CN103674385A - 一种新型六维力传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六维力传感器装置，用于力的测量领域，实现两物体在碰撞过程中力的测量，包括上平台，下平台，三个上安装板，三个下安装板，六根螺杆以及六个感应片，在平台上安装三个上安装板，在下平台上对应安装三个下安装板；通过在每个上安装板以及每个下安装板中设置两个球窝并在每个球窝中装入球头，球头与螺杆连接，使得上安装板与下安装板通过六根螺杆支持固定，在六根螺杆上各安装一感应片，通过其感应螺杆的形变来实现测力。此装置通过球铰连接螺杆使螺杆为二力杆，不存在力的耦合，且结构简单、通用性强，特别适用于空间两飞行器在接触、碰撞过程中的测力。

Description

一种新型六维力传感器装置

技术领域

本发明涉及一种六维力传感器装置，尤其是可实现空间两飞行器在接触、碰撞过程中六维力测量的装置。

背景技术

六维力传感器装置主要应用于力的测量领域，实现两物体在碰撞过程中力的测量。目前，国内、外类似的装置一般比较复杂，存在力的耦合，且无过渡通道，主要应用于地面环境。国外空间环境下用于两飞行器对接过程中六维力的测量装置，为分体式结构，结构复杂、刚度小，而且通用性差，安装调试复杂。针对空间两飞行器在接触、碰撞过程中的测力需要，业界特别希望研发出结构简单且便于安装调试的六维力传感器装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型六维力传感器装置，以使其结构简单且便于安装调试，特别适用于空间两飞行器在接触、碰撞过程中的测力。

为了实现上述目的，本发明提供一种新型六维力传感器装置，包括上平台、下平台、三对安装板，六根螺杆，六个左旋球头、六个右旋球头以及六个感应片，其中：

所述三对安装板中的每一对安装板均包括一上安装板以及一下安装板，在所述上安装板上设有上左旋球窝以及上右旋球窝，在所述下安装板上设有下左旋球窝以及下右旋球窝；所述上左旋球窝中以及所述下左旋球窝中均装有所述左旋球头；所述下右旋球窝中以及所述下右旋球窝中均装入所述右旋球头；且所述左旋球头以及所述右旋球头均通过锁紧装置锁紧固定在安装板内；

在所述上平台上均匀安装固定所述三对安装板中的上安装板，使得所述上安装板上的所述三个左旋球头以及所述三个右旋球头的球心均落在第一圆上，在所述下平台上均匀安装固定所述三对安装板中的下安装板，且所述三对安装板中每对安装板中所述下安装板与其上安装板相对应；使得所述下安装板上的所述三个左旋球头以及所述三个右旋球头的球心均落在第二圆上，且所述第一圆的圆心与所述第二圆的圆心上下对应；且所述上左旋球窝与所述下右旋球窝相对应，所述上右旋球窝与所述下左旋球窝相对应；

在所述三对安装板的每对安装板中均安装有所述六根螺杆中的两根螺杆，所述六根螺杆中每根螺杆的一端为左旋螺纹，另一端为右旋螺纹，且其中间部分没有螺纹，在其没有螺纹处装有一感应片；在所述左旋球头以及所述右旋球头内部均设有用于连接所述螺杆的螺纹孔，在所述上左旋球窝、所述下左旋球窝、所述上右旋球窝以及所述下右旋球窝的底部中心均设有用于穿过所述螺杆的安装孔，且在所述两根螺杆中一根螺杆的一端穿过所述上左旋球窝安装孔并与其中的左旋球头拧紧固定，另一端穿过所述下右旋球窝安装孔并与其中的右旋球头拧紧固定，在所述两根螺杆中的另一根螺杆的一端穿过所述下左旋球窝安装孔并与其中的左旋球头拧紧固定，另一端穿过所述上右旋球窝安装孔并与其中的右旋球头拧紧固定，通过所述六根螺杆的支持，使所述上平台与所述下平台保持平行。

