CN102087153B - 轮辐式容错型并联结构六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种轮辐式容错型并联结构六维力传感器。其特征是：传感器为内外环型结构，固定圆环(1)和测力圆环(4)之间安装有七个以上的检测分支(3)，并呈轮辐式结构，每个检测分支的中部贴有应变片，检测分支(3)两端通过弹性球铰(2)与固定圆环(1)和测力圆环(4)相联接。该并联结构传感器具有六个以上检测分支，具有容错能力；该传感器为一体化结构，结构简单、测量原理简便，可应用于机器人、航空航天领域、汽车轮力测量等多种需要高可靠性六维力测量的场合。

Description

轮辐式容错型并联结构六维力传感器

技术领域

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轮辐式容错型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

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。

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，双E型膜片结构等。以上所列举的传感器结构，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。

基于Stewart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ZL99102421.4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.x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。

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。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。此外，传感器均采用上、下平台结构，不方便做成薄形结构，高度尺寸都比较大，制约了在某些领域的应用。

发明内容

为了克服现有六维力传感器存在的上述不足，本发明提供一种轮辐式容错式并联结构六维力传感器，该传感器能够检测三维空间的力与力矩，其具有刚度大、可靠性高、容错性能好和结构尺寸方便应用等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该传感器由测力圆环、固定圆环以及七个以上检测分支构成，测力圆环和固定圆环之间安装有七个以上的检测分支，每个检测分支的中部贴有应变片，检测分支两端通过弹性球铰与测力圆环和固定圆环相联接。测力圆环或固定圆环可根据不同的应用场合，在其内表面或外表面加工螺纹，以方便于外界载荷相连接。通过加入冗余分支提高了整体刚度，并且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，使得传感器具有容错能力。同时，将上、下平台结构改进为内、外环使得传感器更方便与外界连接，且其结构尺寸也更加适合多种应用场合。

本发明的有益效果是：该传感器的分支数目多于六个，使得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，即具有容错功能。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。同时，内、外环结构使得传感器方便做成薄形结构，更方便与外界连接，解决了由于上、下平台结构高度尺寸比较大限制了在某些领域的应用的问题，其结构也更加适合多种应用场合。

附图说明

图1是II-I型轮辐式容错型并联结构六维力传感器的结构示意图；

图2是I-II型轮辐式容错型并联结构六维力传感器的结构示意图；

图3是II-II型轮辐式容错型并联结构六维力传感器的结构示意图。

在图1、2、3中，1.固定圆环，2.弹性球铰，3.检测分支，4.测力圆环。

具体实施方式

图1、2、3是本发明公开的三个实施例，其中图1为II-I型结构，图2为I-II型结构，图3为II-II型结构。

图1中所述传感器由固定圆环1、测力圆环4、弹性球铰2和检测分支3组成。固定圆环1和测力圆环4之间安装有七个以上的检测分支3，每个检测分支的中部贴有应变片，检测分支3两端通过弹性球铰2与固定圆环1和测力圆环4相联接。检测分支3与测力圆环4相联接的铰点分布在两个圆周上，检测分支3与固定圆环1相联接的铰点分布在一个圆周上。固定圆环1或测力圆环4可根据不同的应用场合，在其内表面或外表面加工螺纹，以方便于外界载荷相连接。

图2中所述传感器也由固定圆环1、测力圆环4、弹性球铰2和检测分支3组成。固定圆环1和测力圆环4之间安装有七个以上的检测分支3，每个检测分支的中部贴有应变片，检测分支3两端通过弹性球铰2与固定圆环1和测力圆环4相联接。检测分支3与测力圆环4相联接的铰点分布在一个圆周上，检测分支3与固定圆环1相联接的铰点分布在两个圆周上。

图3中所述传感器由固定圆环1、测力圆环4、弹性球铰2、和检测分支3组成。固定圆环1和测力圆环4之间安装有七个以上的检测分支3，每个检测分支的中部贴有应变片，检测分支3两端通过弹性球铰2与固定圆环1和测力圆环4相联接。检测分支3与测力圆环4相联接的铰点分布在两个圆周上，检测分支3与固定圆环1相联接的铰点分布在一个圆周上。

本发明可应用于机器人、生物力学、航空航天技术、汽车轮力测量等多种需要高可靠性六维力测量的领域。

Claims (1)

1.一种轮辐式容错型并联结构六维力传感器，其特征是：传感器为内外环型结构，固定圆环(1)和测力圆环(4)之间安装有七个以上检测分支(3)，并呈轮辐式结构，每个检测分支的中部贴有应变片，检测分支两端通过弹性球铰(2)与固定圆环(1)和测力圆环(4)相联接。

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