CN102840944A - 一种近奇异构型的大量程并联六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种近奇异构型的大量程并联六维力传感器，主要包括测力环、固定环、三个相同的承载分支、和六个贴有应变片的检测分支。其中测力环与固定环采用同轴布置并通过三个承载分支相连，六个检测分支根据测量任务采用特定的近奇异形位布置，其两端通过弹性球铰与测力环和固定环相连，并与上述承载分支间隔均等布置；固定环和测力环与分支连接环面可为由分支轴线垂直面包络而成环形多面体，测力环的内表面设有螺纹，固定环端面上设有通孔，通过螺栓或设在该固定环外表面的螺纹与外界连接。本发明结构简单、测量精度好、刚度大、灵敏度高、尺寸小，能广泛应用于航空航天、军事、机器人、汽车六维轮力测量等多种要求传感器灵敏度高、量程大的应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种力传感器，特别是一种大量程并联结构的六维力传感器。
背景技术
作为一个知识密集、技术密集、跨学科的复杂机电一体化装置，传感器的性能直接影响机电系统的质量。力传感器作为传感器中的一种基本类型被广泛应用，其中六维力传感器因其可以同时测量空间三维力分量和三维力矩分量，可用于测量方向和大小不断变化的力、加速度而被视为最重要的一类力传感器。对于六维力传感器的研究，除了提高精度方面不容忽视，提高刚度，增大量程、可小型化也因难度大、挑战高、应用需求显著而逐渐成为国内外争相发展的研究方向。
六维力传感器作为力传感器研究应用中的技术关键，正日趋发展完善。其力敏感元件的结构设计是六维力传感器的核心，国内外已有大量的学者投入到这一研究当中，截至目前人们提出和应用的六维力传感器力敏感元件结构有：三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋结构，筒形结构、环形结构、双环形结构、平面三梁结构、平面十字梁结构、双十字结构等。上述的传感器结构，各维力分量均与应变桥输出有关，即应变桥输出信号与各维力/力矩测量信号之间均存在耦合，通常采用特定的贴片方式来达到解耦。但由于特定的贴片方式对受力方式的适应性差，相应解耦算法复杂，这使得传感器在应用中很难获得高精度、高灵敏度、大量程、小尺寸等优越的综合性能。
基于Stewart并联机构的六维力传感器采用球铰的连接方式，依靠并联机构力学解耦方式使得输出解耦，克服了整体式弹性体通过贴片组桥达到输出解耦的缺陷，能够面对复杂受力对象的测量。专利CN21010535512.X提出了一种轮辐式冗余并联结构六维力传感器，不仅具备传统并联结构传感器分支测量解耦的特点，还通过增加冗余测量分支使传感器具有容错能力，且使得传感器刚度得以提高。虽然容错式结构使得测量可靠度得到提高，但是仍有一些缺点。首先，由于刚度与灵敏度间的制约，检测分支刚度十分有限，通过增加检测分支的办法无法有效提高传感器刚度，同时，由于刚度的增加降低了灵敏度，使测量特性有所下降，即也未很好处理传感器刚度与测量灵敏度间的关系；其次，并联式传感器的测量分支需具备的特定的位形与结构，加工交复杂，增加测量分支明显使得其结构更加复杂。因此，若想进一步得到大量程、高灵敏度、小尺寸的六维力传感器是十分困难的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刚度好、量程大、灵敏度高、结构简单、尺寸小的并联式六维力传感器。
本发明的技术方案如下：
本发明采用双环式结构，主要包括测力环、固定环、三个相同的承载分支和六个贴有应变片的检测分支。其中测力环与固定环同轴布置并通过三个承载分支相连，三个承载分支环形均布，即相邻分支夹角120°，为刚度较大承载梁结构，主要承载测力环与固定环之间的作用力；六个检测分支每两个为一组，其两端通过弹性球铰与测力环和固定环相连，并与上述承载分支间隔均等分配；针对确定的测量任务，上述检测分支采用轴线与传感器轴截面成小角度或者轴线与传感器测力环几何中心呈小距离等特定的近奇构型布置，以得到对某些维的力分量检测有较高的灵敏度，并通过分支上的应变片，完成分支受力的检测。固定环和测力环与分支连接环面可为由分支轴线垂直面包络而成环形多面体，以便于制造；测力环的内表面设有螺纹，固定环端面上设有通孔，可通过螺栓或设在该固定环外表面的螺纹与外界联接。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、通过承载分支，使得传感器的刚度增加，可适用于大量程六维力测量；
2、采用近奇异位形，提高了传感器测量灵敏度，不仅弥补了因为提高传感器刚度增大导致灵敏度降低的不足，更可以通过不同的分支刚度分配使传感器更好地适用于特定的测量任务；
3、由于传感器采用弹性球铰连接，一体式加工，使得传感器不存在采用普通机械球铰连接带来的结构间隙和测量滞后误差等缺点，更有效实现了结构简化，尺寸缩小。
4、采用内外环式结构，使传感器厚度明显下降，并可以更好地适用于特定的应用场合；能广泛应用于航空航天、军事、机器人、汽车六维轮力测量等多种要求传感器刚度大、灵敏度高的小空间六维力测量场合。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意简图。
图2是本发明实施例2的结构示意简图。
具体实施方式
实施例1
在图1所示的并联式六维力传感器结构示意简图中，固定环1和测力环2通过三个相同的承载分支3相连，固定环和测力环同轴，且相连面为六棱面，该三个承载分支均布在相间的三个棱面上；测力环的内表面设有螺纹，固定环的端面上设有六个通孔，通过螺栓与外界连接。六个检测分支4两两一组，采用轴线与传感器轴截面呈小角度的近奇异位形布置，该检测分支的两端均通过弹性球铰5与测力环和固定环相连，并与上述承载分支间隔均等布置在另外三个棱面上。该结构适用于要求传感器轴向力、轴线与轴截面重合方向的两维力矩测量灵敏度较其他力分量更高的测量任务。
在图2所示的并联式六维力传感器结构示意简图中，固定环1和测力环2通过三个相同的承载分支3相连，固定环和测力环同轴，且相连面为六棱面，该三个承载分支均布在相间的三个棱面上；测力环的内表面设有螺纹，固定环外环面设有螺纹，通过螺纹与外界连接。六个检测分支4两两一组，采用轴线与测力环几何中心距离较小的近奇异位形进行布置，该检测分支的两端均通过弹性球铰5与测力环和固定环相连，并与上述承载分支间隔均等布置在另外三个棱面上。该结构适用于要求传感器对三维力矩分量测量灵敏度较其他三维力分量更高的测量任务。
Claims (3)
1.一种近奇异构型的大量程并联六维力传感器，主要包括测力环、固定环、三个相同的承载分支和六个贴有应变片的检测分支，其特征在于：其测力环与固定环采用同轴布置并通过三个承载分支相连，该三个承载分支环形均布，即相邻承载分支夹角120°，为刚度较大承载梁结构；六个检测分支两端通过弹性球铰与测力环和固定环相连，并与上述承载分支间隔均等分配；上述检测分支根据测量任务，采用轴线与传感器轴截面成小角度或者轴线与传感器测力环几何中心呈小距离等特定的近奇异形位；上述测力环的内表面设有螺纹。
2.根据权利要求1所述的一种近奇异构型的大量程并联六维力传感器，其特征在于：固定环和测力环与分支连接环面为由分支轴线垂直面包络而成环形多面体。
3.根据权利要求1或2所述的一种近奇异构型的大量程并联六维力传感器，其特征在于:固定环端面上设有通孔，通过螺栓或设在该固定环外表面的螺纹与外界连接。
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