CN101329207B - 整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器 - Google Patents

整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器。其特征是:测力平台(1)底盘和承载圆盘固接而成,其底盘上、下表面均布三个斜球窝座(4),底盘下表面中心固定一圆球窝座(6);预紧平台(2)的顶部内环面均布三个斜球窝座(4);底座(8)上表面的均布三个斜球窝座(4),中心固定一圆球窝座(6);检测构件(3)与斜球窝座(4),中间检测构件(5)与圆球窝座(6)分别形成锥头式球面副,所有检测构件通过螺栓(7)与预紧平台(2)、测力平台(1)和底座(8)联接并预紧封闭。本发明结构简单、测量原理简便、测量精度高、可承受较大的颠覆力矩,可应用于机器人、航空航天领域等多种需要六维力测量的场合。

Description

整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器
技术领域 [0001] 本发明涉及一种力传感器设计制造领域,特别是涉及一种整体预紧双层上下非对 称七杆并联结构六维力传感器,可用于测试空间的三维力分量和力矩分量。
背景技术
[0002] 传感器在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着重要作用,传感器技术是现 代信息技术的三大支柱之一。六维力传感器以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为最 重要的一类传感器,可用于监测方向和大小不断变化的力和测量加速度或惯性力等。它广 泛应用于精密装配、自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中,同时在机器人、航 空、航天、机械加工及汽车等领域中也有重要的应用价值。当今世界发达国家对其发展极为 重视,视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一,将其列入国家科技发展战 略计划之中。
[0003] 在六维力传感器研究中,力敏感元件的结构设计是其中的关键核心问题,力敏感 元件的结构将影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等最关键的因素,在很大程 度上决定着传感器性能的优劣。一些学者提出并研究了多种六维力传感器的结构,并取得 多种专利技术,如:中国专利(ZL93224329. 0)公开了一种具有十字梁结构的六维力传感 器,中国专利(ZL99102421.4)公开了一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器,两者皆为一 体化结构,具有刚度高、结构紧凑等优点,但各测量敏感部位都存在一定程度的力耦合,无 法实现完全解耦,并且从微型传感器到大型的测试平台很难用同样的结构实现。
[0004] 传统的斯图尔特(Stewart)平台结构六维力传感器,其特点是传感器由各弹性构 件通过球面副与上下平台联接而成。当受六维外力作用时,不考虑各球面副摩擦及构件自 重的情况下,其六个支承构件只承受沿两个球面副中心连线方向的拉力或压力,可实现无 应力耦合的六维力测量。应用时可通过测出六个检测构件所受的轴向力,利用标定变换矩 阵一一对应的映射到平台上,进而求出平台所受六维外力。其测量原理简单,但存在以下主 要问题:结构较为复杂;十二个球面副需分别调整和预紧,调整工作量大;传统球面副接触 面积很大,摩擦力矩较大,易产生较大的应力耦合和维间耦合并且很难解耦;传统球面副易 产生间隙,使得测力平台受力过零性差,当所承受的外力方向改变时,线性度不好,容易产 生迟滞现象等。中国专利(ZL99102526. 1)公开的整体预紧平台式六维力传感器,其结构是 在传统斯图尔特平台结构的上、下平台之间,增设一个中间预紧支路,利用该预紧支路拉紧 上、下平台,对传感器进行整体预紧,同时预紧各球副,消除间隙,提高传感器的整体刚度, 然而整个结构通过中间预紧支路预紧封闭,所需预紧力较大,且预紧支路结构较为复杂,很 难保证其只承受沿轴线方向的作用力,使得测量精度受到影响。
发明内容
[0005] 为了克服现有六维力传感器存在的上述不足,本发明提供一种整体预紧双层上下 非对称七杆并联结构六维力传感器,该传感器不仅能够检测三维空间的力与力矩,同时还具有结构简单、刚度大、校准方便、精度高、经济性好和模块化程度高等优点。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该传感器由底座、测力平台、预紧平台、十二个斜球窝座、两个圆球窝座、七个检测构件和预紧螺栓组成,斜球窝座和圆球窝座 通过螺栓连接到底座、测力平台和预紧平台上,七个检测构件两端锥头与球窝座上的球窝 相连,采用单向约束的球窝锥头式球面副替代传统双向约束的球面副,这样检测构件分为 两组,其中的三个检测构件分布在测力平台的上侧,另外的四个分布在测力平台的下侧,预 紧平台和底座通过预紧螺栓联接对传感器进行整体预紧,消除各球面副的间隙,提高传感 器的整体刚度。检测构件的两端为锥形球头,其中部装有力敏元件,力敏元件可选择应变式 或压电式。
[0007] 本发明的有益效果是:该传感器结构简单、测量原理简便;取消了传统结构的球 铰,结构大为简化,调整工作量大为减少,易于实现标准化、通用化;组成球面副的锥头与球 窝的接触面积小,使摩擦力矩减小,各弹性构件力敏感部位的应力耦合降低;采用整体预紧 式结构方案,不存在过零问题,非线性和迟滞误差将减小,使传感器的刚度增加;该传感器 的测力平台上下两表面均分布有检测构件,可使测力平台承受更大的颠覆力矩;该预紧方 式简单、可靠,可有效提高预紧效果,进而保证传感器的测量精度;传感器由分离元件组装 而成,成本低,便于加工制造,实现模块化、系列化,从微型传感器到大型的测试平台都可以 用同样的结构实现。
附图说明
[0008] 图1是整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器的结构示意图;
[0009] 图2是检测构件与斜球窝座连接示意图;
[0010] 图3是球窝锥头式球面副的结构示意图;
[0011] 图4是中间检测构件与圆球窝座连接示意图。
[0012] 在图1中,1.测力平台,2.预紧平台,3.检测构件,4.斜球窝座,5.中间检测构件, 6.圆球窝座,7.预紧螺栓,8.底座。
[0013] 具体实施方式
[0014] 图1是本发明公开的一个实施例,所述传感器由测力平台1、预紧平台2、底座8、六 个检测构件3以及一个中间检测构件5、十二个斜球窝座4以及两个圆球窝座6、预紧螺栓 7组成。测力平台1由轴线重合的底盘和承载圆盘固接而成,测力平台1的底盘上、下表面 各分布三个斜球窝座4,且分别位于各自圆周上,测力平台1的底盘下表面中心固定一圆球 窝座6 ;预紧平台2为壳体构件,其顶部内环面圆周上分布三个斜球窝座4,底部的凸缘上均 布有螺栓孔;底座8上表面的同一圆周上分布三个斜球窝座4,中心固定一圆球窝座6,边缘 均布有螺栓孔;斜球窝座4和圆球窝座6上挖有球窝,其凸缘上分布有螺栓孔,并通过螺栓 与测力平台1、预紧平台2、底座8固定;检测构件3与斜球窝座4形成锥头式球面副,分布 在测力平台1底盘的上、下表面,中间检测构件5与圆球窝座6形成锥头式球面副,位于测 力平台1与底座8之间,所有检测构件通过螺栓7与预紧平台2、测力平台1和底座8联接 并预紧封闭。
[0015] 本发明可应用于机器人、生物力学、航空航天技术等多种需要六维力测量的领域。

