CN102445290A

CN102445290A - 六分量力传感器

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Publication number: CN102445290A
Application number: CN2010105076649A
Authority: CN
Inventors: 杨锦堂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-09
Filing date: 2010-10-09
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明涉及一种力学参数传感装置，尤其涉及一种用于需要同时检测和传感空间广义力的六个正交分量的机器人执行机构或工程检测装备的传感器。本发明的六分量力传感器，包括主平台和辅助平台，主平台和辅助平台之间设置外壳，主平台沿圆周均匀间隔设置三个球铰，每个球铰上连接水平方向的支撑杆和竖直方向的支撑杆，球铰和支撑杆皆设置在外壳内；水平方向的支撑杆的末端与外壳联接，竖直方向的支撑杆与辅助平台联接。本发明结构对称紧凑和工艺简单等优点，可以用于实现单体式的也可以用于组合式的六分量力传感器；相对于基于经典Stewart六杆平台的六分量力传感器，本发明具有耦合程度小，并易于实现各项同性。

Description

六分量力传感器

技术领域

本发明涉及一种力学参数传感装置，尤其涉及一种用于需要同时检测和传感空间广义力的六个正交分量的机器人执行机构或工程检测装备的传感器。

背景技术

空间任一广义力F，如图1所示，在给定的坐标系中一般可分解为六个分量，即沿三个坐标轴的力矢分量Fx，Fy和Fz，以及绕三个坐标轴的力矩分量Mx，My和Mz；或者说，研究对象上某一点的受力状态复杂，但所受力总可在给定坐标系中分解为上述六个分量。六分量力传感器就是用来同时检测和传感所受力的六个分量，广泛应用于机器人、生物力学、精密装配、工程现场测试等领域。

现有六分量力传感从结构形式上主要可分为单体式和组合式。前者利用单独的弹性元件同时感应各个力分量；后者则是组合利用多个弹性元件分别感应各个力分量。如图2所示，基于Stewart六杆平台机构的单体式六分量力传感器的研究和应用广泛。其基本原理是基于经典Stewart六杆平台的结构，在六根杆上分别安装力敏元件，如应变片，并通过对六个力敏元件传感的信号进行综合、分析、求解和输出所受力在给定坐标系下的六个分量。

如2008年8月20日公开的中国专利申请，公开号CN101246065A，其公开了一种弹性铰并联6-UPUR六维测力平台，实现了六维力向六个分支上的分解。但这类六分量力传感器，由于经典Stewart六杆平台机构的六根杆之间存在严重耦合关系，使得其力学分析困难复杂，进而使得这类传感器的各向同性只有在传感器的结构尺寸之间具有特定关系时才得到保证，并且，同一只传感器不能同时实现力的各向同性和力矩的各向同性。

另外，基于经典Stewart六杆平台的单体式六分量力传感器存在结构复杂、加工制造困难等缺点，且多采用整体加工，如选用硬铝切割而成，这在一定程度上限制了它的量程和使用范围。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种六分量力传感器，其力学分析简单，克服了同一只传感器不能同时实现力的各向同性和力矩的各向同性的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括主平台和辅助平台，主平台和辅助平台之间设置外壳，主平台沿圆周均匀间隔设置三个球铰，每个球铰上连接水平方向的支撑杆和竖直方向的支撑杆，球铰和支撑杆皆设置在外壳内；水平方向的支撑杆的末端与外壳联接，竖直方向的支撑杆与辅助平台联接。

本发明采用一种改进型的六杆平台结构，然后在此基础上提出一种六分量力传感器结构。通过在六根杆上设置力敏元件来实现单体式的，或直接采用六个已有的压力传感器来构成组合式的六分量传感器，即支撑杆上设置力敏元件或支撑杆为压力传感器。

每个球铰连接两个支撑杆或每个球铰连接四个支撑杆：

(1)在平台上取间隔120度旋转对称的三点，设置三个具有三个旋转自由度的球铰，三个球铰沿切向在与平台平行的平面内分别连接一根水平方向的支撑杆，在水平方向的支撑杆的另一端采用具有两个旋转自由度的虎克铰联接于外壳上；另外，在三个球铰处在平台的同侧沿平台的法向分别连接三根竖直方向的支撑杆，同样的，在竖直方向的支撑杆的另一端采用虎克铰连接于下平台上。这样，当六根支撑杆具有伸缩功能时，动平台将具有六个自由度的刚体运动。

