CN102486421A - 六维力传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六维力传感装置，包括运动平台、固定平台和连接运动平台与固定平台的六个支撑构件，每个支撑构件的上下端分别通过虎克铰与运动平台和固定平台连接，每个支撑构件上设置有柔顺部件，柔顺部件由上壳体、下壳体以及弹簧一构成，每个支撑构件上至少包含一个感测部件，感测部件包括弹性部件和两端固定于弹性部件上的曲线型支架，在曲线型支架上的相对两侧布设有多个A侧变形齿和多个B侧变形齿且二者的头部间形成供一个或多个信号光纤穿过的曲线型通道，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧，信号光纤通过光缆连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便。

Description

六维力传感装置

技术领域

本发明属于自动控制领域，特别涉及一种测量空间三维力与三维力矩的六维力传感器。

背景技术

六维力传感以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为重要的一类传感器，可用于监测方向、大小都在变化的力以及测量加速度、惯性力等。它越来越广泛的应用于工业以及人们的生活中，包括机器人、航空航天、机械加工、轮廓测量、汽车、医疗等多个领域。

斯特沃特(stewart)平台结构是典型的六维力传感装置，其是通过六个支撑构件将上下平台连接而成，在每个支撑构件上安置有传感装置。当受到六维外力作用时，六个支撑构建只承受沿支撑构件轴心方向的拉力或压力，通过传感器检测每个支撑构件上的轴向力，通过已知的相应的矩阵计算就可以求出平台所受的六维外力。但现有的传感器以电阻应变片或压电材料为主，其动态范围小、灵敏度低，使斯特沃特(stewart)平台结构的六维力传感装置承载力动态范围低、精度差，并且易受电磁干扰，限制了六维力传感装置的推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种六维力传感装置。本发明结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、寿命长、灵敏度高、具有良好的抗电磁干扰能力，具有推广价值。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：六维力传感装置，其特征在于：包括运动平台、固定平台和连接运动平台与固定平台的六个支撑构件，每个支撑构件的上下端分别通过虎克铰与运动平台和固定平台连接，每个支撑构件上设置有柔顺部件，所述柔顺部件由上壳体、与上壳体滑动配合的下壳体以及布设于上壳体和下壳体内的弹簧一构成，每个支撑构件上至少包含一个感测部件，所述感测部件包括弹性部件和两端固定于弹性部件上的曲线型支架，在所述曲线型支架上的相对两侧布设有多个A侧变形齿和多个B侧变形齿，多个A侧变形齿和多个B侧变形齿之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个信号光纤穿过的曲线型通道，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在信号光纤两侧，所述信号光纤通过光缆连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。

上述的六维力传感装置，所述曲线型支架由曲线型壳体构成，多个A侧变形齿和多个B侧变形齿对应布设在曲线型壳体的内壁上。

上述的六维力传感装置，所述曲线型壳体两端的信号光纤上安装有光反射装置。

上述的六维力传感装置，所述曲线型支架为弹簧二，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在弹簧二中相邻两圈弹簧丝之间。

上述的六维力传感装置，所述曲线型支架为波纹管，A侧变形齿和B侧变形齿对应布设在波纹管的管壁上内凹处的相对两个侧面上。

上述的六维力传感装置，所述曲线型支架为柱体，该柱体是支撑构件的一部分，在柱体的侧壁上分布有缝隙，在缝隙的上下两侧布设有相互交错对应的A侧变形齿和B侧变形齿。

上述的六维力传感装置，所述曲线型壳体两端的信号光纤上安装有光反射装置。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、加工制作简便、投入成本低且使用方式灵活、灵敏度高。

2、该装置能同时检测空间六维力，具有结构精巧、适应性强、精度高、动态性能好的优点，可适用于智能机器人、自动检测、控制和加工制造领域等多个方面。

3、根据柔顺部件的受力和变形之间的线性关系，可以推算出运动平台的位置及位姿变化，从而实现对六维力和位置的同时感知。

4、本发明采用光纤传感和传输信号使本装置具有较好的抗电磁干扰能力，具有较广的应用范围。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、使用效果好，有良好的抗电磁干扰能力，具有推广价值。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明两端固定于支撑杆上的曲线型壳体19的结构示意图。

