CN104406736B - 一种组合式小型多维力传感器标定加载装置 - Google Patents

Abstract

一种组合式小型多维力传感器标定加载装置，其主要包括工作台、垂直竖框、水平横框、垂直加载单元、连接螺栓和水平加载单元，两个垂直竖框下端分别连接在工作台两侧，其上端分别与水平横框连接，在上述两个垂直竖框的框壁上均设有三个长形通孔，水平加载单元通过螺钉穿过垂直竖框的长条形的孔连接在垂直竖框上，上述水平横框上设有三排通孔，每排为三个长形通孔，垂直加载单元通过螺钉连接在水平横框上。所述垂直加载单元和水平加载单元主要传感器座、一维拉压力传感器、球杆、螺杆和连接螺钉组成。本发明结构简单紧凑，装配调试方便，易实现加载力连续可调；通过不同的组合方式可以实现空间六维力加载。

Description

一种组合式小型多维力传感器标定加载装置

技术领域

本发明涉及一种多维力传感器标定加载装置领域，特别是涉及该领域中适用于小型多维力传感器静态标定的加载装置。

背景技术

多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，其广泛应用于机器人手指、手爪研究；机器人外科手术研究；指力研究；牙齿研究；力反馈；刹车检测；精密装配、切削；复原研究；整形外科研究；产品测试；触觉反馈；示教学习。行业覆盖了机器人、汽车制造、自动化流水线装配、生物力学、航空航天、轻纺工业等领域。但多维力传感器在使用前需要进行加载标定实验，以确定传感器的输入输出关系，因此加载标定装置在传感器标定过程中十分重要。

多维力传感器的标定可分为两大类：第一类，用单维加载装置，通过不同工装，变换安装加载方式，依次实现各维力加载；第二类，研制专用多维力加载装置。目前研制的多维力加载装置一般专型专用，通用性较差，现有的标准砝码标定装置采用滑轮导向砝码加载，其多数通过滑轮调整载荷传递绳索与水平面之间的角度来改变载荷的方向，但其中间环节较多，角度也有一定的测量误差，滑轮与绳索之间也有一定的摩擦力，这些都会影响标定精度。同时现有使用砝码加载的方式不能实现任意力的连续加载而且标定实验劳动强度大。ZL201010103946.2公开了一种大型多维力传感器标定加载台，其采用液压缸进行加载，标定量程大加载精度高，且通过调节液压系统压力易实现加载力连续可调，但是其小载荷力加载不易实现且成本高、使用维护困难，因此不适合于小量程传感器进行加载标定。ZL200510050834.4公开了无极升降式六维力传感器标定装置，其采用大减速比减速器施加载荷，用滑轮无极升降机构调整升降滑轮的高度，可以得到连续不同载荷传递绳索与水平面之间的夹角，且夹角可通过倾角传感器精确检测，从而可准确计算出各向分解载荷，其可实现任意力的连续加载，但其使用了滑轮和绳索，也是通过滑轮调整载荷传递绳索与水平面之间的角度来改变载荷的方向，滑轮与绳索之间也有一定的摩擦力，这些都影响其标定精度。ZL200810024918.4公开了一种中等量程的六维力传感器标定装置，其通过转动回转台手柄，回转台转盘带动其上的转接板、六维力传感器和加载板一起转动，将不同质量和数量的砝码通过吊钩和绳索分别挂接在加载板的背面加力杆、正面加力杆和中心加力杆上，实现Fx、Fy、Mx、My、Mz的加载，将置有六维力传感器和加载板的转接板从回转台转盘上取下，置于工作台上凿有的圆形光孔里，标定Fz。其只适合于中等量程的六维力传感器进行标定和测试，不适合小量程多维力传感器加载标定。

因此，在多维力传感器标定加载领域，缺少一种通用性，且使用简单方便灵活，特别是适合于小型多维力传感器加载的标定装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑，装配调试方便；加载力连续可调；加载精度高；成本较低，特别适用于小型多维力传感器的组合式小型多维力传感器标定加载装置。

