CN205384107U - 一种基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，包括上传力盘、下传力盘和六个按近对称分布方式连接于上、下传力盘之间的支路组件，所述的六个支路组件均带有传感器组件，包括四个无去耦支路组件和两个去耦支路组件。支路组件中的传感器组件具有一个带接插件的采用十字梁结构的弹性体，在弹性体上设有与接插件连接的电路板，在弹性体表面对称粘贴有四个由应变电阻构成的敏感应变片，各敏感应变片通过焊接方式与电路板组成惠斯通电桥结构。本实用新型的有益效果是在不影响整机刚度的前提下，对局部支路上耦合应力进行释放，减小其对弹性体工作区带来的不利影响，提高传感器的综合精度。

Description

一种基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器

技术领域

本实用新型内容属于电子感测衡器技术领域,涉及一种抗耦性强、综合精度高并且具备一定刚度的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器。

背景技术

基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器是一种性能非常优越的六维力传感器，自1965年提出该并联机构以来，由于其承载能力强、精度高、响应快、灵敏度高等独特优点，倍受设计者和使用者的青睐，迄今已广泛应用于机器人、航空(如飞机起落地冲击力测试)、航天(火箭模型发射力测试、航天器对接时六维力测试)、汽车(撞击试验)和造船等领域。但目前本领域公知的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器还存在有抗耦合性能较差、精度与刚度不能并存的问题，各支路传感器如果为纯二力杆只受到拉压方向的力，则测量的结果会比较准确同时还具有较高的刚性，但如果有耦合力进入该支路传感器，则由于耦合的影响会使该支路传感器的精度降低，而为了去除耦合加入的可释放六自由的球铰，则将使整机结构毫无刚度可言，因此整个六维力传感器无法兼顾结构的去耦合性和刚性要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种结构合理、抗耦性强、综合精度高且同时具备一定刚度性能的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，包括上传力盘、直径小于上传力盘的下传力盘和六个按近对称分布方式连接于上、下传力盘之间的支路组件，所述的六个支路组件包括四个无去耦支路组件和两个去耦支路组件,各支路组件均以斜撑形式连接在上、下传力盘之间。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，无去耦支路组件由自上而下同轴连接配合的上铰座、传感器组件、连接件和下铰座组成，上铰座和下铰座分别通过定位螺纹孔与上传力盘的下传力盘相连。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，无去耦支路组件中的传感器组件具有一个带接插件的采用十字梁结构的弹性体，在弹性体上设有与接插件连接的电路板，在弹性体表面对称粘贴有四个由应变电阻构成的敏感应变片，各敏感应变片通过焊接方式与电路板组成惠斯通电桥结构，并处于弹性体的最大形变区。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，无去耦支路组件中传感器组件的上端与上铰座通过螺纹套穿连接，下端与连接件的上端以轴销公差配合、销钉配合或焊接形式相连，连接件的下端与下铰座通过螺纹套穿相连。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，去耦支路组件由自上而下同轴连接配合的上铰座、去耦件、传感器组件、连接件和下铰座组成，上铰座和下铰座分别通过定位螺纹孔与上传力盘的下传力盘相连。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，去耦支路组件中的传感器组件具有一个带接插件的采用十字梁结构弹性体，在弹性体上设有与接插件连接的电路板，在弹性体表面对称粘贴有四个由应变电阻构成的敏感应变片，各敏感应变片通过焊接方式与电路板组成惠斯通电桥结构，并处于弹性体的最大形变区。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，去耦支路组件中的去耦件的上端与上铰座通过螺纹套穿连接，去耦件的下端与传感器组件通过螺纹套穿连接，传感器组件的下端与连接件上端以轴销公差配合、销钉配合或焊接形式相连，连接件的下端与下铰座通过螺纹套穿相连。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，去耦件的下底部开有可与传感器组件连接的螺纹孔，去耦件的上部为可与上铰座连接的螺纹杆，在去耦件底螺纹孔中间位置处开有柔性等斜面十字槽，连接件一端为圆槽结构、另一端为螺纹杆。

上述基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器中，去耦支路组件中的连接件为一个底部具有膨大圆槽结构的螺纹杆。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和技术效果如下所述。

1、本实用新型中传感器组件中采用了强抗弯/扭性能的具有硬中心的十字梁圆环结构弹性体，传感器弹性体结构如图4所示，该结构的中间为受力的硬中心，应变梁对称分布，工作应变区位于梁反面。当结构受载时弹性体弯曲变形，产生的弯曲应变为工作需要值，属正应力型传感器。产品具有结构简单、体积小、外形低、抗侧向与偏载能力强、精度高、输出灵敏度高，抗弯、扭刚性好、机械加工、热处理容易等优点。