图3为本发明柔顺部件的结构示意图。

图4为本发明曲线型壳体的内部结构示意图。

图5为本发明实施例2的结构示意图。

图6为本发明弹簧部分剖面结构示意图。

图7为本发明实施例3的结构示意图。

图8为图7中A处的局部放大示意图。

图9为本发明实施例4的结构示意图。

图10为图9中A-A剖面的结构示意图。

图11为本发明实施例5的结构示意图。

图12为本发明实施例6的结构示意图。

附图标记说明：

1-光缆；         4-1-A侧变形齿；    4-2-B侧变形齿；

5-测试单元；     7-处理单元；       10-支撑构件；

11-运动平台；    12-感测部件；      15-柔顺部件；

16-固定平台；    17-虎克铰；    19-曲线型壳体；

20-上壳体；      21-下壳体；    22-弹簧一；

33-信号光纤；    35-光开关；    36-柱体；

37-缝隙；        38-弹簧二；    40-波纹管；

42-管壁；        46-光反射装置。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2、图3和图4所示的一种六维力传感装置，包括运动平台11、固定平台16和连接运动平台11与固定平台16的六个支撑构件10，每个支撑构件10的上下端分别通过虎克铰17与运动平台11和固定平台16连接，每个支撑构件10上设置有柔顺部件15，所述柔顺部件15由上壳体20、与上壳体20滑动配合的下壳体21以及布设于上壳体20和下壳体21内的弹簧一22构成，每个支撑构件10上至少包含一个感测部件12，所述感测部件12包括弹性部件和两端固定于弹性部件上的曲线型支架，在所述曲线型支架上的相对两侧布设有多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2，多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个信号光纤33穿过的曲线型通道，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在信号光纤33两侧，所述信号光纤33通过光缆1连接有测试单元5，所述测试单元5连接有处理单元7。

本实施例中，曲线型支架是由曲线型壳体19构成，多个A侧变形齿4-1和多个B侧变形齿4-2对应布设在曲线型壳体19的内壁上。所述的弹性元件是所述支撑构件10的一部分，曲线型壳体19的两端固定于作为弹性元件的支撑构件10上，当有六维力作用在运动平台11上时，每个支撑构件10均会受到轴向力，支撑构件10在轴向力的作用下其长度会有微小的变化，从而使两端固定于支撑构件10上的曲线型壳体19的两端距离变化，从而使布设于曲线型壳体19内的A、B两侧变形齿间的距离改变，导致夹持于A、B两侧变形齿间的信号光纤33的弯曲曲率变化，使传输于信号光纤33内的光信号的功率变化，通过光缆1测试单元5测得该变化信号并传递给处理单元7，处理单元7经计算得到曲线型壳体19的长度变化状态，并推算出支撑构件10所受到的轴向力的大小，根据6个支撑构件10上得到的轴向力值就可以得到运动平台11所受的六维力值。

本实施例中，柔顺部件15是由上壳体20、与上壳体20滑动配合的下壳体21以及布设于上壳体20与下壳体21；内的弹簧22构成，弹簧22的长度与所受的力值呈线性关系，所以根据每个支撑构件10所受力值的大小，可以得到每个支撑构件10上柔顺部件15的长度变化，从而可以推算出运动平台11的位置和姿态。

当然所述的弹性元件也可以是一弹簧，以便对较小的六维力值进行测试。

所述的支撑构件10上的柔顺部件也使用橡胶、高分子材料等其他弹性材料。

一种优选的做法是曲线型壳体19两端的信号光纤33上安装有光反射装置46，从而使测试单元5在测试时消除光源、探测器和关系链路的性能变化或衰减变化的影响，进一步提高测试精度。所述的光反射装置46可以是光反射镜、光纤光栅或包含光反射气泡的光纤。

