CN102435375A - 含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器，主要由基座、三个结构相同二维测力腿、三个球副组和加载平台组成。每个二维测力腿包括两个测单向力传感器、两个弹性整体移动副和一个弹性整体转动副。每个二维测力腿下端的弹性整体转动副与基座固连，其上端由弹性预紧球副组与加载平台联接，等效一个RPS（转动副-移动副-球副）型分支。本发明可以用3-RPS型并联机构含弹性整体运动副的三个测力腿上的六个测单向力传感器，测量六维力/力矩或未知方向的力/力矩，消除各运动副的安装间隙和偏载，简化各运动副的结构和整体结构。所得六维力传感器无运动副的安装间隙和偏载、结构简单、稳定性好、易于制造和安装。

Description

含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器

技术领域

本发明涉及力传感器，特别是涉及一种六维力传感器。

背景技术

测量六维力传感器不仅是机器人智能化的必要手段，也是许多工程、机电、军事、地震和医疗等装备智能化控制的主要环节。测量六维力传感器的关键是要将三个力分量和三个力矩分量转化成六路电信号输出。对此人们已研制出多种结构的六维力传感器，诸如：筒形结构，双环结构，三、四、八个垂直筋结构，十字结构，非径向梁结构，T形杆结构等。这些传感器结构各具特点，但大多难以将六维力映射成六个解耦测力信号，有些还存在刚度低、应变灵敏度低、结构相对复杂等问题。用六自由度6-SPS型并联机构，可以将作用平台的六维力映射成六个沿SPS腿的解耦驱动力。基于6-SPS并联机构，人们已设计或研制了多种6-SS型六维测力平台，试图得到六个解耦测力信号输出。为便于说明, 用n（n=3, 6）表示腿数，用S、U、P和R分别表示腿运动链中的球副、万向副、移动副和转动副，它们的组合表示腿运动链结构。Ranganath，Dwarakanath和Kang等分别研制出不同形式的6-SS型并联六维力传感器。相应的中国专利有：六自由度力与力矩传感器CN2165435Y、机器人用六维力与力矩传感器CN2066134U、并联解耦结构六维力与力矩传感器CN1267822、一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器CN1229915、十二维力/加速度机器人腕传感器CN1385677、整体预紧平台式六维力传感器ZL99102526.1和并联6-UPUR六维测力平台CN1828248A等不同结构形式的六维力传感器。整体式6-SS型并联六维力传感器含六个测力腿和十二个弹性整体球副，结构相对复杂，制造难度较大，难于制造等效球副，承载力低，单元测力传感器互换性差。分体式6-SS型并联六维力传感器容易制造，单元测力传感器互换性好，但需加较大预紧力确保每个单元测力传感器均受压，这减少单元测力传感器有效量程，其预紧蠕变引起漂移，而且不满足6-SS型六维力传感器的六维力映射数学关系，导致测试精度降低。路懿提出一种3-SPR并联解耦结构六维测力平台ZL2008100546373，简化了6-SS型六维测力平台结构，避免了预紧的缺陷，但运动副间隙，使测试力信号迟滞、波动和失真；非对称二维测力腿结构会引起偏载，降低测试精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、稳定性好、测试精度高的含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器。本发明是由基座、三个结构相同二维测力腿、三个球副组和一个加载平台组成。其中三个二维测力腿在基座上呈正三角形分布，每个二维测力腿下端的弹性整体转动副与基座固连，其上端通过球副组与加载平台联接。加载平台上同一圆周均布三个球支座，其球心分别与三个球副组的球中心重合。

所述每个二维测力腿包括本体、两个力传感器和四个螺钉。本体由四个梁和十个弹性臂连接成一体；第一到第四弹性臂沿转动副轴线均布，连接第一与第二梁，构成一个弹性整体转动副；第五到第八弹性臂水平对称连接第二与第三梁，构成两个对称弹性平行四边形整体结构，等效一个弹性整体垂直移动副；第九与第十弹性臂对称垂直连接第三和第四梁的两端，构成一个弹性平行四边形整体结构，等效一个弹性整体水平移动副。

所述二维测力腿上的第一和第二螺钉将第一传感器垂直固定在第二与第三梁之间，第一传感器轴线通过球副中心和转动副轴线且垂直于转动副，用于测量驱动力；第三与第四螺钉将第二传感器水平固定在第三与第四梁之间，第二传感器轴线平行于转动副轴线，用于测量约束力。

所述每个球副组包括一个螺母、一个双球面套、一个球面垫、一个碟形弹簧、一个预紧螺栓和一个预紧螺母。螺母连接双球面套与第四梁；双球面套上端有内球面和外球面，内球面与球面垫的球面配合接触，外球面与球支座的球面配合接触，由碟形弹簧，预紧螺钉和预紧螺母弹性压紧上述球面，消除球副的安装间隙。

