CN105841874B - 一种可重构型并联多维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种可重构型并联多维力传感器，主要包括加载平台、弹性连杆A、弹性连杆B、横向悬臂梁、纵向悬臂梁、刚性梁、下平台、支撑板、正八边形支撑板、燕尾形支撑板和应变片。本发明通过测力分支的布置方式实现了传感器结构解耦，力的解耦性能良好，通过应变片的不同组合方式，可以方便的实现对三个力和力矩的测量，同时可以通过软件的自动检测、识别，选择相应的测量模型就建立了面向任务需求的测量模型，既实现基于任务的某个力或者某个力矩的测量要求。直接面向多任务或者关键任务的多阶段复杂的实际测量要求，可以适应不同环境下的任务要求，上下圆环形结构可以方便的与外界连接，更加适合多种应用场合。

Description

一种可重构型并联多维力传感器

技术领域

本发明涉及传感器的设计制造领域。

背景技术

传感器是机械系统获取外界信息的一种工具，它可以感知被测物理量，并将其按照相应的变化规律转化为输出信号。而六维力传感器可以同时测量三个力分量和三个力矩分量，并可以检测机械系统的受力方向和实时变化的力的大小，如今，高精度、高灵敏、可实现多任务测量需求的多维力传感器成为研究的热点。

在六维力传感器的研究中，力敏感元件的结构设计一直是关键的核心问题，力传感器的刚度、灵敏度、和分辨率等重要性能与力敏感元件的结构有着重要关联。目前，众多学者提出的六维力传感器主要包括十字梁式、轮辐式、垂直筋式等结构，所有这些力传感器的应变桥的输出信号与三个力和三个力矩的大小有关，既测量信号与应变桥的输出信号耦合，设计时需考虑应变片的布置方式从理论上实现力之间的解耦，以消除各个分力之间的干扰，这是在假设可以消除力之间干扰的情况下实现力的解耦，而基于并联机构的六维力传感器，其易解耦，贴片、组桥相对容易，且相对刚度高、对称性好、力映射关系求解简单，它利用并联机构的力学解耦的方式进行解耦。可以面向复杂环境的力测试试验。而应用在风洞测力试验中的应变天平可以实现单分量或多分量的应变式测力传感器，其中的盒式天平一般为4-2-1的方形结构形式，依靠自身结构的优势，机械分解较彻底，力之间耦合干扰小。

公开号为CN104048791A的中国发明专利公开了“一种低维间耦合的双十字梁六维力和力矩传感器”，通过设置在内圈的四个应力梁和内圈和外圈之间的四个应力梁，测量外部六维力，其从结构上实现了力和力矩解耦。公开号为CN1267822A的中国发明专利公开了一种“并联解耦结构六维力与力矩传感器”，他的六个弹性体分为三组，每组两个分别沿着三个相互垂直的方向布置，且各组弹性体构成的平面相互垂直，从结构上实现了力和力矩的解耦。

以上的几类六维力传感器并联结构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,只能针对空间内六维力的测量任务，且传感器测量模型简单唯一，无法应对自适应的多任务个性测量工作。随着科学技术的迅速发展，工业生产、制造加工和航空航天领域的任务呈现多样化，需要根据任务需求使用相应的力传感器，以实现多测量任务的试验要求，这就需要采取相应的措施保证系统实现面向自适应测量任务的力和力矩的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种分支分别水平布置和竖直布置的新型可重构型并联多维力传感器，可以满足多任务测量需求下所需力和力矩的测量要求，其灵敏度高、可靠性好、结构尺寸方便应用可重构型并联多维力传感器

本发明主要包括加载平台、弹性连杆A、弹性连杆B、横向悬臂梁、纵向悬臂梁、刚性梁、下平台、支撑板、正八边形支撑板、燕尾形支撑板和应变片。

其中，下平台为圆形平板，在下平台的中部为正八边形凹槽。在正八边形凹槽内设有支撑板，支撑板由正八边形支撑板、四个燕尾形支撑板、四个横向悬臂梁组成，四个燕尾形支撑板和四个横向悬臂梁依次间隔的设在正八边形支撑板的外壁上。四个横向悬臂梁分别为横向悬臂梁A、横向悬臂梁B、横向悬臂梁C和横向悬臂梁D。在四个燕尾形支撑板的上部分别固定连接纵向悬臂梁，分别是纵向悬臂梁A、纵向悬臂梁B、纵向悬臂梁C和纵向悬臂梁D。在每个横向悬臂梁上分别设有一个弹性连杆A，弹性连杆A的一端与横向悬臂梁相连，另一端与加载平台的下表面相连，弹性连杆A的两端均为弹性球铰结构。加载平台为圆形平板，加载平台的中部设有圆形通孔。在加载平台的下表面固定连接四个刚性梁，刚性梁与纵向悬臂梁之间分别通过弹性连杆B相连，弹性连杆B的两端均为弹性球铰结构。在横向悬臂梁A、横向悬臂梁B、横向悬臂梁C、横向悬臂梁D、纵向悬臂梁A、纵向悬臂梁B、纵向悬臂梁C和纵向悬臂梁D上均设有应变片。

