CN107702835A - 可重构并联三维力/力矩传感器 - Google Patents

可重构并联三维力/力矩传感器 Download PDF

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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force

Abstract

一种可重构并联三维力/力矩传感器，包括测力平台、下平台以及连接测力平台和下平台之间的三条结构完全相同的测力分支。三条测力分支均包括直线导轨、拉压力传感器、滑块、连杆A、连杆B、转动轴安装座、转动轴、固定连杆等。三组直线导轨均布在下平台上，测力分支的拉压力传感器固定连接在直线导轨上，滑块顶部通过第一转动副与连杆B的一端相连接，连杆B的另一端与连杆A一端通过第二移动副相连接，连杆A的另一端通过转动轴与转动轴安装座组成的第二转动副相连接，转动轴安装座的上端与固定连杆通过第三转动副相连接，固定连杆通过螺栓与测力平台固定连接。本发明通过在转动轴安装座不同位置安装转动轴实现三维力测量与三维力矩测量之间转换。

Description

可重构并联三维力/力矩传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器，尤其涉及三维力/力矩传感器。
背景技术
三维力/力矩传感器是能同时检测空间三维的力/力矩的装置，三维力传感器和三维力矩传感器在航空航天、汽车、机器人、自动化设备等领域都有广泛的应用需求。目前国内有多项有关专利技术，如CN204788747U提供了一种应变式小量程三维力传感器，其可以满足对三维力的测量，测量维间耦合小，对一定量程的扭矩不敏感，受其干扰小，精度高。CN206074171U提供了一种衬套三维力传感器，通过在弹性体上设置三种不同的结构，分别对每个维度的力进行测量，各维度之间的信号单独测量，相互之间不会出现串扰，传感器测量精度高。CN205449351U提供了一种小型三维力传感器，适用于工业智能机器人手指三维力的测量，拓展了三维力传感器的应用范围。CN101571433B提供了一种三维力传感器，通过贴于传感器主体的四个侧面的四个相同的应变片，与相应的电阻构成独立单臂桥电路，可以测量三维力，具有重量轻体积小等优点。CN205449351U提供了一种电磁补偿式三维力矩传感器，通过电磁补偿的方式可以将小量程、灵敏度高的三维力矩传感器在保持三维力矩传感器灵敏度不降低的情况下，显著增大力矩传感器的量程。CN201096563提供了一种并联解耦结构三维力矩传感器，包括运动平台、固定平台以及连接于运动平台和固定平台间的四条支链，其中三个支链结构完全相同，分别沿三个互相垂直的方向布置，三条支链均包括一个弹性体，通过检测三个弹性体上的应变片就可获得运动平台所受的三维力矩。以上几类传感器均只能单独测量空间三维力或三维力矩，而不能实现测量三维力与测量三维力矩之间的转换。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现测量三维力与测量三维力矩之间转换的一种可重构并联三维力/力矩传感器。本发明主要是通过在转动轴安装座不同位置安装转动轴实现三维力测量与三维力矩测量之间转换。
本发明主要包括测力平台、下平台以及连接测力平台和下平台之间的三条结构完全相同的测力分支。其中，测力平台和下平台均为圆形平板，在两平台上各设三组呈120°分布的螺纹孔，并且测力平台和下平台所设的三组呈120°分布的螺纹孔相对应。三条测力分支均包括直线导轨、拉压力传感器、滑块、连杆A、连杆B、转动轴安装座、转动轴及固定连杆，其中三组直线导轨底面由穿过下平台所述螺纹孔的螺栓固定在下平台上，导轨顶面为与下平台之间有夹角的斜面且斜面高的一端朝向中心。直线导轨内设有开口位于斜面上的阶梯形凹槽，斜面高的一端槽底深度浅，斜面低的一端槽底深度深。在斜面高的一端槽底上设有拉压力传感器，该拉压力传感器一端的螺杆穿过直线导轨凹槽壁上的通孔而位于直线导轨外的部分设有螺母，用于将拉压力传感器固定连接在直线导轨上，该拉压力传感器另一端的螺杆则穿过滑块上的前后贯穿通孔，并由设在前后贯穿通孔旁的螺母固定，该滑块置于直线导轨深度深的凹槽内组成第一移动副，滑块顶部通过第一转动副与连杆B的一端相连接，连杆B的另一端与连杆A一端通过第二移动副相连接，连杆A的另一端通过转动轴与转动轴安装座组成的第二转动副相连接，在转动轴安装座上有两处不同的位置可安装转动轴，转动轴安装座为下开口的正方形壳体，其周围四个面中心各设一个通孔且相对面上的两个通孔为一组通孔，其中通孔的中心线与第一移动副平行的为Ⅰ组通孔，通孔的中心线与第一移动副垂直的为Ⅱ组通孔，在两组通孔内均可安装转动轴。连杆A的上端为与转动轴安装座下开口正方形壳体对应并可置于其内的正方体杆，连杆A上部设开口位于正方体四个面中心且轴线垂直相交的两个通孔，这两通孔分别与转动轴安装座上的Ⅰ组通孔和Ⅱ组通孔同轴线。两端设有螺纹的转动轴穿过转动轴安装座上一组通孔和连杆A上通孔后用螺母将其固定连接在转动轴安装座上，连杆A可在一定角度内绕转动轴转动。转动轴是用螺母连接，可以松开螺母进行拆卸，实现可在转动轴安装座不同位置安装转动轴。转动轴安装座的上端与固定连杆通过第三转动副相连接，即转动轴安装座顶部中间设外凸的短轴，其置于固定连杆下端的内孔中，固定连杆上端设一顶面平行于下平台底面的连接件，其上设有螺纹孔，穿过连接件螺纹孔及与加载平台对应螺纹孔用螺栓将两者固定连接并使测力平台与下平台平行。上述所述的测力分支中第一转动副的中心线与第一移动副平行，第二移动副和第三转动副的中心线与第一移动副垂直，三条测力分支上第三转动副中心线空间汇交于一点。