作为优选地，通过六个锁紧螺母分别将所述左旋球头以及所述右旋球封装固定在所述安装板内。 

作为优选地，所述上安装板通过螺钉和垫片固定在所述上平台，所述下安装板通过螺钉和垫片固定在所述下平台。

作为优选地，所述上安装板、所述下安装板、所述上平台以及所述下平台上均设有定位孔，且所述上安装板和上平台之间以及所述下安装板和下平台之间均通过定位销来固定其相对位置。

作为优选地，所述左旋球头以及所述右旋球头与所述锁紧装置固定的一端呈平面状。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下的优点和积极效果：

1）本发明提供的一种新型六维力传感器装置，通过压紧螺母将球头封装入安装板，球头中的螺纹与螺杆拧紧固定以及螺钉和垫片来固定安装板使六维传感器装置易安装和调试。

2）本发明提供的一种新型六维力传感器装置，结构简单、通用性强，特别适用于空间两飞行器在接触、碰撞过程中的测力。

3）本发明提供的一种新型六维力传感器装置，通过球铰连接螺杆使螺杆为二力杆，通过感应片测得螺杆形变的趋势来测力，不存在力的耦合。 

附图说明

图1为本发明一种新型六维力传感器装置的结构示意图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明一种六维力传感器装置上安装板的俯视图；

图4为图3的正视图；

图5为图3的A-A线剖面图；

图6为本发明一种六维力传感器装置下安装板的俯视图；

图7为图6的正视图；

图8为图6的B-B线剖面图；

图9为本发明一种六维力传感器装置中螺杆的示意图；

图10为本发明一种六维力传感器装置中锁紧螺母的示意图；

图11为本发明一种六维力传感器装置中左旋球头或右旋球头的示意图。

具体实施方式

下面参照附图和具体实施例来进一步说明本发明。

如附图1-11所示，本发明提供的一种新型六维力传感器装置，包括上平台1、下平台2以及三对安装板，六根螺杆8，六个左旋球头5，六个右旋球头6以及六个感应片9。

三对安装板的每一对安装板均包括一上安装板以及一下安装板，其上安装板分别为第一上安装板11、第二上安装板12以及第三上安装板13，其对应的下安装板分别为第一下安装板21、第二下安装板22以及第三下安装板23。

在上平台1上均匀安装第一上安装板11、第二上安装板12以及第三上安装板13，使得上安装板上的三个左旋球头以及三个右旋球头的球心均落在第一圆14上，在下平台上对应地安装第一下安装板21、第二下安装板22以及第三下安装板23，使得下安装板上的三个左旋球头以及三个右旋球头的球心均落在第二圆24上，且第一圆14的圆心与第二圆24的圆心上下对应；作为优选地，上安装板通过螺钉102和垫片103固定在上平台上，下安装板也通过螺钉102和垫片103固定在上平台上。第一上安装板11、第二上安装板12以及第三上安装板13上均设有上左旋球窝31以及上右旋球窝32，在第一下安装板21、第二下安装板22以及第三下安装板23上均设有下左旋球窝41以及下右旋球窝42。

在同一对安装板中的上左旋球窝31与下右旋球窝42的位置对应，上右旋球窝41与下左旋球窝32的位置对应；且通过在上左旋转球窝31以及下左旋转球窝41中均装有一左旋球头5，使左旋球头5与左旋球头5所放入的安装板之间呈球铰连接，并通过最为优选的锁紧螺母7将左旋球头51锁紧固定在安装板内；通过在上右旋球窝32以及下右旋球窝42里均装有一右旋球头6，使右旋球头6与右旋球头6所放入的安装板之间呈球铰连接，并通过作为优选的锁紧螺母7将右旋球头6锁紧在安装板内。左旋球头5以及右旋球头6与锁紧螺母7固定的一端采用优选的平面状，使得左旋球头以及右旋球头的锁紧更加牢靠。

上平台上的圆与下平台上的第二圆24间的具体距离以及两圆的半径可根据应用场合的不同以及灵敏度的不同做进一步的限定，但限定其第一圆14与第二圆24的半径为不同的。一上安装板的上左旋球头球心以及上右旋球头球心分别与第一圆14的圆心连线形成夹角15，与同一对安装板中下安装板的下左旋球头球心以及下右旋球头球心分别与第二圆24的圆心连线形成夹角16，其夹角15和夹角16也是不同。

