3-spr並聯解耦結構六維測力平臺的製作方法

2023-06-06 14:20:01 1

專利名稱：3-spr並聯解耦結構六維測力平臺的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種力和力矩傳感器及機器人領域，特別是涉及一種3-SPR 並聯解耦結構六維測力平臺。
技術背景測量六維力傳感器不僅是機器人智能化的必要手段，也是許多工程、 機電、軍事和醫療等裝備智能化控制的主要環節。測量六維力的關鍵是要 將三個力分量和三個力矩分量轉化成六路電信號輸出。對此人們已研製出 多種結構的六維力傳感器，諸如筒形結構，雙環結構，三、四、八個垂 直筋結構，十字結構，非徑向梁結構，T形杆結構等。這些傳感器結構各具 特點，但大多難以將六維力影射成六個解耦測力信號，有些還存在剛度低、 應變靈敏度低、結構相對複雜等問題。用六自由度6-SPS並聯機構，可以 將作用平臺的六維力影射成六個沿SPS腿的解耦驅動力。基於6-SPS並聯 機構，人們已設計或研製了多種六維測力平臺，得到六個解耦測力信號輸 出。為便於說明，用"("=3, 6)表示腿數，用S、 U、 P和R分別表示腿運 動鏈中的球鉸、萬向副、移動副和轉動副，它們的組合表示腿運動鏈結構。 Ranganath， Dwarakanath和Kang等分別研製出不同形式的6-SPS並聯六維 力傳感器。相應的中國專利有六自由度力與力矩傳感器(CN2165435Y)、 機器人用六維力與力矩傳感器(CN2066134U)、並聯解耦結構六維力與力 矩傳感器(CN1267822)、 一種具有彈性鉸鏈六維力與力矩傳感器(CN1229915)、十二維力/加速度機器人腕傳感器(CN1385677)、整體預 緊平臺式六維力傳感器(ZL99102526.1)和並聯6-UPUR六維測力平臺(CN1828248A)等不同結構形式的六維力傳感器。由於這類六維測力平臺 有六個測力腿和十二個球鉸，所以結構相對複雜，製造難度較大，導致測 試精度降低。 發明內容為了克服現有技術存在的結構相對複雜、製造難度較大和測試精度降 低等不足，本發明提供一種3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺，3-SPR並聯機構構造六維測力平臺，可以將作用平臺的六維力影射到三個SPR型二 維測力腿上，得到彼此解耦的三個驅動力和三個約束力以及相應的六路電 信號輸出。這種3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺包括基座、三個球鉸、三個結 構相同的二維測力腿、三個轉動副和加載平臺，每個二維測力腿通過球鉸 和轉動副與基座和加載平臺聯接。二維測力腿包括本體、第一調整螺釘、 第一傳感器、第二調整螺釘和第二傳感器。三個球鉸的中心分別與基座正 三角形的三個頂點重合，三個轉動副的軸線分別與加載平臺的三個邊重合。每個二維測力腿的本體由上架、中架、下架、四個結構相同的彈性臂 連接成一體，上架與轉動副輸入軸聯接，下架與球鉸輸入軸連接。由上架 和兩個彈性臂及中架構成一個彈性平行四邊形結構，實現二維測力腿沿約 束力的變形。由中架和兩個彈性臂及下架構成另一個彈性平行四邊形結構， 實現二維測力腿沿驅動力的變形。由於每個彈性臂兩端截面驟然減小，使 得每個彈性平行四邊形結構垂直彈性臂的剛度遠小於沿彈性臂的剛度，實 現了驅動力與約束力的解耦與測試。所述二維測力腿上安裝兩個傳感器和兩個螺釘。第一傳感器固定在上 架上，其軸線平行於轉動副軸線。第一調整螺釘與中架可調式聯接，並預 先與第一傳感器測頭軸向接觸。第二傳感器固定在下架上，其軸線與過球 鉸中心和轉動副軸線且垂直於轉動副的直線平行。第二調整螺釘與中架可 調式聯接，並預先與第二傳感器測頭軸向接觸。當六維力引起二維測力腿 的兩個彈性平行四邊形結構變形時，兩個傳感器將輸出測力或位移信號。 