CN103487194A - 正交解耦六维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及力传感器设计制造领域，特别是涉及一种正交解耦六维力传感器。它
包括固定平台，测力平台，检测分支，应变片，固定平台和测力平台两者呈平行状态布置，固定平台和测力平台之间设置有一组呈竖直状态的检测分支；固定平台和测力平台分别呈圆盘形结构，测力平台的中心设置有四边形通孔，四边形通孔内设置有立柱，立柱的另一端与固定平台连接；立柱上装有一组呈水平状态的检测分支，水平状态的检测分支另一端与四边形通孔的孔壁连接。
本发明具有如下优点：结构简单，测量原理简便，整体刚度大；各检测分支均为平行或垂直分布，可对六维外力实现解耦测量。
Description
技术领域
本发明涉及力传感器设计制造领域，特别是涉及一种正交解耦六维力传感器。
背景技术
六维力传感器以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为非常重要的一类传感器，在航空航天、机械加工、汽车制造、智能化机器人等领域具有重要的应用价值，其应用已涵盖国防科技和民用工业的各个领域。因此，高精度、高灵敏度且能够适应一定环境的六维力传感器十分急需并具有非常广阔的应用前景。
经典的Stewart平台机构上下平台均为六角形，再由六个移动分支两端通过球面副与六角形的各顶点联接，组成六自由度的并联机构。该并联机构在某一位形下，将六个分支中的移动副替换为单维力传感器，此时动平台所受的六维外力与六个分支单维力传感器所受力之间存在一一对应的关系。众多学者采用这一特性，将Stewart并联结构应用到六维力传感器设计当中。并联式六维力传感器在发挥了并联结构承载能力大、刚度大、结构紧凑、布置灵活、无误差积累等优点的同时，有效地改善了一体式六维力传感器敏感元件耦合严重的问题。
众多学者提出了多种形式的并联式六维力传感器结构。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ZL200810054666.x公开了一种具有六分支的弹性铰并联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。中国专利201110277378.2公开了一种含弹性整体运动副的三腿并联解耦测六维力传感器。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结构还比较少。
发明内容
本发明提供一种正交解耦六维力传感器，该传感器不仅能够检测三维空间的力与力矩，同时还具有结构简单、加工方便、测量原理简便、布局合理以及方便应用等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种正交解耦六维力传感器，包括固定平台，测力平台，检测分支，应变片，固定平台和测力平台两者呈平行状态布置，固定平台和测力平台之间设置有一组呈竖直状态的检测分支；固定平台和测力平台分别呈圆盘形结构，测力平台的中心设置有四边形通孔，四边形通孔内设置有立柱，立柱的另一端与固定平台连接；立柱上装有一组呈水平状态的检测分支，水平状态的检测分支另一端与四边形通孔的孔壁连接。
本发明与现有六维力传感器相比具有如下优点：
1. 本发明的六维力传感器结构简单，测量原理简便，整体刚度大；
2. 本发明的六维力传感器各检测分支均为平行或垂直分布，可对六维外力实现解耦测量；
3. 本发明的六维力传感器结构便于加工和应用，适用场合广泛，从微小型到大型传感器都可由该结构实现。
本发明的优选方案是：
立柱呈等截面的十字形结构。
竖直状态的检测分支的两端通过弹性球铰分别与固定平台和测力平台连接；水平状态的检测分支的两端通过弹性球铰分别与四边形通孔的孔壁和立柱连接。
一组呈水平状态的检测分支中，所有检测分支的轴线均位于同一平面内。
一组呈竖直状态的检测分支均布设置为四个。
一组呈水平状态的检测分支设置为四个并位于同一圆周上，该四个水平检测分支位于所在圆周的同一回旋方向的切线上。
四边形通孔是正方形通孔。
立柱底端与固定平台固接。
固定平台和测力平台两者呈等直径结构并同心设置。
附图说明
图1是正交解耦六维力传感器的结构示意图。
图2是正交解耦六维力传感器测量分支布局图。
图中：测力平台1，竖直检测分支2，弹性球铰3，立柱4，水平检测分支5，固定平台6。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详述本发明：
本实施例中，测力平台1和固定平台6均为平板结构，且相互平行放置，测力平台1中心处开有正方形通孔。立柱4的底端与固定平台6固连。立柱4呈等截面的十字形结构；立柱4的横、纵两条边长相等；固定平台6和测力平台1两者呈等直径结构并同心设置。
一组竖直检测分支2以立柱4的轴线为中心均布设置为四个，每个竖直检测分支2分别由M1、M2、M3和M4表示，如图2中所示。每个竖直检测分支2的两端通过弹性球铰3分别与测力平台1和固定平台6连接。
一组水平检测分支5设置为四个并位于同一圆周上，该四个水平检测分支5位于所在圆周的顺时针方向的切线上。四个水平检测分支5所在的轴线围成一个正方形。每个水平检测分支分别由M5、M6、M7和M8表示，如图2中所示。
每个水平检测分支5的两端通过弹性球铰3分别与正方形的孔壁和十字形立柱4的四条边连接。
水平检测分支5和竖直检测分支2只承受轴向拉力。每个水平检测分支5和每个竖直检测分支2上分别设置有应变片，组成测量电桥来检测其上所受的轴向力。
当作用在测力平台1上的力为X和Y方向力、Z方向力距时，可由四个水平检测分支5确定，其中X方向力由图2中所示的水平检测分支5中的M5和M7测得；Y方向力由水平检测分支5中的M6和M8测得；Z方向力距由M5、M6、M7、M8分支测得。当作用在测力平台1上的力为Z方向力、X和Y方向力距时，可由竖直检测分支2确定，其中Z方向力由M1、M2、M3、M4分支测得；X方向力距由M2和M4分支测得；Y方向力距由M1和M3分支测得。最终该传感器实现了对空间六维力的解耦测量。
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。
本发明的工作原理为：该六维力传感器的竖直和水平检测分支两端为弹性球铰，因此其上只承受轴向拉压力。每个检测分支上贴有应变片，可测量该分支上所受的轴向拉压力，最终可由检测分支受力与测力平台受力的映射关系来求得作用在测力平台上的六维外力。由于测量分支为竖直或水平放置，且它们为平行或正交布置，因此该六维力传感器对空间六维力的测量是解耦的。
Claims (9)
1.一种正交解耦六维力传感器，包括固定平台，测力平台，检测分支，应变片，其特征在于：固定平台和测力平台两者呈平行状态布置，固定平台和测力平台之间设置有一组呈竖直状态的检测分支；固定平台和测力平台分别呈圆盘形结构，测力平台的中心设置有四边形通孔，四边形通孔内设置有立柱，立柱的另一端与固定平台连接；立柱上装有一组呈水平状态的检测分支，水平状态的检测分支另一端与四边形通孔的孔壁连接。
2.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：立柱呈等截面的十字形结构。
3.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：竖直状态的检测分支的两端通过弹性球铰分别与固定平台和测力平台连接；水平状态的检测分支的两端通过弹性球铰分别与四边形通孔的孔壁和立柱连接。
4.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：一组呈水平状态的检测分支中，所有检测分支的轴线均位于同一平面内。
5.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：一组呈竖直状态的检测分支均布设置为四个。
6.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：一组呈水平状态的检测分支设置为四个并位于同一圆周上，该四个水平检测分支位于所在圆周的同一回旋方向的切线上。
7.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：四边形通孔是正方形通孔。
8.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：立柱底端与固定平台固接。
9.根据权利要求1所述的正交解耦六维力传感器，其特征在于：固定平台和测力平台两者呈等直径结构并同心设置。
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