CN106225977B - 分流式三平面分支并联六维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种分流式三平面分支并联六维力传感器，它包括基座、加载平台和三个结构相同并在基座与加载平台之间圆周均布的测二力腿；测二力腿中的弹性整体平面分支由上梁、下梁、两个弹性移动副和四个垂直平面分支的弹性转动副连成一体。上梁的水平弹性转动副通过垂直转动副与加载平台联接，下梁的水平弹性转动副与基座固接，通过螺栓组件实现单向力传感器与弹性整体平面分支的无间隙螺纹连接。测二力腿的结构等效R+2RPR+RR型平面分支。本发明可测量六维力/力矩或未知方向的力/力矩，每个单向力传感器装卸容易，无预紧力，承受少量分流载荷，各运动副无隙连接，本发明具有量程大、精度高、各运动副的结构和整体结构简单、易于制造等优点。

Description

分流式三平面分支并联六维力传感器

技术领域 本发明涉及力传感器，特别是涉及一种六维力传感器。

背景技术 测量六维力传感器不仅是机器人智能化的必要手段，也是许多工程、机电、军事、地震和医疗等装备智能化控制的主要环节。测量六维力传感器的关键是要将三个力分量和三个力矩分量转化成六路电信号输出。对此人们已研制出多种结构的六维力传感器，诸如：筒形结构，双环结构，三、四、八个垂直筋结构，十字结构，非径向梁结构，T形杆结构等。这些传感器结构各具特点，但大多难以将六维力影射成六个解耦测力信号，有些还存在刚度低、应变灵敏度低、结构相对复杂等问题。用六自由度6-SPS型并联机构，可以将作用平台的六维力影射成六个沿SPS腿的解耦驱动力。基于6-SPS并联机构，人们已设计或研制了多种6-SS型六维测力平台，试图得到六个解耦测力信号输出。为便于说明,用n(n＝3,6)表示腿数，用S、U、P和R分别表示腿运动链中的球副、万向副、移动副和转动副，它们的组合表示腿运动链结构。Ranganath，Dwarakanath和Kang等分别研制出不同形式的6-SS型并联六维力传感器。相应的中国专利有：六自由度力与力矩传感器CN2165435Y、机器人用六维力与力矩传感器CN2066134U、并联解耦结构六维力与力矩传感器CN1267822、一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器CN1229915、十二维力/加速度机器人腕传感器CN1385677、整体预紧平台式六维力传感器ZL99102526.1和并联6-UPUR六维测力平台CN1828248A等不同结构形式的六维力传感器。整体式6-SS型并联六维力传感器含六个测力腿和十二个弹性整体球副，结构相对复杂，制造难度较大，难于制造等效球副，承载力低，单元测力传感器互换性差。分体式6-SS型并联六维力传感器容易制造，单元测力传感器互换性好，但需加较大预紧力确保每个单元测力传感器均受压，这减少单元测力传感器有效量程，其预紧蠕变引起漂移，而且不满足6-SS型六维力传感器的六维力映射数学关系，导致测试精度降低。基于3自由度3RPS型并联机构，中国授权发明专利ZL201110277378.2公开一种含弹性整体运动副三腿并联解耦测六维力传感器。

上述传感器存在问题如下：

1、基于6-SPS并联机构的6-SS型六维测力平台，由于六腿弹性变形并不完全等效六个移动副，因此会产生力静不定，导致测量精度下降。通过加预紧力确保六腿弹性变形仅受压力，当工作载荷主要由传感器承担，使得传感器有效量程降低。加预紧力了传感器随时间和外界因素变化，每次测量时需标定。

