CN106017769A - 一种可变形并联三维动态力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种可变形并联三维动态力传感器，主要包括固定基座、测力板和三条结构相同的测力分支。在固定基座上，三个等高的边支撑柱呈正三角分布，另一个中心支撑柱设在正三角中心，每个边支撑柱和中心支撑柱之间各设一根与固定基座呈相同夹角的导轨，三条测力分支均包括圆柱副、第一转动副、连杆、第二转动副、拉压式单维力传感器及弹簧，测力分支下端套接导轨，上端连接测力板。本发明可以实现空间三维动态力的测量要求；测量时传感器可产生较大变形，且在变形的过程中其输入输出的映射关系始终保持恒定不变；由分离元件组装而成，结构对称，制造简单，便于实现系列化，可应用于多种需要测量空间三维动态力的场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别是动态力传感器。
背景技术
动态力传感器可用于对空间三维动态力的实时测量。目前国内有多项有关专利技术，如CN102267069A提供一种超高转速切削三维动态力测试平台，其可满足超高转速铣削、钻削以及磨削时切削力信号测量的要求，实现超高转速切削时三维动态力的准确测量。CN103424222A提供一种用于直线电机动态测试装置，可以实现直线电机使用环境的模拟和满足一定尺寸范围内直线电机的测试和安装需求，并且能够对电机的切向和垂向的动态力进行测试。专利CN203216659U是在测力平台、基板上安装三维力传感器，实现空间三维力的静态测量、动态同步测量。
然而，近年来，在医疗康复器械，机器人腕力，风洞测力等领域的力测量对可变形多维力传感器的需求性越来越高，这就要求传感器不仅能够实现动态实时测量，还需要具有一定的柔性，可产生较大变形。作为一种具有柔性的变形传感器，专利CN101925793A是由非水系高分子固体电解质和夹住改非水系高分子固体电解质的至少一对电极构成的薄片。由于该高分子施加机械变形会产生电动势，因而可检测出变形位置和压力分布，实现动态测量。但是其只能检测出二维平面上的压力分布，并且仅在如空气中这样的干燥状态下对机械变形能高灵敏度地响应且有柔性。
发明内容
本发明提供一种可以实现空间三维动态力的测量要求，在测量时可产生较大变形，且在变形的过程中其输入输出的映射关系始终保持恒定不变的可变形并联三维动态力传感器。
本发明主要包括固定基座、测力板和三条结构相同的测力分支。在固定基座上设有4根支撑柱，其中三个等高的边支撑柱呈正三角分布，另一个支撑柱设在正三角中心为中心支撑柱，并且中心支撑柱高度大于其余三个边支撑柱高度，每个边支撑柱和中心支撑柱之间各设一根导轨，三根导轨与固定基座呈相同的夹角，在每根导轨上各设一条测力分支，每条测力分支均包括圆柱副、第一转动副、连杆、第二转动副、拉压式单维力传感器及弹簧。其中，内设轴向中心通孔的圆柱副上固定有第一转动副，该第一转动副通过连杆与第二转动副相连，连杆一端通过第一转动副连接圆柱副，另一端通过第二转动副与测力板相连，并且组成同一条测力分支的三个转动副轴线相互平行。另在每条测力分支圆柱副的两端分别设有两个相同且中心通孔套在导轨上的拉压式单维力传感器，它们分别与两根相同的弹簧相连，这两根弹簧的另外一端分别与中心支撑柱和一个边支撑柱相连。所述圆柱副、拉压式单维力传感器及弹簧均套在一根导轨上。
本发明的工作原理为：当空间三维动态力施加到测力板时，由拉压式单维力传感器实时检测出各分支与导轨方向一致的输出信号。然后采用并联机构学映射算法可得到三维力的大小和方向。由于各分支的运动副组成，布置形式决定了该并联机构的雅可比矩阵保持恒定不变，因此该机构在变形的过程中，其输入输出的映射关系不变。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明属于一种新型三维测力传感器，可以实现空间三维动态力的测量要求，结构对称、工作原理清晰、经济性好、便于加工制造。
