CN205246258U - 正交自标定分支双球解耦六维测力平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种正交自标定分支双球解耦六维测力平台，它包括上平台、下平台、连接上下平台的双球解耦垂向测力分支和双球解耦水平测力分支；测力平台的双球解耦垂向测力分支包括垂向分支上支座、压紧端盖、垂向分支下支座、承载板、解耦钢球、定位柱、单维双向力传感器，双球解耦水平测力分支包括水平分支上支座、水平分支下支座、调紧楔块、解耦钢球、定位柱、单维双向力传感器；双球解耦垂向测力分支和双球解耦水平测力分支的数量分别为3-36个，两种分支数量相等，均布在上平台和下平台之间。本实用新型结构简单、通过钢球实现机械解耦，不需六维整体标定，维间耦合小，测量精度高，适用于重载大平面测量场合。

Description

正交自标定分支双球解耦六维测力平台

技术领域

本实用新型属于传感器领域，特别涉及一种正交自标定分支双球解耦六维测力平台。

背景技术

传感器是一种能把物理量、化学量、生物量等特定的被测量信息，按照一定规律转化成某些可用信号并输出的器件或装置。它是一个知识密集、技术密集、跨学科的独立机电一体化系统，同时又成为其它机电一体化系统的重要组成部分。因此，力传感器作为测量力学信号的基本单元在航空航天、机器人、生物力学等领域应用最广泛，而由于六维力传感器可以同时测量在笛卡尔坐标系中描述的六个力/力矩分量成为当前高技术领域最主要的力传感器。在六维力传感器的研制中，弹性体的结构因决定了多维力传感器的优劣而成为研究的核心问题。目前国内外发展相对比较成熟的微型、小量程多维力传感器，其弹性体结构多采用一体式结构，具有无关节摩擦和间隙、线性度好、重复性高以及滞后小的优点。但由于刚度低、维间耦合大、结构复杂、加工工艺性差等缺点导致其不适用于作为重载大型多维力传感器的弹性体结构。并联机构刚度大、力映射关系简明，是作为重载大型多维力传感器弹性体结构的理想选择。但由于存在关节摩擦和间隙，基于传统并联机构的大型多维力传感器普遍存在各向异性显著、维间耦合大、测量稳定性差等缺点。可以看出，基于传统并联机构的弹性体结构并不能满足研制重载大型多维力传感器的要求。重载多维力传感器由于维间耦合导致测力精度较低，适用性较差，限制了其在高精尖技术领域的应用。要抑制多维力传感器的维间耦合需设计传感器的结构，从源头上实现机械解耦。专利ZL200810055347.0公开了一种整体预紧双层上下非对称七杆并联结构六维力传感器，采用了锥头式球面副，具有刚度高、测量精度高等优点，但是采用锥头式球面副使得传感器测力分支只能承受压力，且需在底盘上方布置相同测力分支以便传感器可测量六维力。专利ZL99102526.1公开了一种整体预紧平台式六维力传感器，其分支也采用圆锥式球副，测力分支只能承受压力，因此在传统Stewart平台机构上、下平台间增设了预紧支路，同时增大了传感器刚度，但结构较为复杂，且预紧支路会对其它测量方向有耦合作用影响精度。专利ZL200910075789.6公开了一种过约束大量程并联六维测力平台，结构简单，测量精度高，适用于大量程测量场合，测力分支可承受拉力与压力，但是采用了传统球铰，关节间摩擦较大，影响测力平台的测量精度。专利ZL201310606316.0公开了一种机械解耦重载并联六维测力平台，具有测量精度高、量程大等优点，分支中采用了钢球结构，减小了关节摩擦耦合，但是测力分支只能承受压力，需要在测力台上方另外增设相应分支使得传感器可测量六维力，使得结构复杂，安装较困难难以保证上下分支钢球同心而影响测力平台精度。专利ZL201510433218.0公开了一种随路面的整车式动态汽车衡，可广泛应用于动态称重领域。专利ZL201410213086.6公开了一种汽车衡，秤台设置为分开式的并可拆卸，节省材料，方便运输，减少了自重。专利ZL201210085300.5公开一种汽车衡，结构新颖，具有在耗费同样多的钢材的前提下，提高秤体横向强度等优点。汽车衡称重结构中汽车衡测量分支也都采用了钢球结构使钢球与传感器接触，采用钢球使得测力分支关节摩擦解耦，但是测力分支只能承受拉力，可以满足汽车衡称重需求但是不能测量六维力，不能应用于六维力测量场合。

发明内容

针对现有多维力传感器存在耦合及其解耦技术复杂等不足，提供了一种关节摩擦耦合小，测量精度高，输入输出关系明确、安装方便、适合大测力面大量程重载测量场合的六维力测力平台。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型包括上平台、下平台、连接上下平台的双球解耦垂向测力分支和双球解耦水平测力分支；双球解耦垂向测力分支和双球解耦水平测力分支的数量分别为3-36个，两种分支数量相等，均布在上平台和下平台之间。

