CN113739976B - 一种整体式结构解耦六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种整体式结构解耦六维力传感器，包括固定框、浮动平台、测力组件。浮动平台通过12个测力组件与固定框相连接。当该六维力传感器承载某方向力/力矩时，由于X元、Y元和Z元测力组件两两对称布置，其余分量上的作用力被相互抵消，故对其余分量没有干扰。本发明能够实现力与力之间相互解耦，力与力矩之间相互解耦，力矩与力矩之间相互解耦，具有结构解耦更彻底、标定方便、精度高、结构简单、使用方便等优点。且整体结构通过金属块一体切割成型，整体刚度较高。

Description

一种整体式结构解耦六维力传感器
技术领域
本发明属于力学传感器领域，尤其涉及结构解耦六维力传感器。
背景技术
六维力传感器一般由弹性敏感元件、应变计、惠斯顿电桥组成。它的基本原理是当构件受到外部载荷作用，被测量对象表面产生微小机械变形，变形与外力成正比关系。粘贴在表面的应变计随之发生相同的形变，使其电阻值有一个增量，通过惠斯顿电桥把电阻增量转化为电压增量，该电压增量与传感器所受外力也成正比。将电压信号通过数据采集与信号处理系统的处理，得到作用的外部载荷。目前，传统的六维力传感器很难完全实现结构解耦。
故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种整体式结构解耦六维力传感器，目的是完全实现或者近似完全实现结构解耦；结构强度高不易损坏。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种整体式结构解耦六维力传感器，包括固定框、位于固定框上方的浮动平台；所述浮动平台具有水平面的对称中心；所述固定框与浮动平台之间设置若干测力组件；
所述若干测力组件包括设置在水平第一方向的四个X测力组件、设置在水平第二方向的四个Z测力组件、设置在竖直方向的四个Y测力组件；所述水平第一方向与水平第二方向在水平面内相互垂直，竖直方向同时与水平面内的水平第一方向、水平第二方向垂直；
四个X测力组件两两一组对称的设置于对称中心两侧；每个X测力组件均设有X向拉杆及位于X向拉杆一端的X向测力元件，且X向测力元件向上延伸并与浮动平台连接；所述固定框设有位于每一组的两个X测力组件之间的X下立柱；每一组中的两个X向拉杆同轴设置，两个X向拉杆分别连接于一个X下立柱的两侧；
四个Z测力组件两两一组对称的设置于对称中心另外两侧，每个Z测力组件均设有Z向拉杆及位于Z向拉杆一端的Z向测力元件，且Z向测力元件向上延伸并与浮动平台连接；所述固定框设有位于每一组的两个Z测力组件之间的Z下立柱；每一组中的两个Z向拉杆同轴设置，两个Z向拉杆分别连接于一个Z下立柱的两侧；
四个Y测力组件位于浮动平台的四角位置；每个Y测力组件均设有Y向拉杆及位于Y向拉杆一端的Y向测力元件；且浮动平台的四角分别设置一个Y向测力元件；四个Y向拉杆在竖直方向延伸并与固定框连接，四个Y测力组件中两两相对对称中心对称设置。
进一步的，所述固定框、浮动平台及若干测力组件均为一块金属块一体切割成型。
进一步的，每个X向拉杆、Z向拉杆、Y向拉杆均为二力杆。
进一步的，所述每个二力杆的两端均设置柔性球铰，该柔性球铰包括与测力元件连接的第一长条状连接部及与二力杆一端连接的第二长条状连接部，所述第一长条状连接部的纵长延伸方向与第二长条状连接部的纵长延伸方向垂直，且第一长条状连接部与第二长条状连接部直接连接有一个连接板；所述测力元件为X向测力元件、Z向测力元件或Y向测力元件。
进一步的，所述四个Y向测力元件分别设置于浮动平台的四个角，且Y向测力元件的厚度小于浮动平台的厚度，四个Y向测力元件与浮动平台共同形成的外边缘形成正方形的边缘。
进一步的，当在对称中心对浮动平台施加力或者力矩时，12个测力组件同时施力于浮动平台。
进一步的，所述浮动平台包括浮动平台，所述X向测力元件、Z向测力元件自浮动平台的底面向下延伸；所述X向测力元件、Z向测力元件与浮动平台共同形成的结构仍然是中心对称结构。
本发明技术方案的有益效果如下：
本发明提供的整体式结构解耦六维力传感器采用金属块一体切割成型，整体刚度较高以避免出现组装件组装工艺中带来的较大公差而造成使用时的精度降低。
该结构解耦六维力传感器能够实现力与力之间相互解耦；力与力矩之间相互解耦力矩与力矩之间相互解耦，具有结构解耦彻底、标定方便、精度高、结构简单、使用方便等优点。
附图说明
图1为本发明整体式结构解耦六维力传感器的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的侧视图；
图4为图1的剖视图；
图5为固定框的结构示意图；
图6为测力组件的结构示意图；
图7为测力组件的正视图。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示，本发明公开以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图7所示，本发明的提供的该整体式结构解耦六维力传感器，包括固定框1、位于固定框1上方的浮动平台2。所述浮动平台2具有水平面的对称中心。所述固定框1与浮动平台2之间设置若干测力组件。