本发明可将作用其加载平台的六维力旋量映射成三个过球副中心和转动副轴线且垂直于转动副的驱动力和三个过球副中心且平行转动副的约束力，且六个力彼此解耦，并得到相应的六路电信号输出。利用二维测力腿上的对称弹性整体运动副结构和弹性预紧球副组，可以消除各运动副的安装间隙和偏载，简化各运动副的结构和整体结构，提高测试精度、承载能力和稳定性，降低制造与安装难度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、基于三自由度3-RPS并联机构的原理和力学性能，实现了六维力向三个RPS型二维测力腿上的映射，在每个二维测力腿上得到一个驱动力和一个约束力。利用每个二维测力腿下部的两个对称弹性平行四边形结构与垂直传感器组合，只测该腿驱动力；利用每个二维测力腿上部一个弹性平行四边形结构与水平传感器组合，只测该腿水平约束力；由测量的三个驱动力和三个水平约束力，进一步得到作用在加载平台上的六维力或任意方向的载荷。

2、测试力解耦、算法简单、测试精度高、无测力过零误差、无预紧儒变、无运动铰的安装间隙和偏载、结构简单、稳定性好、易于制造和安装、刚度高。

附图说明

图1是本发明的立体示意简图。

图2是本发明二维测力腿本体的主视示意图。

图3是本发明球副组主视剖面示意图。

图4 是本发明中安装的商业测单向力传感器立体示意图。

在图1~4中，1. 基座，2. 二维测力腿，2-1~2-4. 第一到第四梁，2-5~2-14. 第一到第十弹性臂，3-1. 第一力传感器，3-2. 第二力传感器，3-3~3-6. 第一到第四螺钉，4. 球副组，4-1. 螺母，4-2. 双球面套，4-3. 球面垫，4-4. 碟形弹簧，4-5. 预紧螺栓，4-6. 预紧螺母，5. 加载平台，5-1. 球支座。

具体实施方式  

如图1所示，本发明是由基座1、三个结构相同二维测力腿2、三个球副组4和加载平台5组成。三个二维测力腿在基座上呈正三角形分布，每个二维测力腿与机座垂直，通过其下端的弹性整体转动副与基座固连，其上端通过球副组与加载平台联接。加载平台上圆周均布三个球支座5-1，其球心分别与三个球副组球中心重合。

在图2所示的本发明二维测力腿本体的主视示意图中，由四个梁和十个弹性臂连接成一体构成本体；第一到第四弹性臂2-5、2-6、2-7、2-8沿转动副轴线均布，连接第一梁2-1与第二梁2-2；第五到第八弹性臂2-9、2-10、2-11、2-12水平对称连接第二梁2-2与第三梁2-3；第九与第十弹性臂2-13、2-14对称垂直连接第三和第四梁2-3，2-4的两端。第一和第二螺钉3-3、3-4将第一传感器3-1（见图4）垂直固定在第二与第三梁2-2、2-3之间，第一传感器轴线通过球副中心和转动副轴线且垂直于转动副；第三与第四螺钉3-5、3-6将第二传感器3-2水平固定在第三与第四梁2-3、2-4之间，第二传感器轴线平行于转动副轴线。

在图3所示的本发明球副组主视剖面示意图中，螺母4-1连接双球面套4-2与第四梁2-4。双球面套4-2一端有内球面和外球面，内球面与球面垫4-3的球面接触，外球面与球支座5-1的球面接触，由碟形弹簧4-4、预紧螺钉4-5和预紧螺母4-6弹性压紧上述球面。

Claims (3)

1.一种含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器，包括一个基座（1）、三个结构相同二维测力腿（2）、三个球副组（4）和一个加载平台（5），其特征在于：所述三个二维测力腿在基座上呈正三角形分布，每个二维测力腿的下端弹性整体转动副与基座（1）固连，其上端通过弹性预紧球副组（4）与加载平台（5）联接，在该加载平台（5）的同一圆周上均布三个球支座（5-1），其球心分别与三个球副组球中心重合。

2.根据权利要求1所述的含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器，其特征在于：所述二维测力腿是由四个梁和十个弹性臂连接成一体构成本体；第一到第四弹性臂（2-5，2-6，2-7，2-8）沿转动副轴线均布，连接第一与第二梁（2-1，2-2）；第五到第八弹性臂（2-9，2-10，2-11，2-12）水平对称连接第二与第三梁（2-2，2-3）；第九与第十弹性臂（2-13，2-14）对称垂直连接第三和第四梁（2-3，2-4）的两端；第一和第二螺钉（3-3，3-4）将第一传感器（3-1）固定在第二与第三梁（2-2，2-3）之间，该传感器轴线通过球副中心和转动副轴线且垂直于转动副；第三与第四螺钉（3-5，3-6）将第二传感器（3-2）固定在第三与第四梁（2-3，2-4）之间，第二传感器轴线平行于转动副轴线。

3.根据权利要求1所述的含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器，其特征在于：所述球副组是由螺母（4-1）连接双球面套（4-2）与第四梁（2-4）；双球面套（4-2）上端有内球面和外球面，内球面与球面垫（4-3）的球面接触，外球面与球支座（5-1）的球面接触，由碟形弹簧（4-4），预紧螺钉（4-5）和预紧螺母（4-6）弹性压紧上述球面。

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