正交解耦六維力傳感器的製造方法
2023-06-06 14:12:56
正交解耦六維力傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及力傳感器設計製造領域，特別是涉及一種正交解耦六維力傳感器。它包括固定平臺，測力平臺，檢測分支，應變片，固定平臺和測力平臺兩者呈平行狀態布置，固定平臺和測力平臺之間設置有一組呈豎直狀態的檢測分支；固定平臺和測力平臺分別呈圓盤形結構，測力平臺的中心設置有四邊形通孔，四邊形通孔內設置有立柱，立柱的另一端與固定平臺連接；立柱上裝有一組呈水平狀態的檢測分支，水平狀態的檢測分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。本發明具有如下優點：結構簡單，測量原理簡便，整體剛度大；各檢測分支均為平行或垂直分布，可對六維外力實現解耦測量。
【專利說明】正交解耦六維力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及力傳感器設計製造領域，特別是涉及一種正交解耦六維力傳感器。
【背景技術】
[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、機械加工、汽車製造、智能化機器人等領域具有重要的應用價值，其應用已涵蓋國防科技和民用工業的各個領域。因此，高精度、高靈敏度且能夠適應一定環境的六維力傳感器十分急需並具有非常廣闊的應用前景。
[0003]經典的Stewart平臺機構上下平臺均為六角形，再由六個移動分支兩端通過球面副與六角形的各頂點聯接，組成六自由度的並聯機構。該並聯機構在某一位形下，將六個分支中的移動副替換為單維力傳感器，此時動平臺所受的六維外力與六個分支單維力傳感器所受力之間存在一一對應的關係。眾多學者採用這一特性，將Stewart並聯結構應用到六維力傳感器設計當中。並聯式六維力傳感器在發揮了並聯結構承載能力大、剛度大、結構緊湊、布置靈活、無誤差積累等優點的同時，有效地改善了一體式六維力傳感器敏感元件耦合嚴重的問題。
[0004]眾多學者提出了多種形式的並聯式六維力傳感器結構。中國專利ZL99102526.1公開了一種整體預緊平臺式六維力傳感器，在Stewart並聯結構的基礎上，採用球窩錐頭式球面副代替傳統球副並增加中間預緊分支，有效減小了球面副的接觸面積，提高了傳感器的整體剛度。中國專利ZL99102421.4公開了一種基於彈性球鉸的並聯結構六維力傳感器，採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。中國專利ZL99119320.2公開了一種解耦的並聯機構六維力傳感器，六個彈性體分為三組，每組兩個分別沿三個相互垂直的方向布置，並且各組彈性體軸線構成的平面互相垂直，從結構上實現六維力與力矩解耦。中國專利ZL200810054666.x公開了一種具有六分支的彈性鉸並聯6 -UPUR六維測力平臺，使得該類傳感器比彈性球鉸結構的傳感器可承受較大的載荷。中國專利201110277378.2公開了一種含彈性整體運動副的三腿並聯解耦測六維力傳感器。以上的幾類並聯結構六維力傳感器中，敏感元件大多在空間布置，而且結構較為複雜，加工難度大，因此能夠應用於實際生產中產品化的六維力傳感器結構還比較少。
【發明內容】
[0005]本發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三維空間的力與力矩，同時還具有結構簡單、加工方便、測量原理簡便、布局合理以及方便應用等優點。
[0006]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:
一種正交解耦六維力傳感器，包括固定平臺，測力平臺，檢測分支，應變片，固定平臺和測力平臺兩者呈平行狀態布置，固定平臺和測力平臺之間設置有一組呈豎直狀態的檢測分支；固定平臺和測力平臺分別呈圓盤形結構，測力平臺的中心設置有四邊形通孔，四邊形通孔內設置有立柱，立柱的另一端與固定平臺連接；立柱上裝有一組呈水平狀態的檢測分支，水平狀態的檢測分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。
[0007]本發明與現有六維力傳感器相比具有如下優點:
1.本發明的六維力傳感器結構簡單，測量原理簡便，整體剛度大；
2.本發明的六維力傳感器各檢測分支均為平行或垂直分布，可對六維外力實現解耦測量；
3.本發明的六維力傳感器結構便於加工和應用，適用場合廣泛，從微小型到大型傳感器都可由該結構實現。
[0008]本發明的優選方案是:
立柱呈等截面的十字形結構。
[0009]豎直狀態的檢測分支的兩端通過彈性球鉸分別與固定平臺和測力平臺連接；水平狀態的檢測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]一組呈水平狀態的檢測分支中，所有檢測分支的軸線均位於同一平面內。
[0011]一組呈豎直狀態的檢測分支均布設置為四個。
[0012]一組呈水平狀態的檢測分支設置為四個並位於同一圓周上，該四個水平檢測分支位於所在圓周的同一迴旋方向的切線上。
[0013]四邊形通孔是正方形通孔。