2、有的六维力传感器的单维力传感器需要自制，因难以达到专业制造厂的精度标准，所得六维力传感器的精度较低，重复使用性差。

3、用标准高精度单向力传感器组装六维力传感器，在无预紧力条件下难以消除联接间隙，导致测量精度下降。若采用预紧力，使传感器有效量程降低。

4、约束力信息相对驱动力信息较小，对其应适当放大。

发明内容 本发明的目的在于提供一种量程大、精度高、各运动副的结构和整体结构简单、易于制造的分流式三平面分支并联六维力传感器。

本发明包括包括基座、加载平台和三个结构相同的测二力腿，三个测二力腿在基座与加载平台之间圆周均布；所述测二力腿包括两个相同的单向力传感器、四个相同的螺栓组件、弹性整体平面分支；所述弹性整体平面分支由上刚性梁、下刚性梁、左、右弹性移动副、四个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副连成一体；所述弹性移动副由内、外刚性柱和上、下弹性臂构成刚柔一体的平行四边形框架，形成弹性移动副；所述上刚性梁设有上、下层梁，上、下层梁两端通过两个水平的双圆弧弹性转动副连成一体，该上刚性梁的上层梁中部通过垂直转动副与加载平台预紧联接，该上刚性梁的下层梁两端通过两个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副分别与左、右弹性移动副的外刚性柱上端连成一体；所述下刚性梁设有上、下层梁，上、下层梁两端通过另两个水平的双圆弧弹性转动副连成一体，该下刚性梁的上层梁两端通过另两个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副分别与左、右弹性移动副的内刚性柱下端连成一体，该下刚性梁的下层梁与基座固定连接；所述单向力传感器上、下端均通过螺栓组件分别与上述外刚性柱和内刚性柱两侧的上端和下端无间隙螺纹联接，每个测二力腿结构等效R+2RPR+RR型平面分支；所述螺栓组件包括开槽螺栓、锥套I、锥套II、螺栓；开槽螺栓设有同心的外螺纹圆柱和中心圆通孔，两端分别设有同心的圆锥通孔，两端到靠近中部设有若干径向均布开槽，锥套I设有同心的外圆锥面和圆通孔，该锥套I大端设有大于圆通孔直径的同心螺纹孔，锥套II设有同心的外圆锥面和螺纹通孔，锥套I和锥套II分别设在开槽螺栓两端的圆锥通孔中，螺栓螺帽抵在锥套I的螺纹孔与圆通孔之间的环面上，螺栓的光杆穿过锥套I的圆通孔和开槽螺栓的圆通孔，螺栓的螺纹杆与锥套II的螺纹通孔螺纹联接。拧紧螺栓时，锥套I与锥套II轴向靠近移动，利用圆锥斜面作用，径向撑大开槽螺栓两端，消除螺栓组件与上述弹性整体平面分支的螺纹联接间隙；松卸螺栓时，锥套I与锥套II轴向背离移动，借助备用螺栓和锥套I的螺纹孔拔出锥套I，借助备用螺栓顶出锥套II，开槽螺栓两端恢复原状后，拆卸开槽螺栓。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、基于三平面分支6自由度并联机构的原理和力学性能，实现了六维力向三个平面测二力腿分支的映射，在每个测二力腿分支得到两个驱动力；利用每个测二力腿的两个单向力传感器测量的六个驱动力，进一步得到作用在加载平台上的六维力或任意方向的载荷。

2、每个单向力传感器装卸容易，无预紧力，承受少量分流载荷，且各运动副无隙连接。

3、量程大、精度高、各运动副的结构和整体结构简单、易于制造。

附图说明

图1是本发明主视示意简图。

图2是本发明俯视示意简图。

图3是本发明螺栓组件剖视图。

图4是本发明单向力传感器示意简图。

图中：1-基座、2-弹性整体平面分支、2-1上刚性梁、2-2-下刚性梁、2-3-双圆弧弹性转动副、2-4-单圆弧弹性转动副、2-5-内刚性柱、2-6-外刚性柱、2-7-上弹性臂、2-8-下弹性臂、3-单向力传感器、4-螺栓组件、4-1-开槽螺栓、4-2-锥套I、4-3-锥套II、4-4-螺栓、5-加载平台、6-垂直转动副。

具体实施例

在图1和图2所示的分流式三平面分支并联六维力传感器示意图中，三个结构相同的测二力腿在基座1与加载平台5之间圆周均布；测二力腿中的弹性整体平面分支2由上刚性梁2-1、下刚性梁2-2、左、右弹性移动副、四个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副2-4连成一体；所述弹性移动副由内刚性柱2-5，外刚性柱2-6，上弹性臂2-7，下弹性臂2-8构成刚柔一体的平行四边形框架，形成弹性移动副；