本发明包括有工作台、垂直竖框、水平横框、垂直加载单元、连接螺栓和水平加载单元，其中工作台上设有T字形凹槽，两个垂直竖框下端通过T形槽螺栓分别连接在工作台两侧的凹槽上，其上端通过连接螺栓分别与水平横框连接，在上述两个垂直竖框的框壁上均设有三个长形通孔，水平加载单元通过螺钉穿过垂直竖框的长条形的孔连接在垂直竖框上，通过长形通孔，水平加载单元可上下调整高度来适合多种不同高度的多维力传感器。上述水平横框上设有三排通孔，每排为三个长形通孔，垂直加载单元可通过螺钉连接在水平横框上。

所述垂直加载单元包括锁紧螺母、内六角螺钉A、垫板、传感器座A、一维拉压力传感器A、传感器安装螺钉A、球杆、套筒、双头螺柱。其中一维拉压力传感器A通过传感器的安装螺钉A与传感器座A固连，垫板上设有与上述水平横框任意一组相对应的三个通孔，两个内六角螺钉A分别穿过垫板上的左右通孔以及水平横框与垫板相对应的长条形通孔，通过螺纹与传感器座A连接，球杆穿过一维拉压力传感器A、传感器座A以及垫板和水平横框对应的通孔，通过锁紧螺母固定，上述球杆的球头穿过套筒的大口端，且其球头卡在套筒内，球头与套筒内部始终为线接触，套筒的下端与双头螺柱的上端通过螺纹连接，该双头螺柱的下端连接在多维力传感器的加载板上，可实现拉向力及压向力的解耦加载。

所述水平加载单元包括水平压头、螺杆、传感器安装螺钉B、一维拉压力传感器B、传感器座B、内六角螺钉B、锁紧螺母，其中一维拉压力传感器B通过传感器的安装螺钉B与传感器座B固连，左右两个传感器安装螺钉B分别穿过垂直竖框上的长条形通孔与传感器座B通过螺纹连接，用于固定水平加载单元与垂直竖框之间的相对位置，带有全螺纹的螺杆的一端设有锁紧螺母，其另一端穿过垂直竖框上中间的长条形通孔与一维拉压力传感器B通过螺纹连接，其端头与水平压头一端的内孔通过螺纹连接，该水平压头的另一端为半球形，其与多维力传感器上的压头为点接触，可实现压向力解耦加载。

本发明可以通过不同的组合方式实现空间六维力的加载。

本发明的工作原理：当垂直加载单元5实现垂直拉向力时，垂直加载单元中的球杆的球头卡在套筒内且与套筒为线接触，套筒通过双头螺柱连接在多维力传感器的加载板上，就可以通过转动球杆实现对多维力传感器拉向力的加载，反之，当实现垂直压向力时，垂直加载单元中的球杆的球头与套筒脱离，球头直接顶在一端与套筒连接另一端与多维力传感器连接的双头螺柱上，从而实现垂直压向力的加载，通过变换加载标定装置的位置及垂直加载单元的不同的组合可以实现Z向拉压力及绕X或Y轴的正负转矩的加载。水平加载单元只能实现压向力的加载，实现压向力加载时，水平压头的前端顶在多维力传感器的压头上，螺杆的一端通过螺纹连接于水平压头的内孔中，另一端通过螺纹与一维拉压力传感器B相连，通过转动螺杆可实现水平压头向前运动即实现了水平压向力的加载，其加载值可以通过一维拉压力传感器B读出。通过水平加载单元及垂直竖框的不同的布置方式可以实现X和Y的正负向力的加载以及围绕Z向的正负转矩的加载。因此，本装置可实现对多维力传感器XYZ向力的加载以及绕XYZ向转矩的加载。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、结构简单紧凑，装配调试方便，成本相对较低。

2、垂直加载单元和水平加载单元中分别通过球杆或螺杆与一维拉压力传感器螺纹连接，将加载单元固定在相应框架上可通过转动球杆或螺杆使用加载单元进行加载，且其加载值直接通过一维拉压力传感器读出，易实现加载力连续可调。