当传感器作为三维力传感器，测量三维力时，把转动轴安装在转动轴安装座Ⅰ组通孔(通孔的中心线与第一移动副平行)处，使第二转动副的中心线与第一移动副平行。空间三维力施加到测力平台，由拉压式单维力传感器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。当传感器作为三维力矩传感器，测量三维力矩时，把转动轴安装在转动轴安装座Ⅱ组通孔(通孔的中心线与第一移动副垂直)处，使第二转动副的中心线与第一移动副垂直。空间三维力矩施加到测力平台，由拉压式单维力传感器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矩的大小和方向。
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可重构的三维力/力矩传感器，可以通过在转动轴安装座不同位置安装转动轴实现三维力测量与三维力矩测量之间转换，结构对称，工作原理清晰。
2.本发明的可重构的三维力/力矩传感器为并联式结构具有刚度大、承载高的特点。本发明由分离元件组装而成，易于实现系列化且便于加工制造，其上下圆形结构可以方便与外界连接，更加适合多种应用场合。
附图说明
图1是本发明主视示意简图。
图2是本发明测力分支拉压力传感器与其他部件连接的立体示意简图。
图3是本发明测力分支拉压力传感器与其他部件连接关系主视剖面示意简图。
图4是本发明测力分支安装在位置Ⅰ处的转动轴与其他部件连接的立体示意图。
图5是图4中沿转动轴线横剖的剖面示意简图。
其中，1、测力平台，2、固定连杆，3、转动轴，4、转动轴安装座，5、连杆A，6、连杆B，7、滑块，8、直线导轨，9、下平台，10、拉压力传感器。
具体实施方式
在图1所示的可重构并联三维力/力矩传感器主视示意简图中，测力平台1和下平台9均为圆形平板，在两平台上各设三组呈120°分布的螺纹孔，并且测力平台和下平台所设的三组呈120°分布的螺纹孔相对应。三条测力分支中的三组直线导轨8底面由穿过下平台9所述螺纹孔的螺栓固定在下平台9上，如图2和图3所示，直线导轨8顶面为与下平台9之间有夹角的斜面且斜面高的一端朝向中心。直线导轨8内设有开口位于斜面上的阶梯形凹槽，斜面高的一端槽底深度浅，斜面低的一端槽底深度深。在斜面高的一端槽底上设有拉压力传感器10，该拉压力传感器10一端的螺杆穿过直线导轨8凹槽壁上的通孔而位于直线导轨8外的部分设有螺母，该拉压力传感器10另一端的螺杆则穿过滑块7上的前后贯穿通孔，并由设在前后贯穿通孔旁的螺母固定，滑块7置于直线导轨8深度深的凹槽内组成第一移动副，滑块7顶部通过由滑块7顶部的支耳及支耳内的销轴组成的第一转动副与曲拐形连杆B6一端的通孔相连接，连杆B(6)的另一端与连杆A5一端通过第二移动副相连接，即连杆B6的另一端为方管，连杆A5的正方体杆一端插在连杆B6内，连杆A5的另一端通过转动轴3与转动轴安装座4组成的第二转动副相连接，如图4和图5所示，在转动轴安装座4上有两处不同的位置可安装转动轴3，转动轴安装座4为下开口的正方形壳体，其周围四个面中心各设一个通孔且相对面上的两个通孔为一组通孔，其中通孔的中心线与第一移动副平行的为Ⅰ组通孔，通孔的中心线与第一移动副垂直的为Ⅱ组通孔，在两组通孔内均可安装转动轴3。连杆A5的上端为与转动轴安装座4下开口正方形壳体对应并可置于其内的正方体杆，其边长略小装动轴安装座4正方形壳体内侧长度这句话需要删掉，因为前面一句已写有可置于其内，图上看得也清楚，就不用再重复，况且略字属于不确定语言，专利不允许使用连杆A5上部设开口位于正方体四个面中心且轴线垂直相交的两个通孔，这两通孔分别与转动轴安装座4上的Ⅰ组通孔和Ⅱ组通孔同轴线。两端设有螺纹的转动轴3穿过转动轴安装座上一组通孔和连杆A5上通孔后用螺母将其固定连接在转动轴安装座4上。转动轴安装座4的上端与固定连杆2通过第三转动副相连接，即转动轴安装座4顶部中间外凸的短轴，置于固定连杆2下端的内孔中，固定连杆2上端为顶面平行于下平台9底面的连接件，其上设有螺纹孔，穿过连接件螺纹孔及与加载平台1对应螺纹孔用螺栓将两者固定连接并使测力平台1与下平台平9行。上述所述的测力分支中第一转动副的中心线与第一移动副平行，第二移动副和第三转动副的中心线与第一移动副垂直，三条测力分支上第三转动副中心线空间汇交于一点。
其实各部件编号在实施例中出现一次就可以，你愿意多写也行，但撰写规定不得加括号，所以我将括号都给删掉。下面的红字与说明书优点前面部分重复，而且那段比这段说得还详细，所以下面这段应删掉。
当传感器作为三维力传感器，测量三维力时，把转动轴3安装在转动轴安装座4Ⅰ组通孔(通孔的中心线与第一移动副平行)处，使第二转动副的中心线与第一移动副平行。当传感器作为三维力矩传感器，测量三维力矩时，把转动轴3安装在转动轴安装座4Ⅱ组通孔(通孔的中心线与第一移动副垂直)处，使第二转动副的中心线与第一移动副垂直。

