CN103091026B - 并联结构六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及力传感器设计制造领域,特别是涉及一种可实现部分解耦的并联结构六维力传感器。包括固定平台,测力平台,柱体,检测分支,固定平台水平设置,测力平台与固定平台呈平行状态设置;检测分支上设有应变片,检测分支的两端分别装有弹性球铰;检测分支设有两组,每组三个,其中一组检测分支呈垂直状态设置,另一组检测分支呈水平状态设置;呈垂直状态设置的检测分支两端分别通过弹性球铰与固定平台和测力平台连接;呈水平状态设置的检测分支置于测力平台上。具有如下优点:结构简单,加工方便,测量原理简便;可实现六维外力测量的部分解耦;便于应用,适用场合广泛。

Description

并联结构六维力传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及力传感器设计制造领域,特别是涉及一种可实现部分解耦的并联结构六维力传感器,可对作用在其上的空间三维力分量和三维力矩分量进行测量。
背景技术
[0002] 六维力传感器是一种能够同时检测空间内三维力信息和三维力矩信息的一类力传感器。可用于监测方向和大小不断变化的力,使机器人能够完成力/位置控制、轮廓跟踪、轴孔配合、双臂协调等复杂的操作任务。随着技术的发展,六维力传感器已广泛用于国防科技和工业生产等各个领域。
[0003]自从20世纪70年代以来,六维力传感器一直被国内外众多学者所关注,成为国际热点研宄课题之一,先后有多种不同材料,不同构型的六维力传感器发明问世,并逐渐走向产品化。在六维力传感器的设计中,敏感元件的形式和布置很大程度上决定了传感器性能的优劣,不仅影响到精度、灵敏度、线性度、刚度等性能指标,而且传感器的结构也受到不同应用场合的限制。现有的六维力传感器的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,双E型膜片结构等。以上所述六维力传感器均为一体式结构,这种结构存在共同的问题就是各测量敏感部位等都存在一定程度的力耦合,即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,无法实现完全解耦,从一定程度上影响了其测试精度,因此这种弹性体的设计存在测试对象较窄的缺点。
[0004] 基于Stewart并联机构的六维力传感器采用球铰的连接方式,敏感元件(应变片或压电石英等)置于测量分支杆上,由机构的静力学分析可知,在外力施加到Stewart并联结构力传感器上时,其各测量分支敏感元件之间不存在应力耦合,因此不需要通过改变贴片方式进行解耦。另外,Stewart并联机构以其固有的优点,如刚度大、结构稳定、承载能力高、无误差积累、逆解求解容易等,成为一类非常成功的六维力传感器结构实现形式。
[0005] 中国专利ZL99102421.4公开了一种基于弹性球铰的并联结构六维力传感器,采用弹性球铰代替普通球铰,消除了普通球铰存在的间隙和摩擦。中国专利ZL99119320.2公开了一种解耦的并联机构六维力传感器,六个弹性体分为三组,每组两个分别沿三个相互垂直的方向布置,并且各组弹性体轴线构成的平面互相垂直,从结构上实现六维力与力矩解耦。中国专利ZL99102526.1公开了一种整体预紧平台式六维力传感器,在Stewart并联结构的基础上,采用球窝锥头式球面副代替传统球副并增加中间预紧分支,有效减小了球面副的接触面积,提高了传感器的整体刚度。中国专利ZL200810054640.5和ZL200810054666.x分别公开了一种具有六分支的弹性铰并联6-UPS和6-UPUR六维测力平台,使得该类传感器比弹性球铰结构的传感器可承受较大的载荷。
[0006] 以上的几类并联结构六维力传感器中,敏感元件大多在空间布置,而且结构较为复杂,加工难度大,因此能够应用于实际生产中产品化的六维力传感器还比较少。
发明内容
[0007] 为了克服现有六维力传感器存在的上述不足,本发明提供一种并联结构六维力传感器,该传感器能够检测三维空间的力与力矩。
[0008] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009] 一种并联结结构六维力传感器,包括固定平台,测力平台,柱体,检测分支,固定平台水平设置,测力平台与固定平台呈平行状态设置;检测分支上设有应变片,检测分支的两端分别装有弹性球铰;所述检测分支设有两组,每组三个,其中一组检测分支呈竖直状态设置,另一组检测分支呈水平状态设置;呈竖直状态设置的检测分支两端分别通过弹性球铰与固定平台和测力平台连接;呈水平状态设置的检测分支置于测力平台上。
