便，能够满足大量程测力的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种并联6-UPUR六维测力平台由基础平台、加载平台和六个结构相同的整体式一维测力分支连接构成了空间6-UPUR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°。所述每个整体式一维测力分支分支中含有一体式弹性万向铰链、单维拉压力传感器结构及上定位块。所述每个上定位块中含有弹性转动铰链。
所述整体式一维测力分支由一体式UPU结构和上定位块两部分组成，所述一体式UPU结构其上、下部为一体式弹性万向铰链(7，7′)，一体式弹性万向铰链(7，7′)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弹性万向铰，且对称分布在一体式UPU结构的两端；中部单维拉压力传感器结构5的外形为扁柱体，在所述扁柱体的下部和上部相对的两组侧面上分别加工两个平行传感器端面的切口，两个切口夹角为180°，分别与贯穿另两组侧面的圆柱孔相交，扁柱体的中部再加工一个矩形通孔，在其内部相对的表面铣削两个圆弧面，在其内部两个平行面上装有应变片12作为力敏感元件，使扁柱体成为单维拉压力传感器结构5。所述一体式UPU结构下端加工有柱销孔6，上端加工有螺杆13。
上定位块8是一次加工成型的弹性元件，在其相对一组侧面上加工两个垂直切槽，两个切槽中心线间夹角为60°～180°，使其成为弹性转动副，其转动轴线的延长线过一体式弹性万向铰链两垂直转动轴线的交点。
本发明的有益效果是：本发明基于新型6-UPUR并联机构的原理，实现了六维力向六个分支上的分解，特别是通过采用整体式一维测力分支的结构方案，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)构成的、可承受大载荷的并联式六维测力平台结构。因而，本发明具备了结构简单、易于分析建模、加工方便、性能稳定和适应性广等优点。
附图说明
图1是弹性铰并联6-UPUR六维测力平台的结构示意图；
图2是弹性铰并联6-UPUR六维测力平台的主视图；
图3是整体式一维测力分支结构示意图；
图4是一体式UPU结构示意图；
图5是一体式UPU结构俯视图；
图6是一体式弹性万向铰链结构示意图；
图7是单维拉压力传感器结构示意图；
图8是上定位块结构示意图；
图9是上定位块A-A向剖面图；
图10是下定位块结构示意图。
在上述附图中，1.基础平台，2.紧固螺栓，3.下定位块，4.圆柱销，5.单维拉压力传感器结构，6.柱销孔，7、7′.一体式弹性万向铰链，8.上定位块，9.锁紧螺母，10.紧固螺栓，11.加载平台，12.应变片，13.螺杆。
具体实施方式
图1是本发明公开的实施例。整体式一维测力分支由两部分组成：一体式UPU结构和上定位块。整体式一维测力分支通过紧固螺栓2，圆柱销4及下定位块3与基础平台1连接，通过紧固螺栓10和加载平台11连接。所述一体式UPU结构中一体式弹性万向铰链(7，7′)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，且对称分布在一维测力分支的两端；中部单维拉压力传感器结构5的外形为扁柱体，在所述扁柱体的下部和上部相对的两组侧面上分别加工两个平行传感器端面的切口，两个切口夹角为180°，分别与贯穿另两组侧面的圆柱孔相交，扁柱体的中部再加工一个矩形通孔，在其内部相对的表面铣削两个圆弧面，在其内部两个平行面上装有应变片12作为力敏感元件，使扁柱体成为单维拉压力传感器结构5。上定位块8是一次加工成型的弹性元件，在其相对一组侧面上加工两个垂直切槽，两个切槽中心线间夹角为60°～180°，使其成为弹性转动副，其转动轴线的延长线过一体式弹性万向铰链两垂直转动轴线的交点。
一维测力分支可用一维线性微驱动分支代替，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 (4)
1.一种弹性铰并联6-UPUR六维测力平台，包括基础平台(1)、加载平台(11)和六个结构相同的整体式一维测力分支，上述整体式一维测力分支分为三组分别与加载平台(11)和固定在基础平台(1)上的下定位块(3)相连接，其特征是：安装在基础平台(1)和加载平台(11)之间的每组整体式一维测力分支之间的夹角为120°；所述整体式一维测力分支由一体式UPU结构和上定位块(8)组成：所述一体式UPU结构由弹性材料一次加工而成，它含有两个对称的一体式弹性万向铰链(7，7′)，在其中部加工有单维拉压力传感器结构(5)，在其下端加工有柱销孔(6)，在其上端加工有螺杆(13)；所述上定位块(8)也是一次加工成型的弹性元件，其上含有弹性转动铰链。
2.根据权利要求1所述的弹性铰并联6-UPUR六维测力平台，其特征是：所述一体式弹性万向铰链(7，7′)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弹性万向铰，且对称分布在一维测力分支的两端；所述单维拉压力传感器结构(5)的外形为扁柱体，在扁柱体的下部和上部相对的两组侧面上分别加工两个平行分支端面的切口，两个切口夹角为180°，分别与贯穿另两组侧面的圆柱孔相交，扁柱体的中部再加工一个矩形通孔，在其内部相对的表面铣削两个圆弧面，在其内部两个平行面上装有应变片(12)。
3.根据权利要求1或2所述的并联6-UPUR六维测力平台，其特征是：所述上定位块(8)是一次加工成型的弹性元件，在其相对一组侧面上加工两个垂直切槽，两个切槽中心线间夹角为60°～180°，使其成为弹性转动铰链，其转动轴线的延长线过一体式弹性万向铰链两垂直转动轴线的交点。
4.根据权利要求1或2所述的弹性铰并联6-UPUR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由一体式UPU结构和上定位块(8)通过锁紧螺母(9)连接而成，整体式一维测力分支的一端通过紧固螺栓(2)、圆柱销(4)及下定位块(3)与基础平台(1)连接，其另一端通过紧固螺栓(10)和加载平台(11)连接。
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