CN106980033B - 一种基于Stewart平台的传感器分支结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于Stewart平台的传感器分支结构，其包括球铰和弹性单元，所述球铰包括球头、球杆和与铰座，所述球杆的两端分别连接有所述球头，所述铰座内设有与所述球头配合的球头孔，所述铰座包括第一壳体和通过卡合结构连接的第二壳体；所述球杆上还设有所述弹性单元，所述弹性单元包括设于所述球杆上的半圆球壳体，所述半圆球壳体的底面设有由四个弹性梁拼接成的十字梁弹性件，四个所述弹性梁上均设有呈十字对称分布的应变贴片。本发明能够有效解决现有传感器分支结构大型化、复杂化以及应变输出低等的问题，提高传感器的灵敏度和测量精度。

Description

一种基于Stewart平台的传感器分支结构

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于Stewart平台的传感器分支结构。

背景技术

六维加速度传感器在类人机器人手腕关节、智能手机的姿态感应、数码相机防抖动等应用领域具有良好的应用前景。

在六维加速度传感器的研究中，串并联机构被广泛应用，而相对于串联结构，并联结构具有更高的刚度、更高的负载能力、更高的准确性。由于其独特结构和逆解简单的特点，成功地解决了在较大量程或者大量程传感器领域的基础理论和关键技术问题。因此，在六维加速度传感器研究中被广泛应用。

然而，并联结构有着其本身固有的缺陷，比如，并联结构相对复杂的运动学正解，有限的上平台工作空间以及奇异位姿的存在，这一切都在一定程度上影响了并联式六维加速度传感器的应用推广。由于并联结构在传感器研究上的很多应用具有无可替代的地位，通过结构优化来消除或缓解并联结构自身缺陷所带来的不利影响对于六维加速度传感器的研究发展有着重要意义。

为了解决六维加速度传感器在小量程领域应用的局限性，以及球铰在小型传感器上的应用问题，亟需对小型的小量程六维加速度传感器在结构上进行优化。

针对球铰设计的问题，传统方式是采用热胀冷缩装入法装配的球铰，其主要特征在于采用半包围式的球形外壳包围在内衬球体外部，从而限制球体在球壳内部的转动，虽然能够实现球铰的空间连接作用，但对于球铰的装配问题考虑欠佳，这种半包围式的球形铰链目前普遍采用热胀冷缩装入法装配，利用不同材料温度膨胀系数不同，或同种材料在不同温度下膨胀量不同的特点，利用高压将球体压入球壳内部，冷却至工作温度后形成较好的配合。显而易见的是，该类结构对于装配条件要求高，且装配精度也有待提高。

为了避免热胀冷缩装入法带来的一些问题，于永泗、余广华等提出了一种将球铰外部的紧固部分剖分成两部分的思路，类似的还有唐晓强、汪劲松等提出的滑动式球形铰链结构，主要采用沿球形体直径所在平面将外部紧固体分为上、下两个活法兰盘，再在两活法兰盘之间装入密封垫圈后用螺杆和螺母紧固。这类结构虽然解决了目前普遍采用热胀冷缩装入法带来的装配复杂、装配精度低的问题，但基于Stewart平台的传感器其弹性连接杆的两端分别连接上、下平台，两端均需球铰连接，采用上、下两个活法兰盘的结构无疑增加了装配过程的难度。且单个球铰的紧固需要多个螺杆和螺母，基于Stewart平台的传感器有六个弹性连接杆共十二个球铰，这无疑使得装配所需的螺杆和螺母数量庞大，使得传感器体积较大、重量较大、装配繁冗，均不利于传感器的小型化。

另一种应用于精密机械技术领域的球铰，其中为代表的是李义提出的一种精密高刚度球形铰链。这种结构主要采用上下剖分式的球铰外环、球铰锁紧外环来限制球轴转动空间，并采用保持架和滚动钢球等置于球轴和球铰外环、球铰锁紧外环之间来保证球轴的转动灵活、减低摩擦。这类结构虽然解决由于柔性差带来的安装支撑应力问题，和刚度低带来的精度不稳定性误差问题，但由于采用了保持架和滚动钢球结构，使得装配过程极其复杂，同时大幅度增加了加工和装配成本，也不利于球铰的小型化、通用化使用。