[0010] 本发明与现有六维力传感器相比具有如下优点:结构简单,加工方便,测量原理简便;可实现六维外力测量的部分解耦;便于应用,适用场合广泛。
[0011] 本发明的优选方案是:
[0012] 所述测力平台上设有中心孔,呈水平状态的检测分支置于中心孔内,该检测分支的一端通过弹性球铰与测力平台的中心孔壁连接,该检测分支的另一端与置于中心孔内的柱体连接;柱体的底端与固定平台连接。
[0013] 所述中心孔呈三角形结构。
[0014] 所述呈竖直状态的检测分支均布于同一圆柱面上。
[0015] 所述呈水平状态的检测分支置于同一平面内,且三个检测分支所在的轴线围成三角形结构。
[0016] 中心孔呈等边三角形结构。
[0017] 柱体呈三棱形结构。
[0018] 所述应变片置于检测分支侧表面。
[0019] 所述三个检测分支所在的轴线围成的三角形结构是等边三角形结构。
附图说明
[0020] 图1是并联结构六维力传感器的立体结构示意图。
[0021] 图2是并联结构六维力传感器的俯视图。
[0022] 图中:测力平台1,检测分支2,弹性球铰3,柱体4,固定平台5。
具体实施方式
[0023] 本实施例中的六维力传感器由测力平台1、柱体4、固定平台5以及六个检测分支2组成。
[0024] 固定平台5水平设置,测力平台I与固定平台5呈平行状态设置;检测分支2上设有应变片,应变片用于测量其上所受的轴向拉压力;应变片置于检测分支2侧表面。
[0025] 检测分支2的两端分别装有弹性球铰3。
[0026] 检测分支2设有两组,每组三个,其中一组检测分支2垂直于固定平台5呈竖直状态设置,另一组检测分支2呈水平状态设置;呈竖直状态设置的检测分支两端分别通过弹性球铰3与固定平台5和测力平台I连接;呈水平状态设置的检测分支2置于测力平台I上。
[0027] 测力平台I上设有中心孔,中心孔呈等边三角形结构。
[0028] 呈水平状态的检测分支2置于中心孔内,检测分支2的一端通过弹性球铰3与测力平台I的中心孔壁连接,检测分支2的另一端与置于中心孔内的柱体4连接;柱体4的底端与固定平台5连接;柱体4呈三棱形结构。
[0029] 呈竖直状态的检测分支2均布于同一圆柱面上。呈水平状态的检测分支2置于同一水平面上,且三个检测分支2所在的轴线围成等边三角形结构;三角形的中心与坐标系的中心点重合。
[0030] 当外力为对卩〗方向力、2方向力距时,外力方向与竖直检测分支的轴线方向垂直,因此可分别由三个水平布置的检测分支来测量。当外力为彷向力、对卩彷.向力矩时,夕卜力方向与水平检测分支的轴线方向垂直,此时可分别由三个竖直检测分支来测量,这样就实现了六维外力测量,而且六维方向力是部分解耦的。
[0031] 由于检测分支2两端均为弹性球铰,只能承受轴向拉压力,因此外力施加到测力平台上时各检测分支2之承受轴向拉压力,可通过六个检测分支2所受轴向力来求得六维外力。当对卩彷■向力、^方向力距作用到传感器测力平台I上时,可由水平放置的三个检测分支2唯一确定。当•向力、对P彷■向力矩作用到传感器测力平台I上时,可由竖直放置的三个检测分支2唯一确定。
[0032] 本发明可应用于机器人、工业生产、航空航天技术等多种需要六维力测量的领域;从微小型到大型传感器都可由该结构实现。
[0033] 本发明不限于上述实施例所列举,还可以将柱体做成等边的六边形结构,在六边形的三个面上装上耳座,在耳座上连接弹性球铰3;同样视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种并联结构六维力传感器,包括固定平台,测力平台,柱体,检测分支,固定平台水平设置,测力平台与固定平台呈平行状态设置;其特征在于:检测分支上设有应变片,检测分支的两端分别装有弹性球铰;所述检测分支设有两组,每组三个,其中一组检测分支呈垂直状态设置,另一组检测分支呈水平状态设置;呈垂直状态设置的检测分支两端分别通过弹性球铰与固定平台和测力平台连接;呈水平状态设置的检测分支置于测力平台上;所述测力平台上设有中心孔,呈水平状态的检测分支置于中心孔内,该检测分支的一端通过弹性球铰与测力平台的中心孔壁连接,该检测分支的另一端与置于中心孔内的柱体连接;柱体的底端与固定平台连接;所述中心孔呈三角形结构;所述呈垂直状态的检测分支均布于同一圆周上;所述呈水平状态的检测分支置于同一圆周上,且三个检测分支所在的轴线围成三角形结构;中心孔呈等边三角形结构。
2.根据权利要求1所述的并联结构六维力传感器,其特征在于:柱体呈三棱形结构。
3.根据权利要求1所述的并联结构六维力传感器,其特征在于:所述应变片置于检测分支侧表面。
4.根据权利要求1所述的并联结构六维力传感器,其特征在于:所述三个检测分支所在的轴线围成的三角形结构是等边三角形结构。
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