調整螺釘的位置可以調整傳感器的預壓縮量，以便消除測力過零誤差，克 服整體預緊平臺式六維力傳感器預緊儒變問題，避免因貼應變片工藝誤差 造成的測試精度下降。本發明的有益效果是用三自由度3-SPR並聯機構，可將作用其平臺 的六維力影射成三個過球鉸中心和轉動副軸線且垂直於轉動副的驅動力和 三個過球鉸中心且平行轉動副的約束力，且六個力彼此解耦。所以用3-SPR 並聯機構構造六維測力平臺，也可以將作用平臺的六維力影射到三個測力 腿上，得到解耦的三個驅動力和三個約束力以及相應的六路電信號輸出。由於這種測力平臺僅有三個測力腿、三個轉動副和三個球鉸，故所得3-SPR 並聯解耦結構六維測力平臺具有測試力解耦、結構簡單、易於製造、測試 精度高和剛度高等優點。


圖1是3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺； 圖2是二維測力腿本體的結構主視圖； 圖3是二維測力腿本體結構的軸側圖。在圖l、圖2、圖3中，l.基座，2.球鉸，2-l.球鉸輸入軸，3二維測力 腿，3-1.上架，3-2.中架，3-3.下架;3-4、 3-5、 3-6、 3-7.彈性臂，4.轉動副， 5.加載平臺，6.第一調整螺釘，8.第二調整螺釘，7.第一傳感器，9.第二傳感 器°具體實施例圖1是本發明公開的一個實施例，這種具有組裝測力腿的3-SPR並聯 解耦結構六維測力平臺包括基座1、三個球鉸2、三個組裝式二維測力腿3、 三個轉動副4和加載平臺5。每個組裝式二維測力腿3由球鉸2和轉動副4 分別與基座l和加載平臺5聯接。二維測力腿3的本體由上架3-l、中架3-2、 下架3-3和四個結構相同的彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)連接成一體；所 述上架3-1有一個光孔和一個螺紋孔，兩個孔的軸線相互平行；所述中架 3-2有上、下兩個軸線相互垂直的螺紋孔，其中上螺紋孔與上架3-l螺紋孔 的軸線共線；所述下架3-3有一個螺紋孔和一個與其平行的光 L，其中螺紋 孔與中架3-2下螺紋孔的軸線共線；上架3-1光孔與轉動副4軸配合連接， 下架3-3光孔與球鉸2輸入軸配合聯接；下架3-3光孔軸線與上架3-1光孔 軸線的中垂線重合；所述四個彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)共面，每個彈 性臂截面為矩形且兩端截面驟然減小，彈性臂(3-4， 3-5)垂直於上架3-1 光孔的軸線，彈性臂(3-6， 3-7)平行於上架3-l光孔的軸線。上架3-l和 彈性臂(3-4， 3-5)及中架3-2構成一個平行四邊形結構，中架3-2和彈性 臂(3-6， 3-7)及下架3-3構成另一個平行四邊形結構。每個組裝式二維測力腿3上裝有兩個力傳感器(7， 9)和兩個調整螺 釘(6， 8)，第一力傳感器7固定在上架3-l上，其軸線與轉動副軸線平行;第一調整螺釘6與中架3-2可調式聯接，並預先與第一傳感器7測頭軸向接 觸。第二力傳感器9固定在下架3-3上，其軸線與過球鉸中心和轉動副軸線 且垂直於轉動副的直線平行。第二調整螺釘8與中架3-2可調式聯接，並預 先與第一力傳感器9測頭軸向接觸。當六維力引起每個二維測力腿的兩個 彈性平行四邊形結構變形時，兩個力傳感器(7， 9)將輸出測力信號。調 整螺釘(6， 8)位置可以調整傳感器的預壓縮量，以便消除測力過零誤差， 克服整體預緊儒變問題，避免因貼應變片工藝誤差造成的測試精度下降。第一、第二傳感器(7， 9)也使用位移傳感器，通過標定，可根據位 移傳感器輸出的位移信號折算出相應的測力值。這種3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺具有測試力解耦、算法簡單、 測試精度高、無測力過零誤差、無預緊儒變、結構簡單、易於製造、剛度 高等優點，可應用到機器人各關節及其它六維力與力矩傳感器的場合之中。