Stewart平台分支在理论上仅承受拉压力，实际上由于柔性铰链或者球铰装配问题会给基于Stewart平台的传感器分支带来不可避免的弯矩和扭矩，产生的误差影响传感器测量精度，并联机构的大刚度小输出也会影响传感器测量精度。因此分支结构目前的研究或者采用柔性铰链代替球铰将Stewart平台式传感器小型化，但是弹性单元会因为弯矩和扭矩作用产生形变误差影响测量结果，或者在弹性单元设计上解决了并联机构大刚度小输出问题，没有考虑弯矩和扭矩的影响，或者采用传统球铰减小弯矩和扭矩将Stewart平台用于较大体积且大量程传感器，但小型化、小量程Stewart平台式传感器分支结构设计仍需进一步完善。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供一种基于Stewart平台的传感器分支结构，用于解决现有传感器分支结构大型化、复杂化以及应变输出低和抗干扰差等的问题，能够提高传感器的灵敏度和测量精度。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于Stewart平台的传感器分支结构，包括球铰和弹性单元，所述球铰包括球头、球杆和铰座，所述球杆的两端分别连接有所述球头，所述铰座内设有与所述球头配合的球头孔，所述铰座包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和第二壳体通过卡合结构连接；所述球杆上还设有所述弹性单元，所述弹性单元包括设于所述球杆上的半圆球壳体，所述半圆球壳体的底面设有四个弹性梁，四个所述弹性梁拼接成十字梁弹性件，所述十字梁弹性件的中心、所述半圆球壳体的轴线均与所述球杆的轴线重合，四个所述弹性梁上均设有应变贴片，四个所述应变贴片相对于所述球杆的轴线对称布置。

其中，所述卡合结构具体设置为，所述第一壳体的配合面设有凸起，所述第二壳体的配合面设有与所述凸起配合的凹槽。

其中，所述第一壳体的配合面对称设置所述凸起，所述第二壳体的配合面对称设置与所述凸起配合的凹槽。

其中，所述球头孔由内侧的球形孔和外侧的圆锥孔组合而成，且所述球形孔的球心、所述圆锥孔的轴线均位于所述球头的轴线上。

其中，所述半圆球壳体的底面位于所述球杆的1/2长度位置处。

其中，所述球头上设有与所述球杆配合的内孔，且所述内孔的轴线穿过所述球头的球心。

其中，所述内孔为螺纹孔，所述球杆的两端均设有与螺纹孔的内螺纹配合的外螺纹。

其中，所述铰座的外表面设有外螺纹。

其中，所述铰座为圆柱体结构。

其中，所述弹性梁为金属膜片。

(三)有益效果

本发明提供的基于Stewart平台的传感器分支结构，相比于现有技术具有以下特点：

1、本发明的基于Stewart平台的传感器分支结构，不仅能够保证结构的简单化、小型化，还能够保证弹性单元的高应变输出，提高灵敏度和测量精度；

2、本发明基于Stewart平台的传感器分支结构，第一壳体和第二壳体通过卡合结构连接，保证结构小型化的同时，能够解决球铰在装入上、下平台过程中两壳体径向定位和沿轴线方向上相互错动的问题；

3、本发明基于Stewart平台的传感器分支结构，弹性单元具有十字对称分布的特点，输出信号较大且能够有效抵消干扰误差影响，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明提供的基于Stewart平台的传感器分支结构的整体结构图；

图2为本发明提供的基于Stewart平台的传感器分支结构的爆炸图；

图3为本发明提供的第一壳体的结构图；

图4为本发明提供的第二壳体的结构图；

图5为本发明提供的球头孔的结构图；

图中，1：球头；2：球杆；3：铰座；31：第一壳体；32：第二壳体；4：球头孔；41：球形孔；42：圆锥孔；5：凸起；6：凹槽；7：半圆球壳体；8：弹性梁；9：应变贴片。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种基于Stewart平台的传感器分支结构，用于解决现有传感器分支结构大型化、复杂化以及应变输出低等的问题，能够提高传感器的灵敏度和测量精度。