所述若干测力组件包括设置在水平第一方向的四个X测力组件3、4、5、6，及设置在水平第二方向的四个Z测力组件11、12、13、14，以及设置在竖直方向的四个Y测力组件7、8、9、10。所述水平第一方向与水平第二方向在水平面内相互垂直，竖直方向同时与水平面内的水平第一方向、水平第二方向垂直。在本实施方式中，为方便对浮动框2的对称中心、水平第一方向、水平第二方向、竖直方向的理解，可以参照图1至图3中所示，其中浮动框2的对称中心为O点，水平第一方向、水平第二方向、竖直方向可以理解为以O点为原点的三维直角坐标的三个方向，其中X方向为水平第一方向，Y方向为水平第二方向，Z方向为竖直方向。四个X测力组件3、4、5、6两两一组(X测力组件3、4一组；X测力组件5、6一组)对称的设置于对称中心O两侧。每个X测力组件均设有X向拉杆21及位于X向拉杆21一端的X向测力元件22。且X向测力元件22向上延伸并与浮动平台2连接。所述固定框1设有位于每一组的两个X测力组件之间的X下立柱16。每一组中的两个X向拉杆21同轴设置，两个X向拉杆21分别连接于一个X下立柱16的两侧。
四个Z测力组件11、12、13、14两两一组对称的设置于对称中心另外两侧，每个Z测力组件均设有Z向拉杆23及位于Z向拉杆23一端的Z向测力元件24。且Z向测力元件24向上延伸并与浮动平台2连接。所述固定框1设有位于每一组的两个Z测力组件之间的Z下立柱17。每一组中的两个Z向拉杆23同轴设置，两个Z向拉杆23分别连接于一个Z下立柱17的两侧。
四个Y测力组件7、8、9、10位于浮动平台2的四角位置。每个Y测力组件均设有Y向拉杆25及位于Y向拉杆25一端的Y向测力元件26。且浮动平台2的四角分别设置一个Y向测力元件。四个Y向拉杆25在竖直方向延伸并与固定框1连接。四个Y测力组件中两两相对对称中心对称设置。
在本实施方式种，所述固定框1、浮动平台2及若干测力组件均为一块金属块一体切割成型。该一体切割成型的优点是整体刚度较高以避免出现组装件组装工艺中带来的较大公差而造成使用时的精度降低。每个X向拉杆、Z向拉杆、Y向拉杆均为二力杆。所述每个二力杆的两端均设置柔性球铰30，该柔性球铰包括与测力元件或者固定框1连接的第一长条状连接部31，及与二力杆一端连接的第二长条状连接部32。所述第一长条状连接部31的纵长延伸方向与第二长条状连接部32的纵长延伸方向垂直，且第一长条状连接部与第二长条状连接部直接连接有一个连接板33。所述测力元件为X向测力元件、Z向测力元件或Y向测力元件。在本实施方式种，结合图6、图7可以看到，所述第一长条状连接部31、第二长条状连接部32也是通过金属切割而成型的，在二力杆横截面为方形的情况下，第一长条状连接部31可以通过向背两侧的二力杆一端同时向内切割凹槽形成位于两侧凹槽中间的长条状连接部分作为第一长条状连接部31；同理，第二长条状连接部32可以通过另外的两侧同时向内切割凹槽形成位于两侧凹槽中间的长条状连接部分作为第一长条状连接部32。
而为了使整体的结构紧凑完整，所述四个Y向测力元件7、8、9、10分别设置于浮动平台2的四个角，且Y向测力元件7、8、9、10的厚度小于浮动平台2的厚度，四个Y向测力元件与浮动平台共同形成的外边缘形成正方形的边缘。
当在对称中心对浮动平台2施加力或者力矩时，12个测力组件同时施力于浮动平台。所述X向测力元件22、Z向测力元件24自浮动平台2的底面向下延伸；所述X向测力元件22、Z向测力元件24与浮动平台2共同形成的结构仍然是中心对称结构。
本发明整体式结构解耦六维力传感器的使用原理为：
当在点O施加X方向力时，不会产生力矩，但会导致12个测力组件同时施力于浮动框，此12个拉杆组件对浮动框2既有X方向的作用力，同时有Y、Z方向的作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6，4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置，各拉杆组件对浮动框2产生的Z方向作用力相互抵消，4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2产生的四个Y方向作用力和4组X测力组件3、4、5、6与4组Z测力组件11、12、13、14对浮动框2产生的八个Y方向作用力大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O施加X方向力时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个X测力组件3、4、5、6上的测力元件导出所测得的X方向力数据。在本实施方式中，可以通过在测力元件上贴应变片的方式导出相关力学数据。
当在点O施加Y方向力时，不会产生力矩，但会导致12个测力组件同时施力于浮动框，其中4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2的有Y方向作用力且对浮动框2没有X、Z方向的力；4个X测力组件3、4、5、6和4个Z测力组件11、12、13、14不仅对浮动框2有Y方向的作用力，还有X、Z方向的作用力，由于4个X测力组件3、4、5、6和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置，X、Z方向的作用力分别相互抵消。故当在点O施加Y方向力时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个Y测力组件7、8、9、10上的测力元件导出所测得的Y方向力数据。
当在点O施加Z方向力时，与在点O施加X方向力时同理。