3、通过不同的垂直竖框、水平加载单元、水平横框、垂直加载单元组合方式易于实现空间六维力的加载，特别适用于小型多维力传感器的静态标定加载实验

附图说明

图1为本发明立体结构示意简图；

图2为本发明垂直加载单元局剖示意图；

图3为本发明水平加载单元局剖示意图；

图4为多维力传感器Z轴标定力加载示意图；

图5为多维力传感器Y轴标定转矩加载示意图；

图6为多维力传感器X轴标定转矩加载示意图；

图7为多维力传感器X轴负向标定力加载示意图；

图8为多维力传感器Y轴正向标定力加载示意图；

图9为多维力传感器Z轴正向标定转矩加载示意图。

图中：1.工作台、2.T形槽螺栓、3.垂直竖框、4.水平横框、5.垂直加载单元、5-1.锁紧螺母、5-2.内六角螺钉A、5-3.垫板、5-4.传感器座A、5-5.一维拉压力传感器A、5-6.传感器安装螺钉A、5-7.球杆、5-8.套筒、5-9.双头螺柱、6.连接螺栓、7.水平加载单元、7-1.水平压头、7-2.螺杆、7-3.传感器安装螺钉B、7-4.一维拉压力传感器B、7-5.传感器座B、7-6.内六角螺钉B、7-7.锁紧螺母。

具体实施方式

在图1所示的组合式小型多维力传感器标定加载装置示意图中，工作台1上设有T字形凹槽，两个垂直竖框下端通过T形槽螺栓2分别连接在工作台两侧的凹槽上，其上端通过连接螺栓6分别与水平横框4连接，在上述两个垂直竖框的框壁上均设有三个长形通孔，水平加载单元7通过螺钉穿过垂直竖框的长条形的孔连接在垂直竖框上，通过长形通孔，水平加载单元可上下调整高度来适合多种不同高度的多维力传感器。上述水平横框上设有三排通孔，每排为三个长形通孔，垂直加载单元5可通过螺钉连接在水平横框上。

如图2所示，所述垂直加载单元中的一维拉压力传感器A5-5通过传感器的安装螺钉5-6与传感器座A5-4固定，垫板5-3上设有与上述水平横框任意一组相对应的三个通孔，两个内六角螺钉A5-2分别穿过垫板上的左右通孔以及水平横框与垫板相对应的长条形通孔，通过螺纹与传感器座A连接，球杆5-7穿过一维拉压力传感器A、传感器座A以及垫板和水平横框对应的通孔，通过锁紧螺母5-1固定，上述球杆的球头穿过套筒5-8的大口端，且其球头卡在套筒内，球头与套筒内部始终为线接触，套筒的下端与双头螺柱5-9的上端通过螺纹连接，该双头螺柱的下端连接在多维力传感器的加载板上，可实现拉向力及压向力的解耦加载。

如图3所示，所述水平加载单元中一维拉压力传感器B7-4通过传感器的安装螺钉B7-3与传感器座B7-5固连，左右两个内六角螺钉7-6分别穿过垂直竖框上的长条形通孔与传感器座B通过螺纹连接，用于固定水平加载单元与垂直竖框之间的相对位置，带有全螺纹的螺杆7-2的一端设有锁紧螺母7-7，其另一端穿过垂直竖框上中间的长条形通孔与一维拉压力传感器B通过螺纹连接，其端头与水平压头7-1一端的内孔通过螺纹连接，该水平压头的另一端为半球形，其与多维力传感器上的压头为点接触，可实现压向力解耦加载。

如图4所示，多维力传感器安装在工作台上，此时只需要安装一个垂直加载单元，将垂直加载单元安装于水平横框上，垂直加载单元中的双头螺柱的下端通过螺纹与多维力传感器的加载板连接，通过旋转球杆转动可带动其球头上下运动，当球杆向上运动时，球头卡在套筒内且与套筒为线接触，可以实现Z轴拉向力的加载，反之当球杆向下运动时，球头与套筒脱离直接顶在双头螺柱上，可以实现Z轴压向力的加载，进而可实现对多维力传感器Z轴拉压力的加载。