相邻的球铰之间设置辅助球铰，每个辅助球铰上设置竖直梁，竖直梁与竖直方向的支撑杆位于主平台的同一侧。竖直梁为压力传感器或支撑杆上设置力敏元件。

(2)在平台上取间隔120度旋转对称的三点，设置三个具有旋转自由度的球铰，每个球铰沿切向在与平台平行的平面内分别连接两根水平方向的支撑杆，在水平方向的支撑杆的另一端采用具有两个旋转自由度的虎克铰联接于外壳上；另外，在每个球铰处在平台的同侧沿平台的法向分别连接两根竖直方向的支撑杆，同样的，在竖直方向的支撑杆的另一端采用虎克铰连接于辅助平台。这样，当六根支撑杆具有伸缩功能时，动平台将具有六个自由度的刚体运动。

主平台的两侧各设置一个辅助平台，也就是说此种结构中，包括一个主平台以及两侧的两个辅助平台，竖直方向的支撑杆分别与辅助平台固接。

需要说明的是，所示结构中，球铰是复合球铰，即具有两个独立球铰的功能。为了结构安排方便起见，也可将复合球铰分离为二，即，在连接水平支撑杆的球铰的中间位置，如夹角60度，均布三个球铰，然后在平台的同侧沿平台的法向分别连接另外三根竖直支撑杆。水平支撑杆的球铰与竖直支撑杆的球铰分布夹角的大小、分布半径的大小以及所在平面的相对高度可根据具体结构尺寸的安排合理设置。而虎克铰和球铰的实现方式也可根据具体要求采用关节轴承、球面轴承和柔性铰链机构等方式来实施。

主平台上设有平台连接孔，外壳上设有外壳连接孔。平台联接孔用于与被测对象进行联接紧固；而外壳联接孔用于将外壳，也即本传感器的整体的固定和安装。

本发明的有益效果是：基于改进型六杆平台的六分量力传感器同时实现空间广义力的六分量检测传感；环境适应性好，可释放和消除温度变化造成的热变形；本发明结构对称紧凑和工艺简单等优点，可以用于实现单体式的也可以用于组合式的六分量力传感器；相对于基于经典Stewart六杆平台的六分量力传感器，本发明具有耦合程度小，并易于实现各项同性。另外，本发明的预紧型可使得六分量力传感器中的每个拉压力传感器总是工作在受压的状态，从而提高整体六分量力传感器的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述：

图1为空间广义力坐标示意图；

图2为背景技术中的六分量力传感器结构示意图；

图3为本发明的传感器外部整体示意图；

图4为本发明的传感器拆除外壳后的正面视图；

图5为图4的仰视图；

图6为图4的俯视图；

图7为本发明的六杆平台结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图9本发明实施例1结构示意图；

图10为实施例1水平受力结构示意图；

图11为实施例1竖直受力结构示意图；

图12为本发明实施例2结构示意图；

图13为本发明实施例3结构示意图；

图14为本发明实施例4结构示意图。

图中：1.外壳；2.主平台；3.辅助平台；4.水平方向的支撑杆；5.竖直方向的支撑杆；6.球铰；7.虎克铰；8.辅助球铰；9.平台连接孔；10.外壳连接孔；11.水平方向拉压力传感器；12.竖直方向拉压力传感器；13.力敏元件；14.竖直梁。

具体实施方式

实施例1

本发明的传感器包括一个主平台2和一个辅助平台3，主平台2和辅助平台3之间设置外壳1，主平台2沿圆周均匀间隔设置三个球铰6，每个球铰6上连接一个水平方向的支撑杆4和一个竖直方向的支撑杆5，球铰6和支撑杆皆设置在外壳1内；水平方向的支撑杆4的末端与外壳1固接，竖直方向的支撑杆5与辅助平台3固接。

支撑杆为压力传感器，压力传感器包括水平方向拉压力传感器11和竖直方向拉压力传感器12。支撑杆通过虎克铰7与外壳1、辅助平台3联接。主平台上设有平台连接孔9，外壳1上设有外壳连接孔10。

