CN114112158B - 一种约束并联式三维力/力矩传感器 - Google Patents

一种约束并联式三维力/力矩传感器 Download PDF

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Abstract

一种约束并联式三维力/力矩传感器，包括下部的圆盘形固定平台、上部的圆环形力加载平台，所述的力加载平台中部连接有圆盘形的辐板，在辐板的中心和固定平台的中心之间连接有同轴线的中间立柱，在固定平台的上表面与力加载平台的下表面之间至少连接有N个力测量支链，该辐板作为约束单元使传感器具有较强的抗横向力和抗扭矩的能力，且辐板外圆周面和N个测量支链并联固结于圆环形力加载平台。通过加工调节辐板厚度，在传感器构型结构和分支测力量程均保持不变的前提下，可改变传感器的量程范围和测量灵敏度，因而适用范围和应用场景更为广泛。

Description

一种约束并联式三维力/力矩传感器
技术领域
本发明属于力/力矩传感器的技术领域，尤其涉及一种约束并联式三维力/力矩传感器。
背景技术
三维力/力矩传感器可用于监测方向和大小不断变化的空间三个相互垂直方向分力/力矩信息，是非常重要的一类传感器，广泛应用于机器人、航空、航天、汽车及体育运动测试等领域中，具有重要的应用价值。现有的多维力/力矩传感器大多集中于感知空间全维度力/力矩载荷的六维力传感器，而在一些工业场合，需要感知的力/力矩载荷的维度通常低于六维，当测量维度高的六维力传感器用于低维力/力矩感知时，势必将造成功能和测量通道冗余。市面上商用的六维力传感器价格相对较高，而工业机器人在抓取、包装、抛光、磨削等需要与环境交互作业场合，需要配备的力/力矩传感器的维数通常低于六维，因而运营成本较难控制。
三维力/力矩传感器是低维力传感器应用较多的一种类型，比如中国专利CN201096563Y提供一种可用于机器人腕部和踝关节的并联解耦结构三维力传感器，中国专利CN107314853A提供一种同时兼具刚性和柔性的可变性三维力传感器，中国专利CN108225622A提供了一种灵敏度高、维间耦合小的四个方梁十字正交的三维力传感器。上述传感器虽可以有效检测三维力/力矩载荷，但在非期望测量载荷方向的整体刚度较弱，进而造成执行器末端操作精度降低，因未设计有感知非测量方向力/力矩载荷幅值，执行器执行作业过程中，极易因冲击、碰撞等突发情况发生传感器非期望破坏。
发明内容
为解决上述问题，本专利提出一种约束并联式三维力/力矩传感器。
本发明的技术方案：一种约束并联式三维力/力矩传感器，包括中心对应的下部圆盘形固定平台和上部圆环形力加载平台，其特征是：
所述的力加载平台中部连接有圆盘形的辐板，在辐板的中心和固定平台的中心之间连接有同轴的中间立柱，在固定平台的上表面与力加载平台的下表面之间至少连接有N个力测量支链，N≥3，N个力测量支链沿圆周均匀分布；
所述的力测量支链包括位于支链两端与力加载平台、固定平台连接并呈上、下轴对称布置的两个铰链结构，以及位于中部呈中心对称形状的S型力传感器弹性体，铰链结构包括两端的圆盘形薄梁和连接在两个薄梁中心的缺口型弹性球铰链；
S型力传感器弹性体包括两个呈中心对称布置7字形直角钩体，每个直角钩体的水平段与两端的铰链结构的圆盘形薄梁连接，每个直角钩体的竖向段的端部均横向伸出有矩形薄梁连接至对面直角钩体的竖向段内侧面；
该传感器所有构件之间为一体式加工成型结构。
优选的，所述的辐板外圆周面和N个测量支链并联固结于圆环形力加载平台。
优选的，所述的固定平台与力加载平台直径相同且厚度相同。
优选的，所述的辐板厚度小于力加载平台厚度，辐板周边沿与力加载平台内侧面固定连接。
优选的，所述的N个力测量支链沿圆周均匀分布在固定平台与力加载平台的靠近边沿处。
优选的，所述的矩形薄梁横向宽度与7字形直角钩体横向宽度相同，所述的圆盘形薄梁的直径与直角钩体横向宽度匹配。
优选的，所述的圆盘形的薄梁和缺口型弹性球铰链的轴线通过S型力传感器弹性体的横向中心面并经过其对称中心点。
优选的，在固定平台上两相邻的力测量支链连接位置之间的居中处设有安装孔，在力加载平台上两相邻的力测量支链连接位置之间的居中处设有加载连接孔，安装孔和加载连接孔上下位置对应。
优选的，所述的缺口型弹性球铰链的两端与薄梁中心呈弧面过渡连接。
