CN102052984A - 冗余容错式并联结构六维力传感器 - Google Patents

冗余容错式并联结构六维力传感器 Download PDF

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姚建涛
赵永生
王志军
段艳宾
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Abstract

本发明公开一种冗余容错式并联结构六维力传感器。其特征是:传感器上平台(1)和底座(7)之间安装有七个以上(含七个)的检测分支;每个检测分支由上连杆(2)、检测构件(3)、调节螺杆(4)和下连杆(5)组成;上平台(1)下侧分布有斜凸台,底座(7)上侧分布有斜凸台;每个检测分支上的上连杆(2)和下连杆(5)分别通过球铰或弹性球铰与斜凸台联接,上连杆和下连杆的联接法兰与斜凸台通过螺栓(6)联接;调节螺杆(4)用于调整检测分支长度。本发明结构简单、测量原理简便、测量精度高、具有容错能力,可应用于机器人、航空航天领域等多种需要高可靠性六维力测量的场合。

Description

冗余容错式并联结构六维力传感器技术领域
[0001] 本发明涉及力传感器设计制造领域,特别是涉及一种具有容错能力的冗余并联结 构六维力传感器,可对测试空间的三维力分量和力矩分量进行高可靠性的测量。背景技术
[0002] 六维力传感器能够同时测量三个力分量和三个力矩分量,作为六分量测力技术的 必要实现工具,可用于监测方向和大小不断变化的力、测量加速度或惯性力、实现力和力/ 位的控制等。高精度、高可靠性六维力传感器的研究是世界各国争先研究的难度较大、挑战 性较高的课题。
[0003] 在六维力传感器研究中,其中的关键核心问题之一是力敏感元件的结构设计,力 敏感元件的结构决定着传感器的灵敏度、分辨率、刚度、动态性能和可靠性等关键因素。截 至目前人们提出和应用的六维力传感器结构主要有:三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋竖梁 结构,非对称平面三梁结构,平面十字梁结构,双环形复合梁结构,圆筒结构等。以上所列举 的传感器结构,皆为一体化结构,有一共同特点,就是应变桥的输出信号与每个力/力矩分 量有关,即测量力信号与应变桥的输出信号耦合,设计时确定应变片不同的贴片方式达到 从理论上消除各个分力之间的干扰,以实现力的解耦。这种贴片解耦一般建立在假设已知 所受力的大小和方向条件下进行的,当换成其它的力作用环境,贴片位置的应力发生了变 化,即整体不再解耦,所以这种弹性体的设计存在测试对象比较窄的缺点。
[0004] 基于Mewart并联机构的六维力传感器采用球铰的连接方式,它的输出解耦是依 靠并联机构力学解耦方式进行解耦,而不是依靠贴片解耦,克服了整体式弹性体通过贴片 组桥来达到输出解耦的缺陷,能够面对复杂受力对象的测量。中国专利ZL9910M21.4公开 了一种基于弹性球铰的并联结构六维力传感器,采用弹性良好金属棒的“局部细脖”代替普 通球铰,由“局部细脖”产生的弯曲和扭转变形代替球铰的三维转动,消除了普通球铰存在 的间隙和摩擦。中国专利ZL99119320. 2公开了一种解耦的并联机构六维力传感器,六个弹 性体分为三组,每组两个分别沿三个相互垂直的方向布置,并且各组弹性体轴线构成的平 面互相垂直,从结构上实现六维力与力矩解耦。中国专利ZL03131866.5公开了一种用于风 洞实验力测试的六分支并联天平。中国专利ZL200810054640. 5和ZL200810054666. χ分别 公开了一种具有六分支的弹性铰并联6-UPS和6-UPUR六维测力平台,使得该类传感器比弹 性球铰结构的传感器可承受较大的载荷。
[0005] 以上的几类六维力传感器有一个共同的不足就是其仅有六个分支,为静定结构, 其任一分支发生故障,均会使整个系统无法准确测量六维外力,即传感器不具备容错能力, 可靠性较低,当任一支路的检测构件发生故障时,传感器将不能对外力进行有效地测量。
[0006] 随着科学技术的迅速发展,在工业生产、国防建设以及航空航天等领域对六维力 传感器的可靠性要求越来越高,要求处于工作状态的传感器系统中的一个或多个部分发生 故障或错误时,能够自动检测、诊断,并采取相应的措施保证系统维持其规定的功能或者保 持其功能在可接受的范围内,即要求传感器系统具有很好的容错能力。发明内容
