CN1828248A - 并联6-upur六维测力平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种并联6-UPUR六维测力平台。其特征是:一维测力分支通过下固定螺母(2)和上国定螺母(12)连接到基础平台(1)和加载平台(13)上,基础平台(1)、加载平台(13)和六个一维测力分支构成了空间6-UPUR并联机构。一维测力分支有两种结构:第一种为装配式一维测力分支结构;第二种结构是整个分支为一体。本发明基于新型6-UPUR并联机构的原理,实现了六维力向六个分支上的分解,特别是通过设计在加载平台上的六个柔性转动副和在分支内采用柔性万向铰链的结构方案,获得了一种简单的、全部由单自由度柔性转动副构成并联式六维测力平台结构。一维测力分支可用一维线性微驱动分支代替,使六维测力平台成为六维精密定位平台。因此本发明具有加工方便、结构简单、易于分析建模、性能稳定、适应性广等优点。

Description

并联6-UPUR六维测力平台
技术领域
本发明涉及一种力传感器领域,特别是涉及一种并联6-UPUR六维测力平台。
背景技术
测量六维力的关键是要将力的六个分量转化成六路电信号输出。为此人们设计出了许多种结构的六维力传感器敏感元件,例如三垂直筋结构、筒形结构、双环形结构、四垂直筋结构、十字结构、非径向三梁结构和八垂直筋结构等。这些传感器结构各具特点,但大多存在结构复杂、刚度低、应变灵敏度低、解耦难等不同方面的问题。因此,国内外一些学者已将并联结构引入到六维力传感器力敏元件结构的设计中。与其它结构相比,并联Stewart平台六维力传感器结构可以将作用于受力平台的六维力映射到六个SPS分支上(S-球铰,P-移动副),并且每个分支理论上仅承受单一的拉压载荷,消除了拉弯扭耦合的问题。Stewart平台六维力传感器结构的又一个优点是既可以通过采用柔性铰链而制造的很小,又可以采用普通球形铰链的装配结构制造成大测力范围、大量程的大型六维力传感器。但通过标定实验发现基于Stewart平台机构采用普通球形铰链装配结构制造成的大测力范围、大量程六维力传感器精度较差,难以达到高精度检测的要求。导致精度低的主要原因之一是球形铰链内存在间隙和摩擦。为了消除普通球形铰链内间隙和摩擦的影响,人们已提出了一种基于弹性球铰的Stewart平台型六维力传感器的解决方案,例如:中国专利ZL99102421.4公开的专利技术,其原理是用弹性良好金属棒的局部细脖代替普通球铰,由细脖处产生的弹性弯曲和扭转变形近似代替球铰的三维转动。目前这种结构已被开发成机器人手指用六维力传感器和六维力鼠标。但由于弹性球铰难以承受大的载荷,因而在开发大量程六维力传感器时受到了限制。另外,一种具有中间预紧分支的6-SPS六维力传感器结构也已被提出中国专利ZL99102526.1公开,这种结构通过中间分支预紧,可消除过零误差,但存在预紧力儒变等问题。
为了克服现有技术中弹性球铰难以承受较大载荷和存在的预紧力儒变等不足,本发明提供一种并联6-UPUR六维测力平台,该发明采用单自由度柔性转动铰链和一维高精度线性传感器(或应变片)通过装配构成六维力检测平台,这种平台结构既可消除普通球铰存在的间隙和摩擦,又能承受大的载荷,能够满足大量程的需要。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:并联6-UPUR六维测力平台由基础平台、加载平台和六个一维测力分支连接而成,一维测力分支通过下固定螺母和上固定螺母与基础平台和加载平台连接,基础平台为上台面和下台面两部分,加载罩通过螺杆与加载平台连接,基础平台、加载平台和六个一维测力分支构成了空间6-UPUR并联机构;
加载平台中心有一个连接孔,周边有三组六个连接耳,每组连接耳之间的夹角为120°,连接耳上加工一个与一维测力分支连接的孔,六个连接耳与中心圆盘形成六个柔性转动副;基础平台的上台面也可加工六个连接耳;