优选的，所述的力加载平台中心为台阶孔。
本发明的有益技术效果是：(1)通过增设辐板，使传感器具有较强的抗横向力和抗扭矩载荷的能力；(2)通过加工调节辐板厚度，可调整传感器的整体刚体和承载能力，因而在分支小量程测力情况下，实现传感器大测量范围的测力和力矩；(3)通过测量支链对称布置，可方便力和力矩输出信号的解算；(4)测量支链两端的弹性球铰链，可以确保S型力传感器仅感知拉压力载荷,进而可消除载荷传递时产生的信号串扰；(5)一体式成型结构可以确保传感器具有较高的线性度和测量精度。
附图说明
图1是实施例一一种种约束并联式三维力/力矩传感器主视结构示意图；
图2是图1的A-A剖面结构示意图；
图3是图1的B-B剖面结构示意图；
图4是图1的C-C剖面结构示意图；
图5是图1的立体结构示意图；
图6是实施例二中约束并联式三维力/力矩传感器主视结构示意图；
图7是图6的D-D俯视剖面结构示意图
图8是图6的立体结构示意图；
图2、图3中虚线是各个部分之间的虚拟分界线，是为了该专利内容是清楚表达而绘制的，该传感器的实际制作和生产中不存在该分界线。
图中：1.固定平台、11.安装孔、2.力加载平台、21.力加载孔、3.辐板、4.立柱、5.力测量支链、51.圆盘形薄梁、52. 缺口型弹性球铰链、53. 矩形薄梁、54.直角钩体、541.水平段、542.竖向段、6.传感器贴片。
具体实施方式
实施例一：参见图1-5，图中一种约束并联式三维力/力矩传感器，包括中心对应的下部圆盘形固定平台和上部圆环形力加载平台，其特征是：
所述的力加载平台中部连接有圆盘形的辐板，在辐板的中心和固定平台的中心之间连接有同轴的中间立柱，该辐板能使传感器具有较强的抗横向力和抗扭矩载荷的能力；通过加工调节辐板厚度，在传感器构型结构和分支测力量程均保持不变的前提下，可改变传感器的量程范围和测量灵敏度
在固定平台的上表面与力加载平台的下表面之间至少连接有N个力测量支链，N=4，N个力测量支链沿圆周均匀分布；所述的力测量支链包括位于两端与力加载平台、固定平台连接并呈上、下轴对称布置的两个铰链结构，以及位于中部呈中心对称形状的S型力传感器弹性体，铰链结构包括两端的圆盘形的薄梁、和连接在两个薄梁中心的缺口型弹性球铰链；S型力传感器弹性体包括两个呈中心对称布置7字形直角钩体，每个直角钩体的水平段与两端的铰链结构的圆盘形薄梁连接，每个直角钩体的竖向段的端部均横向伸出有矩形薄梁连接至对面直角钩体的竖向段内侧面；上述测量支链圆周均匀对称布置，同时测量支链本身也是对称结构，可方便力和力矩输出信号的解算；测量支链两端的弹性球铰链，可以确保S型力传感器仅感知拉压力载荷,进而可消除载荷传递时产生的信号串扰。该传感器所有构件之间为一体成型结构，可以确保传感器具有较高的线性度和测量精度。
所述的固定平台与力加载平台直径相同且厚度相同。
所述的辐板厚度小于力加载平台厚度，辐板周边沿与力加载平台内侧面固定连接。
所述的N个力测量支链沿圆周均匀分布在固定平台与力加载平台的靠近边沿处。
所述的矩形薄梁横向宽度与7字形直角钩体横向宽度相同，所述的圆盘形薄梁的直径与直角钩体横向宽度匹配。
所述的圆盘形的薄梁和缺口型弹性球铰链的轴线通过S型力传感器弹性体的横向中心面并经过其对称中心点。
在固定平台上相邻的力测量支链连接位置之间的居中处设有安装孔，在力加载平台上相邻的力测量支链连接位置之间的居中处设有加载连接孔，安装孔和加载连接孔上下位置对应。
所述的缺口型弹性球铰链的两端与薄梁中心呈弧面过渡连接。
所述的力加载平台中心为台阶孔。
该传感器在使用时：当外加载荷作用于力加载平台时，传感器可以检测加载平面上的一维法向力和二维正交力矩，而当外加载荷偏离力加载平台法向轴线一定距离时，传感器可以检测解算作用于加载平台上的三维正交力。
实施例二：参见图6-8，实施例二与实施例一基本相同，相同之处不重述，不同之处为，实施例二中的在固定平台的上表面与力加载平台的下表面之间至少连接有N个力测量支链，N=3，N个力测量支链沿圆周均匀分布。
上述实施例一和二中，传感器贴片可以贴在两个矩形薄梁的内侧相对的表面上，如图2中所示。
上列说明是针对本发明可行实施例的具体说明，两实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (9)