所述信号光纤33为外部包有多层保护层的光纤，所述信号光纤33为外部包有多层光纤保护层的光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、聚酰亚胺涂覆光纤等；所述信号光纤33也可以是塑料光纤、多芯光纤、细径光纤或光子晶体光纤；或是多根信号光纤33并排夹持在A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间，或是多根信号光纤33通过树脂合并为信号光纤束或信号光纤带。所述信号光纤33外部包覆有一层防水材料层，如防水油膏，可进一步防止水分子对信号光纤33的侵蚀，延长了信号光纤33的使用寿命。

实施例2

如图5、图6所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述曲线型支架为弹簧二38，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在弹簧二38中相邻相邻两圈弹簧丝之间，且A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2相互交错布设。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图7、图8所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述曲线型支架为波纹管40，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2对应布设在波纹管40的管壁42上内凹处的相对两个侧面上，且A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2相互交错布设。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例4

如图9、图10所示，本实施例中，与实施例1不同的是：所述曲线型支架为柱体36，该柱体36是支撑构件10的一部分，在柱体36的侧壁上分布有缝隙37，在缝隙37的上下两侧布设有相互交错对应的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例5

如图11所示，本实施例中，与实施例1不同的是：多个支撑构件10上的多个曲线型壳体19串联在一根信号光纤33上，并通过光缆1接测试单元5，这是测试单元5的优选采用OTDR监测仪器，可以同时测试多个曲线型壳体19的状态，一种优选的做法是在每个曲线型壳体19两端安置有光反射装置46，通过监测光反射装置46的反射光的功率大小计算出每个曲线型壳体19的损耗，并可以消除光源、探测器以及光缆1等部分的变化的影响。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例6

如图12所示，本实施例中，与实施例1不同的是：光缆1通过光开关35与测试单元5连接，光开关35在处理单元7的控制下，分别对每一个曲线型壳体19进行测试，达到对多个曲线型壳体19的同时监测。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.六维力传感装置，其特征在于：包括运动平台(11)、固定平台(16)和连接运动平台(11)与固定平台(16)的六个支撑构件(10)，每个支撑构件(10)的上下端分别通过虎克铰(17)与运动平台(11)和固定平台(16)连接，每个支撑构件(10)上设置有柔顺部件(15)，所述柔顺部件(15)由上壳体(20)、与上壳体(20)滑动配合的下壳体(21)以及布设于上壳体(20)和下壳体(21)内的弹簧一(22)构成，每个支撑构件(10)上至少包含一个感测部件(12)，所述感测部件(12)包括弹性部件和两端固定于弹性部件上的曲线型支架，在所述曲线型支架上的相对两侧布设有多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿(4-2)，多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿(4-2)之间呈交错布设且二者的头部间形成供一个或多个信号光纤(33)穿过的曲线型通道，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)对应布设在信号光纤(33)两侧，所述信号光纤(33)通过光缆(1)连接有测试单元(5)，所述测试单元(5)连接有处理单元(7)。

2.根据权利要求1所述的六维力传感装置，其特征在于：所述曲线型支架由曲线型壳体(19)构成，多个A侧变形齿(4-1)和多个B侧变形齿(4-2)对应布设在曲线型壳体(19)的内壁上。

3.根据权利要求1所述的六维力传感装置，其特征在于：所述曲线型壳体(19)两端的信号光纤(33)上安装有光反射装置(46)。

4.根据权利要求1所述的六维力传感装置，其特征在于：所述曲线型支架为弹簧二(38)，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)对应布设在弹簧二(38)中相邻两圈弹簧丝之间。

5.根据权利要求1所述的六维力传感装置，其特征在于：所述曲线型支架为波纹管(40)，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)对应布设在波纹管(40)的管壁(42)上内凹处的相对两个侧面上。

6.根据权利要求1所述的六维力传感装置，其特征在于：所述曲线型支架为柱体(36)，该柱体(36)是支撑构件(10)的一部分，在柱体(36)的侧壁上分布有缝隙(37)，在缝隙(37)的上下两侧布设有相互交错对应的A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)。

7.根据权利要求2所述的六维力传感装置，其特征在于：所述曲线型壳体(19)两端的信号光纤(33)上安装有光反射装置(46)。

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