一维测力分支有以下两种结构:
第一种结构是:一维测力分支由下柔性万向铰链、下锁紧螺母、一维力传感器、下锁紧螺母、连接杆、上调整锁紧螺母、双向反螺纹调整螺母、上调整锁紧螺母和上柔性万向铰链连接而成,调整螺母两端分别加工有左旋螺纹和右旋螺纹;下柔性万向铰链和上柔性万向铰链的外形为长方体,在其相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,两组切槽使长方体成为轴线垂直相交的柔性转动副;
第二种结构是:一维测力分支为一次加工成型的一体式一维测力分支,其中部为长方体结构,两端有螺杆用于与基础平台和加载平台连接;长方体结构靠近螺杆两端相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,长方体结构的中部贴有应变片用于输出拉压载荷,一维测力分支由弹性材料加工而成;
一维测力分支可用一维线性微驱动分支所代替,使测力平台成为六维精密定位平台;所述一维线性微驱动分支的中部为长方体结构,两端的螺杆用于与基础平台和加载平台连接;长方体结构靠近螺杆两端相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,长方体结构的中部加工有上、下凸台的腔体,上、下凸台之间安装压电陶瓷直线驱动器,使一维测力分支变成一维驱动分支,使六维测力平台成为六维精密定位平台。
加载罩可制成球冠状、圆筒状和平板状,也可制成操作手柄。
本发明的有益效果是:本发明基于新型6-UPUR并联机构的原理,实现了六维力向六个分支上的分解,特别是通过将六个柔性转动副设计在加载平台上和在分支内采用柔性万向铰链的结构方案,获得了一种简单的、全部由单自由度柔性转动副(万向铰链相当于两个转动副)构成并联式六维测力平台结构。本发明具有加工方便、结构简单、易于分析建模、性能稳定、适应性广等优点。
附图说明
图1为并联6-UPUR六维测力平台的主视图;
图2为装配式一维测力分支结构图;
图3为一体式一维测力分支结构图;
图4为加载平台结构图;
图5为一维微驱动分支结构图;
图6为并联6-UPUR六维测力平台的轴测图;
图7为整体分支并联6-UPUR六维测力平台拆去加载罩的轴测图;
图8为并联6-UPUR六维精密定位平台的轴测图。
在图1-图5中,1.基础平台,2.下固定螺母,3.下柔性万向铰链,4.锁紧螺母,5.一维力传感器,6.锁紧螺母,7.连接杆,8.锁紧螺母,9.调整螺母,10.锁紧螺母,11.上柔性万向铰链,12.上固定螺母,13.加载平台,14.加载罩,15.螺母,16.一体式一维测力分支,17.应变片,18.连接耳,19.柔性铰链伸缩机构,20.压电陶瓷直线驱动器。
具体实施方式
实施例1
图1是本发明公开的一个实施例。装配式一维测力分支通过下固定螺母2和上固定螺母12与基础平台1和加载平台13连接。基础平台1为上台面和下台面两部分,加载罩14通过螺母15与加载平台13连接。基础平台1、加载平台13和六个装配式一维测力分支构成了空间6-UPUR并联机构。加载平台13的中心加工一个连接孔,周边有三组六个连接耳18,每组连接耳18之间的夹角为120°,连接耳18上加工一个孔,基础平台1的台面上也可加工六个连接耳18。装配式一维测力分支由下柔性万向铰链3、下锁紧螺母4、一维力传感器5、下锁紧螺母6、连接杆7、上调整锁紧螺母8、双向反螺纹调整螺母9、上调整锁紧螺母10和上柔性万向铰链11连接而成,锁紧螺母4、6、8和10用于螺纹连接后的锁紧,防止测力时螺纹松动。下柔性万向铰链3和上柔性万向铰链11的外形为长方体,在其相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,两组切槽使长方体成为轴线垂直相交的柔性转动副。传感器5为一维拉压力传感器,连接杆7用于连接传感器5与调整螺母9,调整螺母9两端分别加工有左旋螺纹和右旋螺纹,转动调整螺母9测力分支将缩短或伸长,其作用为各测力分支传感器调零。加载平台13用具有良好弹性的材料加工而成,其六个连接耳18与中心圆盘构成了六个柔性转动副。加载罩14可根据测力需要制成各种形状,如球冠状、圆筒状和平板状,也可是操作手柄。