如图1-4所示，本发明实施例中提供一种基于Stewart平台的传感器分支结构，包括球铰和弹性单元，球铰包括球头1、球杆2和铰座3，球杆2的两端分别连接有球头1，球头1与铰座3内的球头孔4配合，可以理解的是，为了实现球铰的作用，球头1能够在铰座3内的球头孔4内自由转动，其中，铰座3包括第一壳体31和第二壳体32，且第一壳体31和第二壳体32之间通过卡合结构连接，具体的，第一壳体31的配合面上设有凸起5，第二壳体32的配合面上设有与凸起5配合的凹槽6，凸起5与凹槽6的配合连接实现第一壳体31和第二壳体32的装配，从而组装成铰座3；可以理解的是，第一壳体31和第二壳体32上均设有孔，且第一壳体31的孔和第二壳体32的孔能够在第一壳体和第二壳体拼合后拼合成球头孔4；球杆2上还设有弹性单元，弹性单元包括设于球杆2上的半圆球壳体7，半圆球壳体7的底面上设有四个弹性梁8，四个弹性梁8拼接成十字梁弹性件，十字梁弹性件的中心、半圆球壳体7的轴线均与球杆2的轴线重合，四个弹性梁8上均设有应变贴片9，且四个应变贴片9相对于球杆2的轴线对称布置。可以理解的是，第一壳体31和第二壳体32为左右两个半壳体，球杆2一端连接有一个球头1，另一端穿过十字梁弹性件和半圆球壳体7再连接一个球头1。

本发明的基于Stewart平台的传感器分支结构，考虑到球头不易装配的问题，其球铰为由左右两个半壳体和球头共同组成，解决了目前经常采用的热胀冷缩装入法带来的装配精度差的问题；可以允许其中的球头在球头孔的范围内自由转动，只要球杆长度满足传感器结构要求，所述球铰可以装配到多种传感器结构中，故应用场合广；第一壳体、第二壳体具有相配合的凸起凹槽结构，不仅实现了球铰结构的小型化，而且解决了球铰在装入上、下平台过程中两半壳体径向定位和沿轴线方向上相互错动的问题；本发明所述的球铰较为简单，不仅能够实现球铰小型化、满足小量程传感器结构要求，而且加工和装配难度低，能够达到较高的加工和装配精度。

本发明的弹性单元具有在四个方向对称分布的特点，应变贴片粘贴在弹性单元的四个十字对称分布的弹性梁的上表面，极易组成Wheatstone全电桥电路，输出信号较大且能够有效抵消干扰误差影响，提高测量精度。

可以理解的是，弹性梁的上、下表面均为平面，粘贴应变贴片时采用全平面粘贴方法，操作方便，保证了后续粘贴应变贴片、接线等过程的精度，对提高传感器整体精度大有裨益。

由以上可知，本发明的基于Stewart平台的传感器分支结构，既保证了结构的小型化、通用化又保证弹性单元的高输出应变比，能够适应随着机器人技术的发展和数码产品功能不断的升级，而对传感器在结构小型化和灵敏度等多方面同时达到极致的越来越苛刻的要求。

具体的，如图3、4所示，第一壳体31、第二壳体32呈对称分布，即为左半壳体和右半壳体，且左半壳体和右半壳体组装后的外在形状为圆柱形。可以理解的是，左半壳体和右半壳体，其中一个半壳体的配合面上设有凸起5，另一个半壳体的配合面上设有凹槽6，且该凹槽6能与凸起5卡合，实现两半壳体的装配。更进一步的，本实施例中，一个半壳体的配合面上的两侧均设有凸起5，且两个凸起5沿圆柱形的铰座的轴线方向对称设置，而为了与凸起5实现卡合，另一半壳体的配合面的两侧设有凹槽6，且两个凹槽6沿外表面为圆柱形的铰座3的轴线方向对称设置。

可以理解的是，第一壳体31内侧配合面上的凸起5宽3mm、厚3mm、长6mm，第二壳体32内侧配合面上的凹槽6宽3mm、厚3mm、长6mm，凸起5、凹槽6距两半壳体的上下端面的距离均为4mm，通过凸起5和凹槽6的卡合，第一壳体31、第二壳体32二者装配形成铰座3。