1.一种约束并联式三维力/力矩传感器，包括中心对应的下部圆盘形固定平台和上部圆环形力加载平台，其特征是：
所述的力加载平台中部连接有圆盘形的辐板，在辐板的中心和固定平台的中心之间连接有同轴的中间立柱；所述的辐板厚度小于力加载平台厚度，辐板周边沿与力加载平台内侧面固定连接；在固定平台的上表面与力加载平台的下表面之间至少连接有N个力测量支链，N≥3，N个力测量支链沿圆周均匀分布，每个测量支链长度方向的轴线均与中间立柱轴线平行；
所述的力测量支链包括位于支链两端与力加载平台、固定平台连接并呈上、下轴对称布置的两个铰链结构，以及位于中部呈中心对称形状的S型力传感器弹性体，铰链结构包括两端的圆盘形薄梁和连接在两个薄梁中心的缺口型弹性球铰链；
S型力传感器弹性体包括两个呈中心对称布置7字形直角钩体，每个直角钩体的水平段与两端的铰链结构的圆盘形薄梁连接，每个直角钩体的竖向段的端部均横向伸出有矩形薄梁连接至对面直角钩体的竖向段内侧面；传感器贴片贴在两个矩形薄梁的内侧相对的表面上，两个矩形薄梁之间为空白区域；
该传感器所有构件之间为一体式加工成型结构。
2.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的辐板外圆周面和N个测量支链并联固结于圆环形力加载平台。
3.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的固定平台与力加载平台直径相同且厚度相同。
4.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的N个力测量支链沿圆周均匀分布在固定平台与力加载平台的靠近边沿处。
5.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的矩形薄梁横向宽度与7字形直角钩体横向宽度相同，所述的圆盘形薄梁的直径与直角钩体横向宽度匹配。
6.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的圆盘形的薄梁和缺口型弹性球铰链的轴线通过S型力传感器弹性体的横向中心面并经过其对称中心点。
7.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：在固定平台上两相邻的力测量支链连接位置之间的居中处设有安装孔，在力加载平台上两相邻的力测量支链连接位置之间的居中处设有加载连接孔，安装孔和加载连接孔上下位置对应。
8.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的缺口型弹性球铰链的两端与薄梁中心呈弧面过渡连接。
9.根据权利要求1所述的约束并联式三维力/力矩传感器，其特征是：所述的力加载平台中心为台阶孔。
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