權利要求
1.一種3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺，包括基座(1)、三個球鉸(2)、三個結構相同的二維測力腿(3)、三個轉動副(4)和加載平臺(5)，其特徵是每個二維測力腿(3)通過球鉸(2)和轉動副(4)與基座(1)和加載平臺(5)聯接，二維測力腿(3)包括本體、第一調整螺釘(6)、第一傳感器(7)、第二調整螺釘(8)和第二傳感器(9)；三個球鉸(2)的中心分別與基座(1)正三角形的三個頂點重合，三個轉動副(4)的軸線分別與加載平臺(5)正三角形的三個邊重合。
2. 根據權利要求1所述的3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺，其特徵 是二維測力腿(3)的本體由上架(3-1)、中架(3-2)、下架(3-3)和四 個結構相同的彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)連接成一體；所述上架(3-1) 有一個光孔和一個螺紋孔，兩個孔的軸線相互平行；所述中架(3-2)有上、 下兩個軸線相互垂直的螺紋孔，其中上螺紋孔與上架(3-1)螺紋孔的軸線 共線；所述下架(3-3)有一個螺紋孔和一個與其平行的光孔，其中螺紋孔 與中架(3-2)下螺紋孔的軸線共線；上架(3-1)光孔與轉動副(4)軸配 合連接，下架(3-3)光孔與球鉸(2)輸入軸配合聯接；下架(3-3)光孔 軸線與上架(3-1)光孔軸線的中垂線重合；所述四個彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)共面，每個彈性臂截面為矩形且兩端截面驟然減小，彈性臂(3-4， 3-5)垂直於上架(3-1)光孔的軸線，彈性臂(3-6， 3-7)平行於上架(3-1) 光孔的軸線。
3. 根據權利要求1或2所述的3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺，其 特徵是第一傳感器(7)固定在上架(3-1)螺紋孔中，第一螺釘(6)與 中架(3-2)上螺紋孔聯接，並預先與第一傳感器(7)測頭軸向接觸；第二 傳感器(9)固定在下架(3-3)螺紋孔中，第二螺釘(8)與中架(3-2)下 螺紋孔聯接，並預先與第二傳感器(9)測頭軸向接觸。
4. 根據權利要求3所述的3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺，其特徵 是第一、第二傳感器(7， 9)為力傳感器或者為位移傳感器。
全文摘要
本發明公開一種3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺。其特徵是每個二維測力腿(3)通過球鉸(2)和轉動副(4)與基座(1)和加載平臺(5)聯接，三個球鉸(2)中心分別與基座(1)正三角形的三個頂點重合，三個轉動副(4)軸線分別與加載平臺(5)正三角形的三個邊重合。本發明基於三自由度3-SPR並聯機構的原理和力學性能，實現了六維力向三個SPR型二維測力腿上的影射，在每個二維測力腿(3)上得到一個驅動力和一個約束力。利用每個SPR腿上的兩個彈性平行四邊形結構與第一、第二傳感器(7，9)及第一、第二調整螺釘(6，8)組合，獲得了一種測力精度高、結構簡單的二維解耦測力腿。這種3-SPR並聯解耦結構六維測力平臺具有測試力解耦、算法簡單、測試精度高、無測力過零誤差、無預緊儒變、結構簡單、易於製造、剛度高等優點，可應用到機器人各關節及其它六維力與力矩傳感器的場合之中。
文檔編號G01L1/00GK101246062SQ20081005463
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月15日 優先權日2008年3月15日
發明者毛秉毅, 懿 路 申請人:燕山大學