本发明在使用时，受到z方向力的作用，此时力作用在加载平台上，通过弹性连杆B将力传递到4个横向悬臂梁上，此时，横向悬臂梁将产生应变，贴在其上的应变片组成的电桥会产生电信号，再通过数据采集器将信号输出，通过一系列的数据处理可以得到z方向里的大小，同理，当x方向的力作用在加载平台时，通过弹性连杆A将力传递到纵向悬臂梁B和C上，y方向的力通过纵向悬臂梁A和D测得，横向悬臂梁B和横向悬臂梁C测量绕x轴的力矩，横向悬臂梁A和横向悬臂梁D测量绕y轴的力矩，纵向悬臂梁A、纵向悬臂梁B、纵向悬臂梁C、纵向悬臂梁D，检测绕z轴的力矩。每个力和力矩通过相应的应变片组成的电桥检测电路信号的变化得到，在实际工作过程中，通过选取不同检测分支的组合方式，再利用检测分支的受力与被测量力之间的映射关系，便可以得到所需任务要求的力和力矩的的测量模型，既完成基于任务要求的重构策略以此实现面向自适应的测量任务。

本发明与现有技术相比具有如下优点：通过测力分支的布置方式实现了传感器结构解耦，力的解耦性能良好，通过应变片的不同组合方式，可以方便的实现对三个力和力矩的测量，同时可以通过软件的自动检测、识别，选择相应的测量模型就建立了面向任务需求的测量模型，既实现基于任务的某个力或者某个力矩的测量要求。具有重构测量模型能力的多维力传感器扩大了传感器的应用场合，使其直接面向多任务或者关键人物的多阶段复杂的实际测量要求，可以适应不同环境下的任务要求，在加工制造、航天航空和国防军事等领域具有广泛的应用前景，其上下圆环形结构可以方便的与外界连接，更加适合多种应用场合。

附图说明

图1为可重构型并联多维力传感器的立体结构示意图；

图2为可重构型并联多维力传感器的下平台的立体结构示意图；

图3为可重构型并联多维力传感器的主视图；

图4为可重构型并联多维力传感器的主视图的A-A截面图。

图中：1-加载平台、2-弹性连杆B、3-横向悬臂梁、3-1横向悬臂梁A、3-2横向悬臂梁B、3-3横向悬臂梁C、3-4横向悬臂梁D、4-纵向悬臂梁、4-1纵向悬臂梁A、4-2纵向悬臂梁B、4-3纵向悬臂梁C、4-4纵向悬臂梁D、5-刚性梁、6-下平台、7-支撑板、8-正八边形支撑板、9-燕尾形支撑板、10-弹性连杆A、11-应变片。

具体实施方式

在图1至图4所示的本发明的示意简图中，下平台6为圆形平板，在下平台的中部为正八边形凹槽。在正八边形凹槽内设有支撑板7，支撑板由正八边形支撑板8、四个燕尾形支撑板9、四个横向悬臂梁3组成，四个燕尾形支撑板和四个横向悬臂梁依次间隔的设在正八边形支撑板的外壁上。四个横向悬臂梁分别为横向悬臂梁A3-1、横向悬臂梁B3-2、横向悬臂梁C3-3和横向悬臂梁D3-4。在四个燕尾形支撑板的上部分别固定连接纵向悬臂梁4，分别是纵向悬臂梁A4-1、纵向悬臂梁B4-2、纵向悬臂梁C4-3和纵向悬臂梁D4-4。在每个横向悬臂梁上分别设有一个弹性连杆A10，弹性连杆A的一端与横向悬臂梁相连，另一端与加载平台的下表面相连，弹性连杆A的两端均为弹性球铰结构。加载平台1为圆形平板，加载平台的中部设有圆形通孔。在加载平台的下表面固定连接四个刚性梁5，刚性梁与纵向悬臂梁之间分别通过弹性连杆B2相连，弹性连杆B的两端均为弹性球铰结构。在横向悬臂梁A、横向悬臂梁B、横向悬臂梁C、横向悬臂梁D、纵向悬臂梁A、纵向悬臂梁B、纵向悬臂梁C和纵向悬臂梁D上均设有应变片11。

Claims (1)

1.一种可重构型并联多维力传感器，主要包括加载平台、弹性连杆A、弹性连杆B、横向悬臂梁、纵向悬臂梁、刚性梁、下平台、支撑板、正八边形支撑板、燕尾形支撑板和应变片，其特征在于：下平台为圆形平板，在下平台的中部为正八边形凹槽，在正八边形凹槽内设有支撑板，支撑板由正八边形支撑板、四个燕尾形支撑板、四个横向悬臂梁组成，四个燕尾形支撑板和四个横向悬臂梁依次间隔的设在正八边形支撑板的外壁上，四个横向悬臂梁分别为横向悬臂梁A、横向悬臂梁B、横向悬臂梁C和横向悬臂梁D，在四个燕尾形支撑板的上部分别固定连接纵向悬臂梁，分别是纵向悬臂梁A、纵向悬臂梁B、纵向悬臂梁C和纵向悬臂梁D，在每个横向悬臂梁上分别设有一个弹性连杆A，弹性连杆A的一端与横向悬臂梁相连，另一端与加载平台的下表面相连，弹性连杆A的两端均为弹性球铰结构，加载平台为圆形平板，加载平台的中部设有圆形通孔，在加载平台下表面竖直固定连接四个刚性梁,刚性梁与纵向悬臂梁为平行方向设置,四个弹性连杆B分别与四个刚性梁的底端、四个纵向悬臂梁垂直连接,弹性连杆B的两端均为弹性球铰结构，在横向悬臂梁A、横向悬臂梁B、横向悬臂梁C、横向悬臂梁D、纵向悬臂梁A、纵向悬臂梁B、纵向悬臂梁C和纵向悬臂梁D上均设有应变片。