正交解耦六維力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及力傳感器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，特別是涉及一種正交解耦六維力傳感器。它包括固定平臺(tái)，測(cè)力平臺(tái)，檢測(cè)分支，應(yīng)變片，固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)兩者呈平行狀態(tài)布置，固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)之間設(shè)置有一組呈豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支；固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)分別呈圓盤形結(jié)構(gòu)，測(cè)力平臺(tái)的中心設(shè)置有四邊形通孔，四邊形通孔內(nèi)設(shè)置有立柱，立柱的另一端與固定平臺(tái)連接；立柱上裝有一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支，水平狀態(tài)的檢測(cè)分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量原理簡(jiǎn)便，整體剛度大；各檢測(cè)分支均為平行或垂直分布，可對(duì)六維外力實(shí)現(xiàn)解耦測(cè)量。
【專利說(shuō)明】正交解耦六維力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及力傳感器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，特別是涉及一種正交解耦六維力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]六維力傳感器以其能夠感知外力和力矩的全部信息而成為非常重要的一類傳感器，在航空航天、機(jī)械加工、汽車制造、智能化機(jī)器人等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，其應(yīng)用已涵蓋國(guó)防科技和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。因此，高精度、高靈敏度且能夠適應(yīng)一定環(huán)境的六維力傳感器十分急需并具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]經(jīng)典的Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)上下平臺(tái)均為六角形，再由六個(gè)移動(dòng)分支兩端通過球面副與六角形的各頂點(diǎn)聯(lián)接，組成六自由度的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。該并聯(lián)機(jī)構(gòu)在某一位形下，將六個(gè)分支中的移動(dòng)副替換為單維力傳感器，此時(shí)動(dòng)平臺(tái)所受的六維外力與六個(gè)分支單維力傳感器所受力之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。眾多學(xué)者采用這一特性，將Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用到六維力傳感器設(shè)計(jì)當(dāng)中。并聯(lián)式六維力傳感器在發(fā)揮了并聯(lián)結(jié)構(gòu)承載能力大、剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊、布置靈活、無(wú)誤差積累等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，有效地改善了一體式六維力傳感器敏感元件耦合嚴(yán)重的問題。
[0004]眾多學(xué)者提出了多種形式的并聯(lián)式六維力傳感器結(jié)構(gòu)。中國(guó)專利ZL99102526.1公開了一種整體預(yù)緊平臺(tái)式六維力傳感器，在Stewart并聯(lián)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用球窩錐頭式球面副代替?zhèn)鹘y(tǒng)球副并增加中間預(yù)緊分支，有效減小了球面副的接觸面積，提高了傳感器的整體剛度。中國(guó)專利ZL99102421.4公開了一種基于彈性球鉸的并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，采用彈性球鉸代替普通球鉸，消除了普通球鉸存在的間隙和摩擦。中國(guó)專利ZL99119320.2公開了一種解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)六維力傳感器，六個(gè)彈性體分為三組，每組兩個(gè)分別沿三個(gè)相互垂直的方向布置，并且各組彈性體軸線構(gòu)成的平面互相垂直，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)六維力與力矩解耦。中國(guó)專利ZL200810054666.x公開了一種具有六分支的彈性鉸并聯(lián)6 -UPUR六維測(cè)力平臺(tái)，使得該類傳感器比彈性球鉸結(jié)構(gòu)的傳感器可承受較大的載荷。中國(guó)專利201110277378.2公開了一種含彈性整體運(yùn)動(dòng)副的三腿并聯(lián)解耦測(cè)六維力傳感器。以上的幾類并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器中，敏感元件大多在空間布置，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工難度大，因此能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品化的六維力傳感器結(jié)構(gòu)還比較少。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種正交解耦六維力傳感器，該傳感器不僅能夠檢測(cè)三維空間的力與力矩，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、測(cè)量原理簡(jiǎn)便、布局合理以及方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種正交解耦六維力傳感器，包括固定平臺(tái)，測(cè)力平臺(tái)，檢測(cè)分支，應(yīng)變片，固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)兩者呈平行狀態(tài)布置，固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)之間設(shè)置有一組呈豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支；固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)分別呈圓盤形結(jié)構(gòu)，測(cè)力平臺(tái)的中心設(shè)置有四邊形通孔，四邊形通孔內(nèi)設(shè)置有立柱，立柱的另一端與固定平臺(tái)連接；立柱上裝有一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支，水平狀態(tài)的檢測(cè)分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有六維力傳感器相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明的六維力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量原理簡(jiǎn)便，整體剛度大；
2.本發(fā)明的六維力傳感器各檢測(cè)分支均為平行或垂直分布，可對(duì)六維外力實(shí)現(xiàn)解耦測(cè)量；