双球解耦垂向测力分支包括垂向分支上支座、上解耦钢球、定位柱、压紧端盖、承载板、单维双向力传感器、下解耦钢球、垂向分支下支座，其中，垂向分支上支座为带顶盖的方框型结构，在垂向分支上支座的顶盖正中设有通孔，通孔内设有上压紧端盖，在上压紧端盖和单维双向力传感器上端之间设有上解耦钢球，在上解耦钢球相对应的四个水平侧面的垂向分支上支座竖板水上分别设有通孔，通孔内分别设有弹簧支撑可伸缩的定位柱；垂向分支下支座为凹型结构；垂向分支上支座与垂向分支下支座相错相扣连接，在垂向分支下支座的两个竖板之间设有带通孔的承载板，上述单维双向力传感器固定在承载板上；在垂向分支上支座底盖中心设有盲孔，盲孔内放有下压紧端盖，下压紧端盖上设有下解耦钢球，在下解耦钢球相对应的四个水平侧面的垂向分支上支座竖板上分别设有通孔，通孔内分别设有弹簧支撑可伸缩的定位柱；上述单维双向力传感器下端与下解耦钢球接触；通过调整设在垂向分支上支座上面的压紧端盖与上解耦钢球间的间隙实现预紧调整。

双球解耦水平测力分支包括水平分支上支座、左解耦钢球、定位柱、单维双向力传感器、调紧楔块、右解耦钢球、水平分支下支座。其中，水平分支上支座为向下的凹型结构，在水平分支上支座两向下凸块中间左右方向分别设有水平通孔，通孔内分别设有调紧楔块和解耦钢球；在左、右解耦钢球相对应的四个水平侧面的水平分支上支座竖板上分别设有通孔，通孔内分别设有弹簧支撑可伸缩的定位柱；水平分支下支座为倒T型结构，水平分支上支座与水平分支下支座倒扣在一起，水平分支下支座的垂直板中间设有单维双向力传感器，该传感器与上述两个钢球相接触；通过调节上述在水平分支上支座的调紧楔块与解耦钢球间的间隙实现预紧调整。

所述双球解耦垂向测力分支数量最好为4个，4个双球解耦垂向测力分支均匀分布在下平台四角，上、下解耦钢球中心连线垂直于平台测力面；4个双球解耦水平测力分支均匀分布在下平台四边，左、右解耦钢球中心连线平行于平台测力面，且相互垂直或平行。

本实用新型的有益效果是：

1.关节间为滚动摩擦，关节摩擦耦合小，测量精度高。

2.双球解耦垂向测力分支与双球解耦水平测力分支机械解耦且可承受双向受力。

3.测力平台对于各维力加载测量的输入输出关系明确，标定简单。

4.双球解耦垂向测力分支与双球解耦水平测力分支模块化，安装调试便捷。

附图说明

图1为本实用新型的16分支正交自标定分支双球解耦六维测力平台示意简图；

图2为本实用新型的16分支正交自标定分支双球解耦六维测力平台剖面图A-A示意简图；

图3为本实用新型双球解耦垂向测力分支结构示意简图；

图4为本实用新型双球解耦垂向测力分支剖面B-B结构示意简图；

图5为本实用新型双球解耦水平测力分支结构示意简图；

图6为本实用新型双球解耦水平测力分支剖面C-C结构示意简图；

图7为本实用新型解耦钢球与定位柱剖面D-D示意简图；

图8为本实用新型水平分支调整楔块示意简图。

图中：1、上平台；2、双球解耦垂向测力分支；3、双球解耦水平测力分支；4、下平台；5、垂向分支上支座；6、上压紧端盖；7、上解耦钢球；8、定位柱；9、单维双向力传感器；10、承载板；11、下解耦钢球；12、下压紧端盖；13、垂向分支下支座；14、水平分支上支座；15、调紧楔块；16、右解耦钢球；17、单维双向力传感器；18、左解耦钢球；19、水平分支下支座。

具体实施方式

在图1、图2所示的正交自标定弱耦合重载并联六维力测力平台示意图中，上平台1和下平台4的通过4个双球解耦垂向测力分支2与4个双球解耦水平测力分支3连接，两种分支数量相等，均布在上平台和下平台之间；