[0007] 为了克服现有六维力传感器存在的上述不足,本发明提供一种冗余容错式并联结 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,同时还具有刚度大、可靠性 高、容错性能好和模块化程度高等优点。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该传感器由上平台、底座以及七个 以上(含七个)检测分支构成,每个检测分支包含检测构件、上连杆、调节螺杆和下连杆。上 平台和底座上均分布有斜凸台,上连杆一端与检测构件相连,另一端通过球铰或弹性球铰 与斜凸台相连;下连杆一端与调节螺杆相连,另一端通过球铰或弹性球铰与斜凸台相连,检 测构件为中间带有敏感元件的单维力传感器。这样,该传感器的上平台与底座之间共有七 个以上(含七个)检测分支,通过加入冗余分支提高了整体刚度,另外当某个检测分支测量 失效时,传感器仍能对外力进行精确的测量,因此传感器具有了容错能力。
[0009] 本发明的有益效果是:该传感器中的一个或多个分支发生故障或错误时,其能够 通过软件自动检测、诊断,并采取相应的措施保证系统维持其规定的功能或者保持其功能 在可接受的范围内。具有冗余容错功能的并联结构六维力传感器提高了系统的信息利用 率,增强了系统容错功能,将能够更好的适应复杂工况环境下的任务要求,在航空航天、国 防军事以及某些工业领域具有广泛的应用前景。附图说明
[0010] 图1是冗余容错式并联结构六维力传感器的结构示意图(a):九杆冗余容错式并 联结构六维力传感器,(b):八杆冗余容错式并联结构六维力传感器,(c):七杆冗余容错式 并联结构六维力传感器;
[0011] 图2是检测分支连接示意图;
[0012] 图3是弹性铰链与斜凸台连接示意图;
[0013] 在图1中,1.上平台,2.上连杆,3.检测构件,4.调节螺杆,5.下连杆,6.螺栓, 7.底座。具体实施方式
[0014] 图1是本发明公开的三个实施例,其中(a)为九杆冗余容错式并联结构六维力传 感器,(b)为八杆冗余容错式并联结构六维力传感器,(c)为七杆冗余容错式并联结构六维 力传感器。
[0015] 图1(a)中所述传感器由上平台1、底座7、九个检测构件3、九个上连杆2、九个下 连杆5,以及九个调节螺杆4组成。上平台1为受力平台,其下表面分布九个斜凸台,底座7 为固定平台,其上表面也分布九个斜凸台。上连杆2 —端与检测构件3采用螺纹连接,另一 端通过球铰或弹性铰链与上平台的斜凸台联接,上连杆和下连杆的联接法兰与斜凸台分别 通过螺栓6联接,下连杆5 —端与调节螺杆4连接,另一端与斜凸台连接,调节螺杆4用于 调整检测分支长度。
[0016] 图1 (b)中所述传感器由上平台1、底座7、八个检测构件3、八个上连杆2、八个下 连杆5,以及八个调节螺杆4组成。上平台1为受力平台,其下表面分布八个斜凸台,底座7为固定平台,其上表面也分布八个斜凸台。上连杆2 —端与检测构件3采用螺纹连接,另一 端通过球铰或弹性铰链与上平台的斜凸台联接,上连杆和下连杆的联接法兰与斜凸台分别 通过螺栓6联接下连杆5 —端与调节螺杆4连接,另一端与斜凸台连接,调节螺杆4用于调 整检测分支长度。
[0017] 图1(c)中所述传感器由上平台1、底座7、七个检测构件3、七个上连杆2、七个下 连杆5,以及七个调节螺杆4组成。上平台1为受力平台,其下表面分布七个斜凸台,底座7 为固定平台,其上表面也分布七个斜凸台。上连杆2 —端与检测构件3采用螺纹连接,另一 端通过球铰或弹性铰链与上平台的斜凸台联接,上连杆和下连杆的联接法兰与斜凸台分别 通过螺栓6联接,下连杆5 —端与调节螺杆4连接,另一端与斜凸台连接,调节螺杆4用于 调整检测分支长度。
[0018] 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高可靠性六维力测 量的领域。

Claims (3)

1. 一种冗余容错式并联结构六维力传感器,其特征是:上平台(1)和底座(7)之间安 装有七个以上(含七个)检测分支,每个检测分支由上连杆O)、检测构件(3)、调节螺杆(4)下连杆(¾组成,上平台(1)下侧分布有斜凸台,底座(7)上侧分布有斜凸台,上连杆 (2) 一端与检测构件C3)采用螺纹连接,另一端通过球铰与上平台的斜凸台联接,下连杆(5) 一端与调节螺杆(4)连接,另一端与斜凸台连接。
2.根据权利要求1所述的冗余容错式并联结构六维力传感器,其特征是:上平台(1) 和底座(7)之间安装有七个以上(含七个)检测分支。
3.根据权利要求1所述的冗余容错式并联结构六维力传感器,其特征是:调节螺杆(4) 为正反螺纹结构,用于调整分支长度,从而消除分支内力。
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