当在点O作用Mx力矩时，12个测力组件同时施力于浮动框2,4个X测力组件3、4、5、6对浮动框2有X、Y方向作用力，4个Z测力组件11、12、13、14对浮动框2有Z、Y方向作用力,4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2有Z、Y方向作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6、4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置,12个测力组件3～14对浮动框2的作用力在O点产生的My、Mz力矩分别两两大小相等方向相反，相互抵消；12个测力组件3～14对浮动框2产生的X、Y和Z方向作用力分别两两大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O作用Mx力矩时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个X测力组件3、4、5、6上的测力元件导出所测得的Mx力矩数据。
当在点O作用My力矩时，12个测力组件同时施力于浮动框2，并且分别有X、Y和Z方向作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6、4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置，12个测力组件3～14对浮动框2有Y方向作用力，在O点产生的Mx、Mz力矩分别两两大小相等方向相反，相互抵消；12个测力组件3～14对浮动框2产生的X方向作用力和Z方向作用力分别两两大小相等方向相反，相互抵消；4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2产生的四个Y方向作用力和4组X测力组件3、4、5、6与4组Z测力组件11、12、13、14对浮动框2产生的八个Y方向作用力大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O作用My力矩时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个Y测力组件7、8、9、10上的测力元件导出所测得的My力矩数据。
当在点O作用Mz力矩时，与在点O作用Mx力矩时同理。
综上所述，本发明整体式结构解耦六维力传感器在任意方向施加载荷时，对其它五个分量没有干扰，实现六维力传感器结构完全解耦。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (6)

1.一种整体式结构解耦六维力传感器，包括固定框、位于固定框上方的浮动平台；所述浮动平台具有水平面的对称中心；其特征在于，所述固定框与浮动平台之间设置若干测力组件；
所述若干测力组件包括设置在水平第一方向的四个X测力组件、设置在水平第二方向的四个Z测力组件、设置在竖直方向的四个Y测力组件；所述水平第一方向与水平第二方向在水平面内相互垂直，竖直方向同时与水平面内的水平第一方向、水平第二方向垂直；
四个X测力组件两两一组对称的设置于对称中心两侧；每个X测力组件均设有X向拉杆及位于X向拉杆一端的X向测力元件，且X向测力元件向上延伸并与浮动平台连接；所述固定框设有位于每一组的两个X测力组件之间的X下立柱；每一组中的两个X向拉杆同轴设置，两个X向拉杆分别连接于一个X下立柱的两侧；
四个Z测力组件两两一组对称的设置于对称中心另外两侧，每个Z测力组件均设有Z向拉杆及位于Z向拉杆一端的Z向测力元件，且Z向测力元件向上延伸并与浮动平台连接；所述固定框设有位于每一组的两个Z测力组件之间的Z下立柱；每一组中的两个Z向拉杆同轴设置，两个Z向拉杆分别连接于一个Z下立柱的两侧；
四个Y测力组件位于浮动平台的四角位置；每个Y测力组件均设有Y向拉杆及位于Y向拉杆一端的Y向测力元件；且浮动平台的四角分别设置一个Y向测力元件；四个Y向拉杆在竖直方向延伸并与固定框连接，四个Y测力组件中两两相对对称中心对称设置；
所述固定框、浮动平台及若干测力组件均为一块金属块一体切割成型。
2.根据权利要求1所述的整体式结构解耦六维力传感器，其特征在于，每个X向拉杆、Z向拉杆、Y向拉杆均为二力杆。
3.根据权利要求2所述的整体式结构解耦六维力传感器，其特征在于，所述每个二力杆的两端均设置柔性球铰，该柔性球铰包括与测力元件连接的第一长条状连接部及与二力杆一端连接的第二长条状连接部，所述第一长条状连接部的纵长延伸方向与第二长条状连接部的纵长延伸方向垂直，且第一长条状连接部与第二长条状连接部直接连接有一个连接板；所述测力元件为X向测力元件、Z向测力元件或Y向测力元件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的整体式结构解耦六维力传感器，其特征在于，所述四个Y向测力元件分别设置于浮动平台的四个角，且Y向测力元件的厚度小于浮动平台的厚度，四个Y向测力元件与浮动平台共同形成的外边缘形成矩形的边缘。
5.根据权利要求4所述的整体式结构解耦六维力传感器，其特征在于，当在对称中心对浮动平台施加力或者力矩时，12个测力组件同时施力于浮动平台。
6.根据权利要求5所述的整体式结构解耦六维力传感器，其特征在于，所述浮动平台包括浮动平台，所述X向测力元件、Z向测力元件自浮动平台的底面向下延伸；所述X向测力元件、Z向测力元件与浮动平台共同形成的结构仍然是中心对称结构。
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