3.本發(fā)明的六維力傳感器結(jié)構(gòu)便于加工和應(yīng)用，適用場(chǎng)合廣泛，從微小型到大型傳感器都可由該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)選方案是:
立柱呈等截面的十字形結(jié)構(gòu)。
[0009]豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支的兩端通過彈性球鉸分別與固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)連接；水平狀態(tài)的檢測(cè)分支的兩端通過彈性球鉸分別與四邊形通孔的孔壁和立柱連接。
[0010]一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支中，所有檢測(cè)分支的軸線均位于同一平面內(nèi)。
[0011]一組呈豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支均布設(shè)置為四個(gè)。
[0012]一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支設(shè)置為四個(gè)并位于同一圓周上，該四個(gè)水平檢測(cè)分支位于所在圓周的同一回旋方向的切線上。
[0013]四邊形通孔是正方形通孔。
[0014]立柱底端與固定平臺(tái)固接。
[0015]固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)兩者呈等直徑結(jié)構(gòu)并同心設(shè)置。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是正交解耦六維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是正交解耦六維力傳感器測(cè)量分支布局圖。
[0018]圖中:測(cè)力平臺(tái)1，豎直檢測(cè)分支2，彈性球鉸3，立柱4，水平檢測(cè)分支5，固定平臺(tái)6。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳述本發(fā)明:
本實(shí)施例中，測(cè)力平臺(tái)I和固定平臺(tái)6均為平板結(jié)構(gòu)，且相互平行放置，測(cè)力平臺(tái)I中心處開有正方形通孔。立柱4的底端與固定平臺(tái)6固連。立柱4呈等截面的十字形結(jié)構(gòu)；立柱4的橫、縱兩條邊長(zhǎng)相等；固定平臺(tái)6和測(cè)力平臺(tái)I兩者呈等直徑結(jié)構(gòu)并同心設(shè)置。
[0020]一組豎直檢測(cè)分支2以立柱4的軸線為中心均布設(shè)置為四個(gè)，每個(gè)豎直檢測(cè)分支2分別由Ml、M2、M3和M4表示，如圖2中所示。每個(gè)豎直檢測(cè)分支2的兩端通過彈性球鉸3分別與測(cè)力平臺(tái)I和固定平臺(tái)6連接。
[0021]一組水平檢測(cè)分支5設(shè)置為四個(gè)并位于同一圓周上，該四個(gè)水平檢測(cè)分支5位于所在圓周的順時(shí)針方向的切線上。四個(gè)水平檢測(cè)分支5所在的軸線圍成一個(gè)正方形。每個(gè)水平檢測(cè)分支分別由M5、M6、M7和M8表示，如圖2中所示。
[0022]每個(gè)水平檢測(cè)分支5的兩端通過彈性球鉸3分別與正方形的孔壁和十字形立柱4的四條邊連接。
[0023]水平檢測(cè)分支5和豎直檢測(cè)分支2只承受軸向拉力。每個(gè)水平檢測(cè)分支5和每個(gè)豎直檢測(cè)分支2上分別設(shè)置有應(yīng)變片，組成測(cè)量電橋來(lái)檢測(cè)其上所受的軸向力。
[0024]當(dāng)作用在測(cè)力平臺(tái)I上的力為Z和7方向力、Z方向力距時(shí)，可由四個(gè)水平檢測(cè)分支5確定，其中Z方向力由圖2中所示的水平檢測(cè)分支5中的M5和M7測(cè)得；7方向力由水平檢測(cè)分支5中的M6和M8測(cè)得；Z方向力距由M5、M6、M7、M8分支測(cè)得。當(dāng)作用在測(cè)力平臺(tái)I上的力為Z方向力、I和7方向力距時(shí)，可由豎直檢測(cè)分支2確定，其中Z方向力由Ml、M2、M3、M4分支測(cè)得久方向力距由M2和M4分支測(cè)得；7方向力距由Ml和M3分支測(cè)得。最終該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間六維力的解耦測(cè)量。
[0025]本發(fā)明可應(yīng)用于機(jī)器人、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天技術(shù)等多種需要六維力測(cè)量的領(lǐng)域。
[0026]本發(fā)明的工作原理為:該六維力傳感器的豎直和水平檢測(cè)分支兩端為彈性球鉸，因此其上只承受軸向拉壓力。每個(gè)檢測(cè)分支上貼有應(yīng)變片，可測(cè)量該分支上所受的軸向拉壓力，最終可由檢測(cè)分支受力與測(cè)力平臺(tái)受力的映射關(guān)系來(lái)求得作用在測(cè)力平臺(tái)上的六維外力。由于測(cè)量分支為豎直或水平放置，且它們?yōu)槠叫谢蛘徊贾?，因此該六維力傳感器對(duì)空間六維力的測(cè)量是解耦的。
【權(quán)利要求】
1.一種正交解耦六維力傳感器，包括固定平臺(tái)，測(cè)力平臺(tái)，檢測(cè)分支，應(yīng)變片，其特征在于:固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)兩者呈平行狀態(tài)布置，固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)之間設(shè)置有一組呈豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支；固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)分別呈圓盤形結(jié)構(gòu)，測(cè)力平臺(tái)的中心設(shè)置有四邊形通孔，四邊形通孔內(nèi)設(shè)置有立柱，立柱的另一端與固定平臺(tái)連接；立柱上裝有一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支，水平狀態(tài)的檢測(cè)分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:立柱呈等截面的十字形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支的兩端通過彈性球鉸分別與固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)連接；水平狀態(tài)的檢測(cè)分支的兩端通過彈性球鉸分別與四邊形通孔的孔壁和立柱連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支中，所有檢測(cè)分支的軸線均位于同一平面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:一組呈豎直狀態(tài)的檢測(cè)分支均布設(shè)置為四個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:一組呈水平狀態(tài)的檢測(cè)分支設(shè)置為四個(gè)并位于同一圓周上，該四個(gè)水平檢測(cè)分支位于所在圓周的同一回旋方向的切線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:四邊形通孔是正方形通孔。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:立柱底端與固定平臺(tái)固接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特征在于:固定平臺(tái)和測(cè)力平臺(tái)兩者呈等直徑結(jié)構(gòu)并同心設(shè)置。
【文檔編號(hào)】G01L5/16GK103487194SQ201310479891
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】王志軍, 賀靜, 崔冰艷, 李占賢 申請(qǐng)人:河北聯(lián)合大學(xué)