如图9所示，直接采用水平方向拉压力传感器11和竖直方向拉压力传感器12取代图7中的水平方向的支撑杆4和竖直方向的支撑杆5，并结合处理电路来构成组合式六分量力传感器。需要说明的是，为保证结构的对称性，拉压力传感器的选型可选为一种或两种，即，对应于水平拉压力传感器组必须是一样的，对应于竖直拉压力传感器组也必须一致，但两组的选型可以一样也可以不一样。

如10所示，在图示坐标系下，根据图1广义力的定义，Fx，Fy和Mz将由水平拉压力传感器组给出，而Mx，My和Fz将由竖直拉压力传感器组给出。

下文以图9所示的六杆平台的组合式六分量力传感器为对象，对本发明进行进一步说明。

1.力的六个分量的计算

在图10所示坐标系下，本发明六分量力传感器所受广义力的Fx，Fy和Mz这三个分量将由水平拉压力传感器组给出，而另三个分量Mx，My和Fz将由竖直拉压力传感器组给出。

1)先分析水平拉压力传感器组受力和Fx，Fy和Mz的关系。如图10所示，记三只水平拉压力传感器检测到的力分别为T1，T2和T3；记三只水平拉压力传感器虎克铰分度圆半径为Rh；记Fx和Fy合力为P，P与X轴夹角为θ。

则有：

\{\begin{matrix} Mz = - (T_{1} + T_{2} + T_{3}) \cdot Rh \\ Fx = T_{1} - \frac{T_{2} + T_{3}}{2} \\ Fy = \frac{\sqrt{3}}{2} (T_{2} - T_{3}) \end{matrix} - - - (1)

2)再分析竖直拉压力传感器组的受力和Mx，My和Fz的关系。如图11所示，记三只竖直拉压力传感器检测到的力分别为F1，F2和F3；记三只水平拉压力传感器虎克铰分度圆半径为Rv；记Mx和My合力矩为M，其方向与X夹角θ。

则有：

\{\begin{matrix} Fz = F_{1} + F_{2} + F_{3} \\ Mx = (F_{1} - \frac{F_{2} + F_{3}}{2}) \cdot Rv \\ My = \frac{\sqrt{3}}{2} (F_{2} - F_{3}) \cdot Rv \end{matrix} - - - (2)

2.刚度各向同性分析

由上文所述，水平拉压力传感器组和竖直拉压力传感器组是独立的。

1)首先分析水平拉压力传感器组在其所在平面内的具有刚度各向同性的性质，参见图10，即，需要证明在水平力P沿任意方向作用时，平台都发生同样大小的水平位移。

仅考虑P的作用，即令Mz＝0，

则有：

平台刚度远大于水平拉压力传感器的拉压刚度k_h，则在外力P作用下，平台的位移取决于三只水平拉压力传感器的拉压变形。记外力P在其方向上位移为δ，即平台的位移；记三只水平拉压力传感器的拉压变形位移分别为δ₁，δ₂，δ₃；记系统水平方向刚度为Kh，则有

Pδ＝T₁δ₁+T₂δ₂+T₃δ₃ (4)

则由虎克定律，上式可变换为

\frac{P^{2}}{K_{h}} = \frac{T_{1}^{2} + T_{2}^{2} + T_{3}^{2}}{k_{h}} - - - (5)

将式(3)代入上式，有

即

K_{h} = \frac{3}{2} k_{h} - - - (7)

因此，本发明六分量力传感器在水平面内的刚度与外力方向无关，即，在水平面内具有刚度各项同性的性质，且刚度单只水平拉压力传感器拉压刚度的1.5倍。

2)再分析竖直拉压力传感器组可确保平台具有倾斜刚度各向同性的性质，参见图11，即，需要证明在力矩M绕平台内任意方向作用时，平台都发生同样大小的转角位移。

记竖直拉压力传感器的拉压刚度为kv，记系统抗弯刚度为Kv。

同理，仅考虑M的作用，即令Fz＝0，则Mx和My引起的绕X轴和绕Y轴转角分别为：

\{\begin{matrix} φ_{x} = \frac{2 M}{3 {R_{v}}^{2} k_{v}} \cos θ \\ φ_{y} = \frac{2 M}{3 {R_{v}}^{2} k_{v}} \sin θ \end{matrix} - - - (8)