实施例2
图3为本发明的第二种实施例,一维测力分支为一体式一维测力分支16,是一次加工成型的,它的中部为长方体结构,两端有螺杆用于与基础平台1和加载平台13连接;长方体结构靠近螺杆两端相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,长方体结构的中部贴有应变片17作为力敏感元件。一体式一维测力分支通过下固定螺母2和上固定螺母12与基础平台1和加载平台13连接。
实施例3
图5为微驱动分支示意图。一维测力分支可用一维线性微驱动分支19所代替,所述一维线性微驱动分支19,其中部为长方体结构,两端的螺杆用于与基础平台1和加载平台13连接;长方体靠近螺杆两端相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,长方体结构的中部加工有上、下凸台的腔体,上、下凸台间安装压电陶瓷直线驱动器20,压电陶瓷直线驱动器通电后伸长,从而实现分支的伸长。

Claims (7)

1.一种并联6-UPUR六维测力平台,由基础平台(1)、加载罩(14)和六个一维测力分支组成,其特征是:一维测力分支通过下固定螺母(2)和上固定螺母(12)与基础平台(1)和加载平台(13)连接,所述加载平台(13)中心有一个连接孔,周边有三组6个连接耳(18);基础平台(1)为上台面和下台面两部分,基础平台(1)的上台面也可加工六个连接耳(18);加载罩(14)通过螺母(15)与加载平台(13)连接。
2.根据权利要求1所述的并联6-UPUR六维测力平台,其特征是:每组连接耳(18)之间的夹角为120°,连接耳(18)上加工一个与一维测力分支连接的孔。
3.根据权利要求1或2所述的并联6-UPUR六维测力平台,其特征是:所述的一维测力分支由下柔性万向铰链(3)、下锁紧螺母(4)、一维力传感器(5)、下锁紧螺母(6)、连接杆(7)、上调整锁紧螺母(8)、双向反螺纹调整螺母(9)、上调整锁紧螺母(10)和上柔性万向铰链(11)连接而成,所述的下柔性万向铰链(3)和上柔性万向铰链(11)的外形为长方体,在其相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,两组切槽使长方体成为轴线垂直相交的柔性转动副。
4.根据权利要求3所述的并联6-UPUR六维测力平台,其特征是:所述的调整螺母(9)两端分别加工有左旋螺纹和右旋螺纹。
5.根据权利要求1或2所述的并联6-UPUR六维测力平台,其特征是:所述一维测力分支为一次加工成型的一体式一维测力分支(16),中部为长方体结构,两端有螺杆用于与基础平台(1)和加载平台(13)连接;长方体结构靠近螺杆两端相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,长方体结构的中部贴有应变片(17)。
6.根据权利要求1或2所述的并联6-UPUR六维测力平台,其特征是:一维测力分支可用一维线性微驱动分支(19)所代替,所述一维线性微驱动分支(19)的中部为长方体结构,两端的螺杆用于与基础平台(1)和加载平台(13)连接;长方体结构靠近螺杆两端相对的两组侧面上分别加工两个切槽,两个切槽夹角为60°~120°,长方体结构的中部加工有上、下凸台的腔体,在上、下凸台间安装压电陶瓷直线驱动器(20)。
7.根据权利要求1所述的并联6-UPUR六维测力平台,其特征是:所述加载罩(14)可制成球冠状、圆筒状和平板状,也可制成操作手柄。
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