所述上刚性梁设有上、下层梁，上、下层梁两端通过两个水平的双圆弧弹性转动副2-3连成一体，该上刚性梁的上层梁中部通过垂直转动副6与加载平台预紧联接，该上刚性梁的下层梁两端通过两个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副2-4分别与左、右弹性移动副的外刚性柱上端连成一体；所述下刚性梁设有上、下层梁，上、下层梁两端通过另两个水平的双圆弧弹性转动副连成一体，该下刚性梁的上层梁两端通过另两个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副分别与左、右弹性移动副的内刚性柱下端连成一体，该下刚性梁的下层梁与基座固定连接；

所述单向力传感器上、下端均通过螺栓组件分别与上述外刚性柱和内刚性柱两侧的上端和下端无间隙螺纹联接，每个测二力腿结构等效R+2RPR+RR型平面分支；所述螺栓组件4包括开槽螺栓4-1、锥套I 4-2、锥套II 4-3、螺栓4-4；开槽螺栓设有同心的外螺纹圆柱和中心圆通孔，两端分别设有同心的圆锥通孔，两端到靠近中部设有若干径向均布开槽，锥套I设有同心的外圆锥面和圆通孔，该锥套I大端设有大于圆通孔直径的同心螺纹孔，锥套II设有同心的外圆锥面和螺纹通孔，锥套I和锥套II分别设在开槽螺栓两端的圆锥通孔中，螺栓螺帽抵在锥套I的螺纹孔与圆通孔之间的环面上，螺栓的光杆穿过锥套I的圆通孔和开槽螺栓的圆通孔，螺栓的螺纹杆与锥套II的螺纹通孔螺纹联接。拧紧螺栓时，锥套I与锥套II轴向靠近移动，利用圆锥斜面作用，径向撑大开槽螺栓两端，消除螺栓组件与上述弹性整体平面分支的螺纹联接间隙；松卸螺栓时，锥套I与锥套II轴向背离移动，借助备用螺栓和锥套I的螺纹孔拔出锥套I，借助备用螺栓顶出锥套II，开槽螺栓两端恢复原状后，拆卸开槽螺栓。

Claims (1)

1.一种分流式三平面分支并联六维力传感器，包括基座、三个测二力腿和加载平台，其特征在于：所述三个测二力腿结构相同，且在基座与加载平台之间圆周均布；所述测二力腿包括两个相同的单向力传感器、四个相同的螺栓组件、弹性整体平面分支；所述弹性整体平面分支由上刚性梁、下刚性梁、左、右弹性移动副、四个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副连成一体；所述弹性移动副由内、外刚性柱和上、下弹性臂构成刚柔一体的平行四边形框架，形成弹性移动副；所述上刚性梁设有上、下层梁，上、下层梁两端通过两个水平的双圆弧弹性转动副连成一体，该上刚性梁的上层梁中部通过垂直转动副与加载平台预紧联接，该上刚性梁的下层梁两端通过两个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副分别与左、右弹性移动副的外刚性柱上端连成一体；所述下刚性梁设有上、下层梁，上、下层梁两端通过另两个水平的双圆弧弹性转动副连成一体，该下刚性梁的上层梁两端通过另两个垂直分支平面的单圆弧弹性转动副分别与左、右弹性移动副的内刚性柱下端连成一体，该下刚性梁的下层梁与基座固定连接；所述单向力传感器上、下端均通过螺栓组件分别与上述外刚性柱和内刚性柱两侧的上端和下端无间隙螺纹联接，每个测二力腿结构等效R+2RPR+RR型平面分支；所述螺栓组件包括开槽螺栓、锥套I、锥套II、螺栓；开槽螺栓设有同心的外螺纹圆柱和中心圆通孔，两端分别设有同心的圆锥通孔，两端到靠近中部设有若干径向均布开槽，锥套I设有同心的外圆锥面和圆通孔，该锥套I大端设有大于圆通孔直径的同心螺纹孔，锥套II设有同心的外圆锥面和螺纹通孔，锥套I和锥套II分别设在开槽螺栓两端的圆锥通孔中，螺栓螺帽抵在锥套I的螺纹孔与圆通孔之间的环面上，螺栓的光杆穿过锥套I的圆通孔和开槽螺栓的圆通孔，螺栓的螺纹杆与锥套II的螺纹通孔螺纹联接。