可知，M引起的绕方向轴线的转角为

从而，系统抗

弯刚度为：

K_{v} = \frac{M}{φ} = \frac{2}{3} {R_{v}}^{2} k_{v} - - - (9)

因此，本发明六分量力传感器的抗弯刚度也与外力矩方向无关，即，具有抗弯刚度各项同性的性质，且抗弯刚度由单只竖直拉压力传感器拉压刚度及其分度圆半径确定。

3)最后讨论本发明六分量力传感器竖直方向的拉压刚度k_z和绕竖直轴的抗扭刚度t_v。

显然，k_z为三只竖直拉压力传感器的并联刚度，k_z＝3*k_v。令k_z＝Kh，有

即，选取的单只竖直拉压力传感器的拉压刚度为单只水平拉压力传感器的拉压刚度的一半，即可保证本发明六分量力传感器在任意方向上的拉压刚度具有各向同性的性质。

同理，t_v由三只水平拉压力传感器的拉压刚度提供的，t_v＝3R_h ²k_h。令t_z＝Kv，有

因k_h＝2k_v，有R_v＝3R_h，即，选取竖直拉压力传感器的分度圆半径为水平拉压力传感器的分度圆半径的3倍，即可保证本发明六分量力传感器在任意方向上的抗弯刚度具有各向同性的性质。

实施例2

如图12所示，传感器包括一个主平台2和两侧的两个辅助平台3，每个球铰连6接四个支撑杆，即两个水平方向的支撑杆4和两个竖直方向的支撑杆5。水平方向的支撑杆4的末端与外壳1通过虎克7铰联接，竖直方向的支撑杆5与辅助平台3通过虎克7铰联接。其它同实施例1。

实施例3

如图13所示，在每个支撑杆上适当位置设置力敏元件13，如应变片，结合处理电路来构成力传感器并输出被测力的六个分量。其它同实施例1。

实施例4

如图14所示，为使得结构更为紧凑每个球铰6连接两个支撑杆，其中一个为水平方向的支撑杆4，另一个为竖直方向的支撑杆5。相邻的球铰6之间设置辅助球铰8，每个辅助球铰8上设置竖直梁14，竖直梁14与竖直方向的支撑杆5位于主平台2的同一侧。竖直梁14为压力传感器或支撑杆上设置力敏元件。其它同实施例1。

Claims

1.一种六分量力传感器，其特征在于，包括主平台和辅助平台，主平台和辅助平台之间设置外壳，主平台沿圆周均匀间隔设置三个球铰，每个球铰上连接水平方向的支撑杆和竖直方向的支撑杆，球铰和支撑杆皆设置在外壳内；水平方向的支撑杆的末端与外壳联接，竖直方向的支撑杆与辅助平台联接。

2.根据权利要求1所述的六分量力传感器，其特征在于，支撑杆为压力传感器或支撑杆上设置力敏元件。

3.根据权利要求2所述的六分量力传感器，其特征在于，支撑杆通过虎克铰与外壳、辅助平台联接。

4.根据权利要求3所述的六分量力传感器，其特征在于，每个球铰连接两个支撑杆，其中一个为水平方向的支撑杆，另一个为竖直方向的支撑杆。

5.根据权利要求4所述的六分量力传感器，其特征在于，相邻的球铰之间设置辅助球铰，每个辅助球铰上设置竖直梁，竖直梁与竖直方向的支撑杆位于主平台的同一侧。

6.根据权利要求5所述的六分量力传感器，其特征在于，竖直梁为压力传感器或支撑杆上设置力敏元件。

7.根据权利要求3所述的六分量力传感器，其特征在于，每个球铰沿四个方向连接四个支撑杆，其中两个为水平方向的支撑杆，另两个为竖直方向的支撑杆。

8.根据权利要求7所述的六分量力传感器，其特征在于，主平台的两侧各设置一个辅助平台，竖直方向的支撑杆分别与辅助平台固接。

9.根据权利要求4或7所述的六分量力传感器，其特征在于，主平台上设有平台连接孔。

10.根据权利要求4或7所述的六分量力传感器，其特征在于，外壳上设有外壳连接孔。