双球解耦垂向测力分支如图3和图4所示，双球解耦垂向测力分支中的垂向分支上支座5为带顶盖的方框型结构，在垂向分支上支座的上面正中设有通孔，通孔内设有上压紧端盖6，在压紧端盖和单维双向力传感器9上端之间设有上解耦钢球7，在上解耦钢球相对应的水平四面的垂向分支上支座竖板上分别设有通孔，通孔内分别设有弹簧支撑可伸缩定位柱8(如图7所示)；垂向分支下支座13为凹型结构，垂向分支上支座的竖板朝下与垂向分支下支座相错相扣连接，在垂向分支下支座的两个竖板之间设有带通孔的承载板10，上述单维双向力传感器固定在承载板上，在垂向分支下支座内中心设有盲孔,盲孔中设有下压紧端盖12，下压紧端盖上设有下解耦钢球11，在下解耦钢球相对应的水平四面的垂向分支上支座竖板和垂向分支下支座竖板上分别设有通孔，通孔内分别设有与上述相同的定位柱，上述单维双向力传感器下端与下解耦钢球接触；垂向分支上支座通过上解耦钢球将向下作用力作用在力传感器上，通过下解耦钢球将向上作用力作用在力传感器上，通过调整设在垂向分支上支座上面的压紧端盖与上解耦钢球间的间隙实现预紧调整。

双球解耦水平测力分支如图5、图6和图8所示，双球解耦水平测力分支中的水平分支上支座14为凹型结构，在水平分支上支座两向下凸块中间分别设有水平通孔，通孔内分别设有调紧楔块15和右解耦钢球16、左解耦钢球18，在水平分支上支座两壁与左、右解耦钢球相对应的位置设有水平和垂直通孔，在解耦钢球四周的通孔内分别设有与上述双球解耦垂向测力分支相同的定位柱；水平分支下支座19为倒T型结构，水平分支上支座与水平分支下支座倒扣在一起，水平分支下支座的垂直板中间设有单维双向力传感器17，该传感器与上述左、右两个钢球相接触，水平分支上支座通过解耦钢球将水平作用力作用在力传感器上，通过调节上述在水平分支上支座两侧的调紧楔块能够实现水平测力分支预紧，上述设在解耦钢球部位的四周均布四个定位柱使解耦钢球与单维双向力传感器保证同心，测力平台受到水平分支所测量方向正向力时单维双向力传感器与水平分支上支座中的一侧解耦钢球相接触受力，测力平台受到水平分支所测量方向反向力时单维双向力传感器与水平分支上支座中的另一侧解耦钢球相接触受力。

Claims (3)

1.一种正交自标定分支双球解耦六维测力平台，其特征是：它包括上平台、下平台以及连接上、下平台的双球解耦垂向测力分支和双球解耦水平测力分支，所述双球解耦垂向测力分支包括垂向分支上支座、上解耦钢球、定位柱、压紧端盖、承载板、单维双向力传感器、下解耦钢球、垂向分支下支座，其中，垂向分支上支座为带顶盖的方框型结构，在垂向分支上支座的顶盖正中设有通孔，通孔内设有上压紧端盖，在上压紧端盖和单维双向力传感器上端之间设有上解耦钢球，在上解耦钢球相对应的四个水平侧面的垂向分支上支座竖板上分别设有通孔，通孔内均设有围绕解耦钢球均匀正交分布四个由弹簧支撑可伸缩的定位柱；垂向分支下支座为凹型结构；垂向分支上支座与垂向分支下支座相错相扣连接，在垂向分支下支座的两个竖板上设有带通孔的承载板，上述单维双向力传感器固定在承载板上；在垂向分支上支座底盖中心设有盲孔，盲孔内放有下压紧端盖，下压紧端盖上设有下解耦钢球，在下解耦钢球相对应的四个水平侧面的垂向分支上支座竖板上分别设有通孔，通孔内均设有围绕解耦钢球均匀正交分布四个由弹簧支撑可伸缩的定位柱，上述单维双向力传感器下端与下解耦钢球接触；

所述双球解耦水平测力分支包括水平分支上支座、左解耦钢球、定位柱、单维双向力传感器、调紧楔块、右解耦钢球、水平分支下支座；其中，水平分支上支座为向下的凹型结构，在水平分支上支座两向下凸块中间左右方向分别设有水平通孔，通孔内分别设有调紧楔块和解耦钢球；在左、右解耦钢球相对应四个水平侧面的水平分支上支座竖板上分别设有通孔，通孔内均设有围绕解耦钢球均匀正交分布四个由弹簧支撑可伸缩的定位柱；水平分支下支座为倒T型结构，水平分支上支座与水平分支下支座倒扣在一起，水平分支下支座的垂直板中间设有单维双向力传感器，该传感器两测力面与上述两个钢球相接触。

2.根据权利要求1所述的正交自标定分支双球解耦六维测力平台，其特征是：所述双球解耦垂向测力分支数量为3到36个，垂向测力分支上、下解耦钢球中心连线垂直于平台测力面；所述双球解耦水平测力分支数量为3到36个，水平测力分支上、下解耦钢球中心连线平行于平台测力面；两种分支数量相等，均布在上平台和下平台之间。

3.根据权利要求1所述的正交自标定分支双球解耦六维测力平台，其特征是：4个双球解耦垂向测力分支均匀分布在下平台四角，上、下解耦钢球中心连线垂直于平台测力面；4个双球解耦水平测力分支均匀分布在下平台四边，左、右解耦钢球中心连线平行于平台测力面，且相互垂直或平行。