2、本实用新型基于传统Stewart结构六维力传感器中各支路组件的耦合特性与输出分布特性之上，在其中特定两支路组件中加入了能够实现预定方向微变形的去耦件结构，替换了传统意义的六自由释放的球铰结构，在不影响整机刚度的前提下，对局部支路上耦合应力进行释放，达到减小支路耦合弯曲/扭转作用，使整机在主测量载荷作用时伴随的非测量方向载荷的干扰影响消除，从而减小其对弹性体工作区带来的不利影响，达到耦合释放与刚度保证的效果。

3、本实用新型中对Stewart结构六维力传感器结构参数与整机综合性能的总体变化关系进行优化，得出局部性能与全局特性的最优平衡参数，优化精度与刚度兼容问题，提高了传感器整机的综合性能。

经本实用新型设计者实验检测，本实用新型与公知Stewart结构六维力传感器做对比，其综合精度提高有明显提高。具体参数如下：单路加载精度≤1％F.S.；复合加载精度≤1.5％F.S.；同时具特定刚度要求。

附图说明

图1是本实用新型一个具体实施例的结构示意图。图中标号1为上传力盘，2为下传力盘，3为无去耦支路组件，4为去耦支路组件。

图2是图1的俯视向结构示意图。

图3是该六维力传感器中无去耦支路组件的结构示意图。图中标号31为上铰座，32为传感器组件，33为连接件，34为下铰座。

图4是该六维力传感器中去耦支路组件的结构示意图。图中标号41为上铰座，42为去耦件，43为传感器组件，44为连接件，45为下铰座。

图5是支路组件(无去耦支路组件/去耦支路组件)中传感器组件侧视向结构示意图。图中标号32a/43a为弹性体。

图6是图5的俯视向结构示意图。图中R1、R2、R3、R4为四个敏感应变片。

图7是传感器组件的电路结构示意图。图中标号32c/43c为电路板，32d/43d为接插件，32e/43e为导线。

图8是去耦支路组件中带有有柔性等斜面十字槽结构的去耦件示意图。

图9是图8的俯视图。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型内容做进一步说明，但本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见附图1和图2，本实用新型所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器由上传力盘1、传力盘2、四个无去耦支路组件3和两个去耦支路组件4组成，六个支路组件整体呈半对称结构分布连接于上、下传力盘1、2之间，各支路组件3、4均以斜撑形式连接在上、下传力盘1、2之间。

本实用新型中无去耦支路组件3的结构如图3所示，它是由自上而下同轴连接配合的上铰座31、传感器组件32、连接件33、下铰座34、组成。其中传感器组件32的上端与上铰座31通过螺纹套穿连接，下端与连接件33的上端以轴销公差配合、销钉配合或焊接形式相连，连接件33的下端与下铰座34通过螺纹套穿相连，下铰座34的下端通过定位螺纹孔与下传力盘2连接，上铰座31的上端通过定位螺纹孔与上传力盘1相连。

本实用新型中去耦支路组件4的结构如图4所示，它是由自上而下同轴连接配合的上铰座41、去耦件42、传感器组件43、连接件44、下铰座45组成。其中的去耦件42的上端与上铰座41通过螺纹套穿连接，去耦件42的下端与传感器组件43通过螺纹套穿连接，传感器组件43的下端与连接件44上端以轴销公差配合、销钉配合或焊接形式相连，连接件44的下端与下铰座45通过螺纹套穿相连。具体结构中，去耦件42的下底部开有可与传感器组件43连接的螺纹孔，去耦件42的上部为可与上铰座41连接的螺纹杆，在去耦件42底螺纹孔中间位置处开有柔性等斜面十字槽(参见图8和图9)，可进行特定自由度的微变形，释放支路耦合影响；连接件的一端为圆槽结构、另一端为螺纹杆。

本实用新型中无去耦支路组件3的传感器组件32与去耦支路组件4的传感器组件43采用相同的构件，其结构如图5-图7所示。所述的传感器组件32/43具有一个带接插件32d/43d的采用十字梁圆环结构弹性体32a/43a，在弹性体32a/43a上设有与接插件32d/43d连接的电路34c/43c，在弹性体32a/43a表面对称粘贴有四个由应变电阻R1、R2、R3、R4构成的敏感应变片，四个敏感应变片依次相互连接并通过焊接方式与电路32c/43c组成环型结构惠斯通电桥，并处于弹性体32a/43a的最大形变区。