应理解，本发明并没有对上安装板的上左旋球窝以及上右旋球窝的放置顺序做限定，在所述新型六维力传感器中，第一上安装板11、第二上安装板12以及第三上安装板13上可以都是顺时针方向设置上左旋球窝和上右旋球窝，也可以逆时针方向设置，也可以有些顺时针方向设置有些逆时针方向设置，而如上所述，下安装板上的下左旋球窝以及下右旋球窝的位置则由上安装板限定。参见附图3，本实施例中采用逆时针方向设置第一上安装板11、第二上安装板12以及第三上安装板13上的上左旋球窝以及上右旋球窝的方式。

在三对安装板的每对安装板中均安装有两根螺杆8，分别是第一螺杆和第二螺杆，螺杆8的一端为左旋螺纹，另一端为右旋螺纹，且其中间部分没有螺纹，在其没有螺纹处装有一感应片9；在左旋球头5以及右旋球头6内部均设有用于连接螺杆的螺纹孔10，在上左旋球窝31、下左旋球窝41、上右旋球窝32以及下右旋球窝42的底部中心均设有用于穿过螺杆的安装孔101，且在第一螺杆的一端穿过上左旋球窝31的安装孔并与其中的左旋球头5拧紧固定，另一端穿过下右旋球窝42的安装孔并与其中的右旋球头6拧紧固定，在第二螺杆的一端穿过下左旋球窝41安装孔并与其中的左旋球头5拧紧固定，另一端穿过上右旋球窝32的安装孔并与其中的右旋球头6拧紧固定，通过六根螺杆8的支持，使上平台1与下平台2保持平行。其中上安装板和上平台以及下安装板和下平台还分别通过定位销111来固定相对位置。

该新型六维力传感器装置的具体安装步骤如下，下述规定值可根据测力的对象和精度等因素确定： 

1.将第一上安装板、第二上安装板以及第三上安装板均匀安装在上平台上，调整安装位置，并使得三块上安装板的安装位置满足要求，之后将螺钉102和垫片103拧紧；

2.对应的将第一下安装板、第二下安装板以及第三下安装板安装在下平台上，调整安装位置，并使得三块下安装板的安装位置满足要求，之后将螺钉102和垫片103拧紧；

3.将上平台和下平台固定在六维力传感器调试工装上，并保证上平台上左旋球头以及右旋球头的圆心所在平面和下平台上左旋球头以及右旋的圆心所在的平面平行；

4.将六根螺杆分别插入上平台和下平台的对应孔中，并移动专用工装，使得上平台和下平台两相邻平面之间的距离达到规定值；

5.将不相邻的三根螺杆用三个左旋球头和三个右旋球头可靠固定，即球头的球面与其放入的球窝可靠接触，使三根螺杆受拉力达到规定值；

6.安装锁紧螺母，并压紧左旋球和右旋球，使拧紧力矩达到规定值；

7.移动工装，使得上平台与下平台相互靠近，三根螺杆受压，当三根螺杆受压力达到规定值后，停止运动；

8.将另外不相邻的三根螺杆用另外三个左旋球和三个右旋球可靠固定，即球头的球面与其放入的球窝可靠接触，使此三根螺杆受拉力达到规定值；

9.安装锁紧螺母，并压紧左旋球和右旋球，使拧紧力矩达到规定值；

10. 之后释放工装的上、下平台之间的压紧力，则六根螺杆的受力会自动重新分配；

11.在上安装板与上平台之间、下安装板和下平台之间打定位孔，并安装定位销，通过安装定位销，下一次的安装使用时不需要调试便可以找到符合规定精度的安装位置，不需要再一次调试。