如图5所示，通过左右两排通孔，将两个垂直加载单元分别安装在水平横框上，垂直加载单元的下方依旧是通过双头螺柱与多维力传感器的加载板连接，左面的垂直加载单元中球杆旋入对多维力传感器施加压向力，右面的垂直加载单元中球杆旋出对多维力传感器施加拉向力，此时作用在多维力传感器上的为Y轴正向标定转矩加载，反之，左面的垂直加载单元中球杆旋出对多维力传感器施加拉向力，右面的垂直加载单元中球杆旋入对多维力传感器施加压向力，此时作用在多维力传感器上的为Y轴负向标定转矩加载，进而可实现对多维力传感器Y轴标定转矩加载。参考此实施方式可实现对多维力传感器X轴标定转矩加载，如图6所示。

如图7所示，只使用一个垂直竖框和一个水平加载单元，水平加载单元前端的水平压头与多维力传感器上对应的压头正对，通过旋转螺杆运动可以实现压头前移，进而实现对多维力传感器X轴负向标定力加载，施加的力的大小可以直接通过一维拉压力传感器B的值直接读出，反之，当垂直竖框和水平加载单元安装在多维力传感器关于Y轴的对称位置时可实现对多维力传感器X轴正向标定力加载。参考此实施方式可实现对多维力传感器Y轴正负向标定力加载，如图8所示。

如图9所示，使用左右两个垂直竖框和两个水平加载单元，且两个垂直竖框间有一定侧向距离(距离大小取决于多维力传感器上压头之间的间距)，当两个水平加载单元中螺杆旋入同时施加等大压向力时，可实现多维力传感器Z轴正向标定转矩加载，当两个垂直竖框和水平加载单元各换到关于多维力传感器X对称位置时，两个水平加载单元中螺杆旋入同时施加等大压向力可实现多维力传感器Z轴负向标定转矩加载。

Claims (1)

1.一种组合式小型多维力传感器标定加载装置，其主要包括工作台、垂直竖框、水平横框、垂直加载单元、连接螺栓和水平加载单元，所述工作台上设有T字形凹槽，两个垂直竖框下端通过T形槽螺栓分别连接在工作台两侧的凹槽上，其上端通过连接螺栓分别与水平横框连接，在上述两个垂直竖框的框壁上均设有三个长形通孔，水平加载单元通过螺钉穿过垂直竖框的长条形的孔连接在垂直竖框上，上述水平横框上设有三排通孔，每排为三个长形通孔，垂直加载单元通过螺钉连接在水平横框上，其特征特征在于：所述垂直加载单元包括锁紧螺母、内六角螺钉A、垫板、传感器座A、一维拉压力传感器A、传感器安装螺钉A、球杆、套筒、双头螺柱，其中一维拉压力传感器A通过传感器的安装螺钉A与传感器座A固连，垫板上设有与上述水平横框任意一组相对应的三个通孔，两个内六角螺钉A分别穿过垫板上的左右通孔以及水平横框与垫板相对应的长条形通孔，通过螺纹与传感器座A连接，球杆穿过一维拉压力传感器A、传感器座A以及垫板和水平横板对应的通孔，通过锁紧螺母固定，上述球杆的球头穿过套筒的大口端，且其球头卡在套筒内，球头与套筒内部始终为线接触，套筒的下端与双头螺柱的上端通过螺纹连接，该双头螺柱的下端连接在多维力传感器的加载板上；所述水平加载单元包括水平压头、螺杆、传感器安装螺钉B、一维拉压力传感器B、传感器座B、内六角螺钉B、锁紧螺母，其中一维拉压力传感器B通过传感器的安装螺钉B与传感器座B固连，左右两个传感器安装螺钉B分别穿过垂直竖框上的长条形通孔与传感器座B通过螺纹连接，用于固定水平加载单元与垂直竖框之间的相对位置，带有全螺纹的螺杆的一端设有锁紧螺母，其另一端穿过垂直竖框上中间的长条形通孔与一维拉压力传感器B通过螺纹连接，其端头与水平压头一端的内孔通过螺纹连接，该水平压头的另一端为半球形，其与多维力传感器上的压头为点接触。