2.本发明为并联式结构。各分支的运动副组成，布置形式决定了该并联结构的雅可比矩阵保持恒定不变，因此本发明的三维测力传感器除了具有刚度大，承载高，在测量时传感器可产生较大变形的特点外，在变形的过程中其输入输出的映射关系始终保持恒定不变。
3.本发明由分离元件组装而成，易于实现系列化，可应用于多种需要测量空间三维动态力的场合。
附图说明
图1是本发明可变形并联三维动态力传感器立体示意图。
图2是本发明某一测力分支立体示意图。
图3是本发明某一测力分支拉压式单维力传感器与其他部件连接关系剖面示意简图。
其中，1、固定基座，2、测力板，3、弹簧，4、拉压式单维力传感器，5、圆柱副，6、拉压式单维力传感器，7、弹簧，8、第一转动副，9、连杆，10、第二转动副，11、端盖，12、弹簧座，13、导轨，14、中心支柱，15、边支撑柱。
具体实施方式
在图1所示的可变形并联三维动态力传感器立体示意图中，在固定基座1上设有4根支撑柱，其中三个等高的边支撑柱15呈正三角分布，另一个支撑柱设在正三角中心为中心支撑柱14，并且中心支撑柱高度大于其余三个边支撑柱高度，每个边支撑柱和中心支撑柱之间各设一根导轨13，三根导轨与固定基座呈相同的夹角，在每根导轨上各设一条测力分支，如图2所示，每条测力分支均包括圆柱副5、第一转动副8、连杆9、第二转动副10、拉压式单维力传感器4、6及弹簧3、7。其中，内设轴向中心通孔的圆柱副上固定有第一转动副，连杆一端通过第一转动副连接圆柱副，另一端通过第二转动副与测力板2相连，并且组成同一条测力分支的三个转动副轴线相互平行。另在每条测力分支圆柱副的两端分别设有两个相同且中心通孔套在导轨上的拉压式单维力传感器，它们分别与两根相同的弹簧相连，这两根弹簧的另外一端分别与中心支撑柱和一个边支撑柱相连。所述圆柱副、拉压式单维力传感器及弹簧均套在一根导轨上。
在图3所示的某一测力分支拉压式单维力传感器与其他部件连接关系剖面示意简图中，拉压式单维力传感器4的一端通过螺钉连接在圆柱副5轴向端面上，拉压式单维力传感器另一端通过内螺纹和端盖11的凸缘螺纹连接，端盖中心孔附近的端面通过螺钉与弹簧座12相连，固定基座的边支撑柱上安装同样的弹簧座，于是弹簧的两端通过销以一定的预紧力连接在这两个弹簧座上。
Claims (2)
1.一种可变形并联三维动态力传感器，其特征在于：在固定基座上设有4根支撑柱，其中三个等高的边支撑柱呈正三角分布，另一个支撑柱设在正三角中心为中心支撑柱，并且中心支撑柱高度大于其余三个边支撑柱高度，每个边支撑柱和中心支撑柱之间各设一根导轨，三根导轨与固定基座呈相同的夹角，在每根导轨上各设一条测力分支，每条测力分支均包括圆柱副、第一转动副、连杆、第二转动副、拉压式单维力传感器及弹簧；内设轴向中心通孔的圆柱副上固定有第一转动副，连杆一端通过第一转动副连接圆柱副，另一端通过第二转动副与测力板相连，并且组成同一条测力分支的三个转动副轴线相互平行；另在每条测力分支圆柱副的两端分别设有两个相同且中心通孔套在导轨上的拉压式单维力传感器，它们分别与两根相同的弹簧相连，这两根弹簧的另外一端分别与中心支撑柱和一个边支撑柱相连，所述圆柱副、拉压式单维力传感器及弹簧均套在一根导轨上。
2.根据权利要求1所述的一种可变形并联三维动态力传感器，其特征在于：拉压式单维力传感器的一端通过螺钉连接在圆柱副轴向端面上，拉压式单维力传感器另一端通过内螺纹和端盖的凸缘螺纹连接，端盖中心孔附近的端面通过螺钉与弹簧座相连，固定基座的边支撑柱上安装同样的弹簧座，于是弹簧的两端通过销以一定的预紧力连接在这两个弹簧座上。
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