本实施例中，为保证十字梁弹性件的弹性作用，每个弹性梁8均采用金属膜片。具体的，十字梁弹性件为位于同一平面的四个完全相同的金属膜片拼接而成，四个金属膜片两两均成90°十字对称分布，四个金属膜片的一端沿球杆2圆周中心对称布置，且十字梁弹性件的几何中心经过球杆2的轴线，四个金属膜片的另一端沿半圆球壳体7内球面中心对称布置，金属膜片的上表面与半圆球壳体7的底面重合，四个十字对称分布的每个金属膜片的上表面均粘贴有应变贴片9，且四个应变贴片9距离球杆2的轴线距离相等，即四个应变贴片9相对于球杆2轴线对称布置。

本实施例中，半圆球壳体7为一中部中空，厚度为H、直径为D的半圆形球壳，该半圆球壳体7的底面垂直于球杆2的轴线，且半圆球壳体7的底面位于球杆2的1/2长度位置处。

本实施例中，如图5所示，球头孔4由内侧的球形孔41和外侧的圆锥孔42组合而成，球形孔41靠内设置，圆锥孔42靠外设置，即针对图1中上面的球头1，球形孔在上，圆锥孔在下，且球形孔41的球心和圆锥孔42的轴线均位于外表面为圆柱形的铰座3的轴线上，且圆锥孔42的底面圆心位于铰座3底面的几何中心处。具体的，球头孔4为一直径8mm的球形孔41和一角度34°的圆锥孔42的组合形状。本发明的基于Stewart平台的传感器分支结构，球铰装配完成后，随着球杆2的运动，球头1能够在圆锥孔42的限制范围内内自由转动，因此，只要球杆长度满足传感器结构的要求，该球铰就能够适应多种传感器结构，应用场合广。

本实施例中，为了实现球与球头1的连接，球头1内设有与球杆2配合的内孔，且该内孔的轴线穿过所述球头的球心。更进一步的，球头内的内孔为一螺纹孔，球杆2的两端均设有外螺纹，且该外螺纹与球头1上的螺纹孔配合连接。

可以理解的是，为了保证铰座3与所需工件的连接，铰座3的外表面设有外螺纹，即本发明的第一壳体31、第二壳体32均设有外螺纹，且装配后的铰座3的外表面形成有完整的外螺纹，以此能够方便的将球铰装入上、下平台相应的螺纹孔中，或方便的装入其他带有相配合螺纹的传感器结构中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，包括球铰和弹性单元，所述球铰包括球头、球杆和铰座，所述球杆的两端分别连接有所述球头，所述铰座内设有与所述球头配合的球头孔，所述铰座包括配合连接的第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和第二壳体通过卡合结构连接；所述球杆上还设有所述弹性单元，所述弹性单元包括设于所述球杆上的半圆球壳体，所述半圆球壳体的底面设有四个弹性梁，四个所述弹性梁拼接成十字梁弹性件，所述十字梁弹性件的中心、所述半圆球壳体的轴线均与所述球杆的轴线重合，四个所述弹性梁上均设有应变贴片，四个所述应变贴片相对于所述球杆的轴线对称布置。

2.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述卡合结构具体设置为，所述第一壳体的配合面设有凸起，所述第二壳体的配合面设有与所述凸起配合的凹槽。

3.根据权利要求2所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述第一壳体的配合面对称设置所述凸起，所述第二壳体的配合面对称设置与所述凸起配合的凹槽。

4.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述球头孔由内侧的球形孔和外侧的圆锥孔组合而成，且所述球形孔的球心、所述圆锥孔的轴线均位于所述球头的轴线上。

5.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述半圆球壳体的底面位于所述球杆的1/2长度位置处。

6.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述球头上设有与所述球杆配合的内孔，且所述内孔的轴线穿过所述球头的球心。

7.根据权利要求6所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述内孔为螺纹孔，所述球杆的两端均设有与螺纹孔的内螺纹配合的外螺纹。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述铰座的外表面设有外螺纹。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述铰座为圆柱体结构。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的基于Stewart平台的传感器分支结构，其特征在于，所述弹性梁为金属膜片。

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