通过压紧螺母将球头封装入安装板，球头中的螺纹与螺杆拧紧固定以及螺钉和垫片来固定安装板使六维传感器装置易安装和调试。

下面将结合附图对本发明工作过程进行描述。

将六维力传感器下平台固定在某物体上，当在上平台施加一未知外载荷F(x,y,z,φ,ψ,θ)，则该外载荷会传递到六根螺杆上，六根螺杆受力后产生变形，通过粘贴在螺杆上的应变片连接数据采集设备，可分别测得六根螺杆的受力情况fi(i=1,2…6)。由于螺杆两端为球铰连接，因此六根螺杆均为二力杆。利用雅克比矩阵，可以计算得出外载荷F(x,y,z,φ,ψ,θ)。

上述可见，本发明的六维力传感器装置，可实现空间六维力的测量，且不存在力的耦合。结构简单、易安装和调试，通用性强，特别适用于空间两飞行器在接触、碰撞过程中的测力。通过球铰连接螺杆使螺杆为二力杆，使其不存在力的耦合。 

上述公开的仅为本发明的具体实施例，该实施例只为更清楚的说明本发明所用，而并非对本发明的限定，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在保护范围内。

Claims (5)

1. 一种新型六维力传感器装置，其特征在于，包括上平台、下平台、三对安装板，六根螺杆，六个左旋球头、六个右旋球头以及六个感应片，其中：

所述三对安装板中的每一对安装板均包括一上安装板以及一下安装板，在所述上安装板上设有上左旋球窝以及上右旋球窝，在所述下安装板上设有下左旋球窝以及下右旋球窝；所述上左旋球窝中以及所述下左旋球窝中均装有所述左旋球头；所述下右旋球窝中以及所述下右旋球窝中均装入所述右旋球头；且所述左旋球头以及所述右旋球头均通过锁紧装置锁紧固定在安装板内；

在所述上平台上均匀安装固定所述三对安装板中的上安装板，使得所述上安装板上的所述三个左旋球头以及所述三个右旋球头的球心均落在第一圆上，在所述下平台上均匀安装固定所述三对安装板中的下安装板，且所述三对安装板中每对安装板中下安装板与其上安装板相对应，使得所述下安装板上的所述三个左旋球头以及所述三个右旋球头的球心均落在第二圆上，且所述第一圆的圆心与所述第二圆的圆心上下对应；且所述上左旋球窝与所述下右旋球窝相对应，所述上右旋球窝与所述下左旋球窝相对应；

在所述三对安装板的每对安装板中均安装有所述六根螺杆中的两根螺杆，所述六根螺杆中每根螺杆的一端为左旋螺纹，另一端为右旋螺纹，且其中间部分没有螺纹，在其没有螺纹处装有一感应片；在所述左旋球头以及所述右旋球头内部均设有用于连接所述螺杆的螺纹孔，在所述上左旋球窝、所述下左旋球窝、所述上右旋球窝以及所述下右旋球窝的底部中心均设有用于穿过所述螺杆的安装孔，且在所述两根螺杆中一根螺杆的一端穿过所述上左旋球窝安装孔并与其中的左旋球头拧紧固定，另一端穿过所述下右旋球窝安装孔并与其中的右旋球头拧紧固定，在所述两根螺杆中的另一根螺杆的一端穿过所述下左旋球窝安装孔并与其中的左旋球头拧紧固定，另一端穿过所述上右旋球窝安装孔并与其中的右旋球头拧紧固定，通过所述六根螺杆的支持，使所述上平台与所述下平台保持平行。

2.如权利要求1所述的一种新型六维力传感器装置，其特征在于，所述锁紧装置为锁紧螺母。

3.如权利要求1所述的一种新型六维力传感器装置，其特征在于，所述上安装板通过螺钉和垫片固定在所述上平台上，所述下安装板通过螺钉和垫片固定在所述下平台上。

4.如权利要求1所述的一种新型六维力传感器装置，其特征在于，所述上安装板、所述下安装板、所述上平台以及所述下平台上均设有定位孔，且所述上安装板和上平台之间以及所述下安装板和下平台之间均通过定位销来固定其相对位置。

5.如权利要求1或2所述的一种新型六维力传感器装置，其特征在于，所述左旋球头以及所述右旋球头与所述锁紧装置固定的一端呈平面状。

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