本实用新型产品的制作步骤为：

1、将已加工处理的弹性体32a、43a工作表面进行清洗、打磨、划线、刷胶等工艺步骤后将敏感应变片粘贴于处理表面，然后在电路板32c、43c上利用导线32e、43e将四个敏感应变片(电阻R1、R2、R3、R4)组成惠斯通桥路，再与接插件32d、32d完成电气连接。

2、传感器组件32位于无去耦支路组件3的中间，两端分别与上铰座31、连接件33相连；然后，连接件33与下铰座34相连。传感器组件先与连接件33相连再连接上铰座31，完成支路组件3的装配；装配中须保证装配后组件的同轴度在一定的误差范围内。

3、传感器组件43位于去耦支路组件4的中间，两端分别与去耦件42、连接件44相连，连接件44与下铰座45相连，去耦件42与上铰座41。传感器组件先与连接件44相连再连接去耦件42，完成支路组件4的装配；装配中须保证装配后组件的同轴度在一定的误差范围内。

4、在完成四个无去耦支路组件3和两去耦支路组件4的装配后，按预定位置使它们与上、下传力盘1、2相连。装配时，上、下铰座与两传力盘先用销钉定位连接，再以螺钉相连,上下连接方式相同，最终完成六维力传感器的整体装配。

Claims (9)

1.一种基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，包括上传力盘(1)、直径小于上传力盘(1)的下传力盘(2)和六个按近对称分布方式连接于上、下传力盘(1、2)之间的支路组件，其特征在于：所述的六个支路组件包括四个无去耦支路组件(3)和两个去耦支路组件(4),各支路组件(3、4)均以斜撑形式连接在上、下传力盘(1、2)之间。

2.根据权利要求1所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：无去耦支路组件(3)由自上而下同轴连接配合的上铰座(31)、传感器组件(32)、连接件(33)和下铰座(34)组成，上铰座(31)和下铰座(34)分别通过定位螺纹孔与上传力盘(1)的下传力盘(2)相连。

3.根据权利要求2所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：无去耦支路组件(3)中的传感器组件(32)具有一个带接插件(32d)的采用十字梁结构的弹性体(32a)，在弹性体(32a)上设有与接插件(32d)连接的电路板(32c)，在弹性体表面对称粘贴有四个由应变电阻(R1、R2、R3、R4)构成的敏感应变片，各敏感应变片通过焊接方式与电路板(32c)组成惠斯通电桥结构，并处于弹性体(32a)的最大形变区。

4.根据权利要求2所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：无去耦支路组件(3)中传感器组件(32)的上端与上铰座(31)通过螺纹套穿连接，下端与连接件(33)的上端以轴销公差配合、销钉配合或焊接形式相连，连接件(33)的下端与下铰座(34)通过螺纹套穿相连。

5.根据权利要求1所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：去耦支路组件(4)由自上而下同轴连接配合的上铰座(41)、去耦件(42)、传感器组件(43)、连接件(44)和下铰座(45)组成，上铰座(41)和下铰座(45)分别通过定位螺纹孔与上传力盘(1)的下传力盘(2)相连。

6.根据权利要求5所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：去耦支路组件(4)中的传感器组件(43)具有一个带接插件(43d)的采用十字梁结构的弹性体(43a)，在弹性体(43a)上设有与接插件(43d)连接的电路板(43c)，在弹性体表面对称粘贴有四个由应变电阻(R1、R2、R3、R4)构成的敏感应变片，各敏感应变片通过焊接方式与电路板(43c)组成惠斯通电桥结构，并处于弹性体(43a)的最大形变区。

7.根据权利要求5所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：去耦支路组件(4)中的去耦件(42)的上端与上铰座(41)通过螺纹套穿连接，去耦件(42)的下端与传感器组件(43)通过螺纹套穿连接，传感器组件(43)的下端与连接件(44)上端以轴销公差配合、销钉配合或焊接形式相连，连接件(44)的下端与下铰座(45)通过螺纹套穿相连。

8.根据权利要求5或7所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：去耦件(42)的下底部开有可与传感器组件(43)连接的螺纹孔，去耦件(42)的上部为可与上铰座(41)连接的螺纹杆，在去耦件(42)底螺纹孔中间位置处开有柔性等斜面十字槽，连接件一端为圆槽结构、另一端为螺纹杆。

9.根据权利要求5或7所述的基于Stewart结构的局部去耦六维力传感器，其特征在于：去耦支路组件(4)中的连接件(44)为一个底部具有膨大圆槽结构的螺纹杆。