Claims (3)

  1. 一种整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器,其特征是:测力平台(1)由轴线重合的底盘和承载圆盘固接而成,测力平台(1)的底盘上、下表面各分布三个斜球窝座(4),且分别位于各自圆周上,测力平台(1)底盘下表面中心固定一圆球窝座(6);预紧平台(2)为壳体构件,其顶部内环面圆周上分布三个斜球窝座(4),底部的凸缘上均布有螺栓孔;底座(8)上表面的同一圆周上分布三个斜球窝座(4),中心固定一圆球窝座(6),边缘均布有螺栓孔;检测构件(3)与斜球窝座(4)形成锥头式球面副,分布在测力平台(1)底盘的上、下表面,中间检测构件(5)与圆球窝座(6)形成锥头式球面副,位于测力平台(1)与底座(8)之间,检测构件(3)和中间检测构件(5)的两端为锥头结构,检测构件(3)和中间检测构件(5)上装有力敏元件,所有检测构件通过螺栓(7)与预紧平台(2)、测力平台(1)和底座(8)联接并预紧封闭。
  2. 2.根据权利要求1所述的整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器,其特 征是:预紧平台(2)的壳体顶部开有一个圆孔,测力平台(1)的承载圆盘从预紧平台(2)的 圆孔中伸出。
  3. 3.根据权利要求1所述的整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器,其特 征是:斜球窝座(4)和圆球窝座(6)分别固定在测力平台(1)、预紧平台(2)、底座(8)上, 与检测构件两端的锥头形成单向约束的球窝锥头式球面副。
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