[0014]立柱底端與固定平臺固接。
[0015]固定平臺和測力平臺兩者呈等直徑結構並同心設置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是正交解耦六維力傳感器的結構示意圖。
[0017]圖2是正交解耦六維力傳感器測量分支布局圖。
[0018]圖中:測力平臺1，豎直檢測分支2，彈性球鉸3，立柱4，水平檢測分支5，固定平臺6。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖及實施例詳述本發明:
本實施例中，測力平臺I和固定平臺6均為平板結構，且相互平行放置，測力平臺I中心處開有正方形通孔。立柱4的底端與固定平臺6固連。立柱4呈等截面的十字形結構；立柱4的橫、縱兩條邊長相等；固定平臺6和測力平臺I兩者呈等直徑結構並同心設置。
[0020]一組豎直檢測分支2以立柱4的軸線為中心均布設置為四個，每個豎直檢測分支2分別由Ml、M2、M3和M4表示，如圖2中所示。每個豎直檢測分支2的兩端通過彈性球鉸3分別與測力平臺I和固定平臺6連接。
[0021]一組水平檢測分支5設置為四個並位於同一圓周上，該四個水平檢測分支5位於所在圓周的順時針方向的切線上。四個水平檢測分支5所在的軸線圍成一個正方形。每個水平檢測分支分別由M5、M6、M7和M8表示，如圖2中所示。
[0022]每個水平檢測分支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]水平檢測分支5和豎直檢測分支2隻承受軸向拉力。每個水平檢測分支5和每個豎直檢測分支2上分別設置有應變片，組成測量電橋來檢測其上所受的軸向力。
[0024]當作用在測力平臺I上的力為Z和7方向力、Z方向力距時，可由四個水平檢測分支5確定，其中Z方向力由圖2中所示的水平檢測分支5中的M5和M7測得；7方向力由水平檢測分支5中的M6和M8測得；Z方向力距由M5、M6、M7、M8分支測得。當作用在測力平臺I上的力為Z方向力、I和7方向力距時，可由豎直檢測分支2確定，其中Z方向力由Ml、M2、M3、M4分支測得久方向力距由M2和M4分支測得；7方向力距由Ml和M3分支測得。最終該傳感器實現了對空間六維力的解耦測量。
[0025]本發明可應用於機器人、工業生產、航空航天技術等多種需要六維力測量的領域。
[0026]本發明的工作原理為:該六維力傳感器的豎直和水平檢測分支兩端為彈性球鉸，因此其上只承受軸向拉壓力。每個檢測分支上貼有應變片，可測量該分支上所受的軸向拉壓力，最終可由檢測分支受力與測力平臺受力的映射關係來求得作用在測力平臺上的六維外力。由於測量分支為豎直或水平放置，且它們為平行或正交布置，因此該六維力傳感器對空間六維力的測量是解耦的。
【權利要求】
1.一種正交解耦六維力傳感器，包括固定平臺，測力平臺，檢測分支，應變片，其特徵在於:固定平臺和測力平臺兩者呈平行狀態布置，固定平臺和測力平臺之間設置有一組呈豎直狀態的檢測分支；固定平臺和測力平臺分別呈圓盤形結構，測力平臺的中心設置有四邊形通孔，四邊形通孔內設置有立柱，立柱的另一端與固定平臺連接；立柱上裝有一組呈水平狀態的檢測分支，水平狀態的檢測分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。
2.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:立柱呈等截面的十字形結構。
3.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:豎直狀態的檢測分支的兩端通過彈性球鉸分別與固定平臺和測力平臺連接；水平狀態的檢測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.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:一組呈水平狀態的檢測分支中，所有檢測分支的軸線均位於同一平面內。
5.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:一組呈豎直狀態的檢測分支均布設置為四個。
6.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:一組呈水平狀態的檢測分支設置為四個並位於同一圓周上，該四個水平檢測分支位於所在圓周的同一迴旋方向的切線上。
7.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:四邊形通孔是正方形通孔。
8.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:立柱底端與固定平臺固接。
9.根據權利要求1所述的正交解耦六維力傳感器，其特徵在於:固定平臺和測力平臺兩者呈等直徑結構並同心設置。
【文檔編號】G01L5/16GK103487194SQ201310479891
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】王志軍, 賀靜, 崔冰豔, 李佔賢 申請人:河北聯合大學