CN102865947A - 容错式大量程并联六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种容错式大量程并联六维力传感器，主要包括外固定环、内测力环、六个以上检测分支以及三个或四个承载分支。其中内测力环和外固定环与分支轴线垂直的平面包络而成环形多面体，内测力环的内表面设有螺纹，外固定环上表面设有若干通孔，通过螺栓可以与外界载荷联接。承载分支为大刚度梁，其两端分别与内测力环的外侧和外固定环的内侧固连，检测分支每两个一组设在承载分支之间，其两端通过弹性球铰与内测力环的外侧和外固定环的内侧相连，每个检测分支的中部贴有应变片。上述传感器可以是一体式或装配式结构。本发明结构可靠、刚度高、量程大、具有容错性能，可广泛应用于航空航天、军事、核工业、机器人、汽车六维轮力测量等多种需要大量程、高可靠性传感器的六维力测量环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种力传感器，特别是涉及一种并联结构六维力传感器。
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。大量程、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刚度、灵敏度、分辨率、量程、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，圆筒结构等。以上所列举的传感器结构，皆为一体化结构，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上的，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范围较窄的缺点。
基于Stewart并联机构的六维力传感器采用球铰的连接方式，依靠并联机构力学解耦方式实现输出解耦，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。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，但是仍有缺陷：其被测量力全部由检测分支承载，由于分支刚度，尤其是铰链连接刚度有限大大制约了传感器的整体刚度，在材料一定的条件下，只能通过增加尺寸的办法来提高传感器刚度，但这种改善会使得传感器灵敏度降低、测量特性变差，使得传感器无法适用于大量程力的可靠测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种量程大、可靠性高、容错性能好和模块化程度高的容错式大量程并联六维力传感器。
本发明的技术方案如下：
本发明为内外环形结构，主要包括外固定环、内测力环、六个以上检测分支以及三个或四个承载分支。其中内测力环和外固定环与分支轴线垂直的平面包络而成环形多面体，以便于加工，内测力环的内表面设有螺纹，外固定环上表面设有若干通孔，通过螺栓可以与外界载荷联接。承载分支为大刚度梁，其两端分别与内测力环的外侧和外固定环的内侧固连，主要承载被测量力，它使得传感器刚度增加，显著实现并联结构传感器在保证测量特性下的刚度提升，以承载大量程外力。检测分支每两个一组设在承载分支之间，其两端通过弹性球铰与内测力环的外侧和外固定环的内侧相连，每个检测分支的中部贴有应变片，通过增加冗余检测分支，当发生检测分支测量失效时，传感器仍能对外力进行精确的测量，即使传感器具有了容错能力；另外将传感器由常见的上下平台式改进为内外环结构，使得其更方便与外界配合，结构尺寸更适合于多种加工应用场合。根据加工条件和性能要求，可以是上述一体式结构也可以是装配式结构，即在承载分支和检测分支的两端设分支连接端面，该端面的两端设有螺钉，通过螺钉使分支与内测力环和外固定环连接，检测分支两端通过弹性球铰与上述分支连接端面相连。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、提高了整体刚度，使其可以适用于大力测量；
2、具有冗余检测分支（测量分支数大于六），当其中的一个或多个分支发生故障或错误时，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。
3、提高了系统的适用范围和信息利用率，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，可广泛应用于航空航天、军事、核工业、机器人、汽车六维轮力测量等多种需要大量程、高可靠性传感器的六维力测量环境。
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
在图1所示的容错式大量程并联六维力传感器结构示意简图中，内测力环和外固定环与分支轴线垂直的平面包络而成环形多面体，内测力环2的内表面设有螺纹，外固定环1设有若干通孔，通过螺栓可以与外界载荷联接。承载分支3为大刚度梁，其两端分别与内测力环的外侧和外固定环的内侧固连；检测分支4每两个一组设在承载分支之间，其两端通过弹性球铰5与内测力环的外侧和外固定环的内侧相连，每个检测分支的中部贴有应变片。这种一体式结构需一次加工成型，对加工条件要求较高，但制成的传感器无间隙、滞后小、性能优越。
在图2所示的容错式大量程并联六维力传感器结构示意简图中，在承载分支和检测分支的两端设分支连接端面6，该分支块的两端设有螺钉7，通过螺钉使分支与内测力环和外固定环连接。检测分支每两个一组设在承载分支之间，其两端通过弹性球铰与上述分支连接端面相连，其它构件和连接关系与实施例1相同。这种装配式结构加工和装配更方便。
Claims (2)
1.一种容错式大量程并联结构六维力传感器，主要包括外固定环、内测力环、六个以上检测分支以及三个或四个承载分支，其特征在于：该传感器为一体式结构，其内测力环和外固定环与分支轴线垂直的平面包络而成环形多面体，内测力环的内表面设有螺纹，外固定环上设有若干通孔，承载分支为大刚度梁，其两端分别与内测力环的外侧和外固定环的内侧固连，检测分支每两个一组设在承载分支之间，其两端通过弹性球铰与内测力环的外侧和外固定环的内侧相连，每个检测分支的中部贴有应变片。
2.根据权利要求1所述的容错式大量程并联六维力传感器，其特征在于：上述传感器为装配结构，即在上述承载分支和检测分支的两端设分支连接端面，该端面的两端设有螺钉，通过螺钉是分支与内测力环和外固定环连接，检测分支两端通过弹性球铰与上述分支连接端面相连。
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