Claims (4)

1.一种可重构并联三维力/力矩传感器，其包括测力平台、下平台以及连接测力平台和下平台之间的三条结构完全相同的测力分支，其特征在于：三条测力分支均包括直线导轨、拉压力传感器、滑块、连杆A、连杆B、转动轴安装座、转动轴及固定连杆，其中三组直线导轨底面由穿过下平台所述螺纹孔的螺栓固定在下平台上，导轨顶面为与下平台之间有夹角的斜面且斜面高的一端朝向中心，直线导轨内设有开口位于斜面上的阶梯形凹槽，斜面高的一端槽底深度浅，斜面低的一端槽底深度深，在斜面高的一端槽底上设有拉压力传感器，该拉压力传感器一端的螺杆穿过直线导轨凹槽壁上的通孔而位于直线导轨外的部分设有螺母，该拉压力传感器另一端的螺杆则穿过滑块上的前后贯穿通孔，并由设在前后贯穿通孔旁的螺母固定，该滑块置于直线导轨深度深的凹槽内组成第一移动副，滑块顶部通过第一转动副与连杆B的一端相连接，连杆B的另一端与连杆A一端通过第二移动副相连接，连杆A的另一端通过转动轴与转动轴安装座组成的第二转动副相连接，转动轴安装座的上端与固定连杆通过第三转动副相连接，上述所述的测力分支中第一转动副的中心线与第一移动副平行，第二移动副和第三转动副的中心线与第一移动副垂直，三条测力分支上第三转动副中心线空间汇交于一点。
2.根据权利要求1所述的可重构并联三维力/力矩传感器，其特征在于：
测力平台和下平台均为圆形平板，在两平台上各设三组呈120°分布的螺纹孔，并且测力平台和下平台所设的三组呈120°分布的螺纹孔相对应。
3.根据权利要求1所述的可重构并联三维力/力矩传感器，其特征在于：
在转动轴安装座上有两处不同的位置可安装转动轴，转动轴安装座为下开口的正方形壳体，其周围四个面中心各设一个通孔且相对面上的两个通孔为一组通孔，其中通孔的中心线与第一移动副平行的为Ⅰ组通孔，通孔的中心线与第一移动副垂直的为Ⅱ组通孔，在两组通孔内均可安装转动轴，连杆A的上端为与转动轴安装座下开口正方形壳体对应并可置于其内的正方体杆，连杆A上部设开口位于正方体四个面中心且轴线垂直相交的两个通孔，这两通孔分别与转动轴安装座上的Ⅰ组通孔和Ⅱ组通孔同轴线，两端设有螺纹的转动轴穿过转动轴安装座上一组通孔和连杆A上通孔后用螺母将其固定连接在转动轴安装座上。
4.根据权利要求1所述的可重构并联三维力/力矩传感器，其特征在于：
转动轴安装座顶部中间设外凸的短轴，其置于固定连杆下端的内孔中，固定连杆上端设一顶面平行于下平台底面的连接件，其上设有螺纹孔，穿过连接件螺纹孔及与加载平台对应螺纹孔用螺栓将两者固定连接并使测力平台与下平台平行。
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