專利名稱：并聯(lián)結構六維力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及力傳感器設計制造領域，特別是涉及一種可實現(xiàn)部分解耦的并聯(lián)結構六維力傳感器，可對作用在其上的空間三維力分量和三維力矩分量進行測量。
背景技術：
六維力傳感器是一種能夠同時檢測空間內三維力信息和三維力矩信息的一類力傳感器?？捎糜诒O(jiān)測方向和大小不斷變化的力，使機器人能夠完成力/位置控制、輪廓跟蹤、軸孔配合、雙臂協(xié)調等復雜的操作任務。隨著技術的發(fā)展，六維力傳感器已廣泛用于國防科技和工業(yè)生產(chǎn)等各個領域。自從20世紀70年代以來，六維力傳感器一直被國內外眾多學者所關注，成為國際熱點研究課題之一，先后有多種不同材料，不同構型的六維力傳感器發(fā)明問世，并逐漸走向產(chǎn)品化。在六維力傳感器的設計中，敏感元件的形式和布置很大程度上決定了傳感器性能的優(yōu)劣，不僅影響到精度、靈敏度、線性度、剛度等性能指標，而且傳感器的結構也受到不同應用場合的限制。現(xiàn)有的六維力傳感器的結構主要有三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋豎梁結構，非對稱平面三梁結構，平面十字梁結構，雙環(huán)形復合梁結構，圓筒結構，雙E型膜片結構等。以上所述六維力傳感器均為一體式結構，這種結構存在共同的問題就是各測量敏感部位等都存在一定程度的力耦合，即應變橋的輸出信號與每個力/力矩分量有關，即測量力信號與應變橋的輸出信號耦合，無法實現(xiàn)完全解耦，從一定程度上影響了其測試精度，因此這種彈性體的設計存在測試對象較窄的缺點?；赟tewart并聯(lián)機構的六維力傳感器采用球鉸的連接方式,敏感元件(應變片或壓電石英等)置于測量分支桿上，由機構的靜力學分析可知，在外力施加到Stewart并聯(lián)結構力傳感器上時，其各測量分支敏感元件之間不存在應力耦合，因此不需要通過改變貼片方式進行解耦。另外，Stewart并聯(lián)機構以其固有的優(yōu)點，如剛度大、結構穩(wěn)定、承載能力高、無誤差積累、逆解求解容易等，成為一類非常成功的六維力傳感器結構實現(xiàn)形式。中國專利ZL99102421.4公開了一種基于彈性球鉸的并聯(lián)結構六維力傳感器，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。中國專利ZL99119320.2公開了一種解耦的并聯(lián)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，并且各組彈性體軸線構成的平面互相垂直，從結構上實現(xiàn)六維力與力矩解稱。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并聯(lián)結構的基礎上，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ZL200810054640.5和ZL200810054666.x分別公開了一種具有六分支的彈性鉸并聯(lián)6-UPS和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。以上的幾類并聯(lián)結構六維力傳感器中，敏感元件大多在空間布置，而且結構較為復雜，加工難度大，因此能夠應用于實際生產(chǎn)中產(chǎn)品化的六維力傳感器還比較少。

發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有六維力傳感器存在的上述不足，本發(fā)明提供一種并聯(lián)結構六維力傳感器，該傳感器能夠檢測三維空間的力與力矩。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
一種并聯(lián)結結構六維力傳感器，包括固定平臺，測力平臺，柱體，檢測分支，固定平臺水平設置，測力平臺與固定平臺呈平行狀態(tài)設置；檢測分支上設有應變片，檢測分支的兩端分別裝有彈性球鉸；所述檢測分支設有兩組，每組三個，其中一組檢測分支呈豎直狀態(tài)設置，另一組檢測分支呈水平狀態(tài)設置；呈豎直狀態(tài)設置的檢測分支兩端分別通過彈性球鉸與固定平臺和測力平臺連接；呈水平狀態(tài)設置的檢測分支置于測力平臺上。本發(fā)明與現(xiàn)有六維力傳感器相比具有如下優(yōu)點:結構簡單，加工方便，測量原理簡便；可實現(xiàn)六維外力測量的部分解耦；便于應用，適用場合廣泛。本發(fā)明的優(yōu)選方案是:
所述測力平臺上設有中心孔，呈水平狀態(tài)的檢測分支置于中心孔內，該檢測分支的一端通過彈性球鉸與測力平臺的中心孔壁連接，該檢測分支的另一端與置于中心孔內的柱體連接；柱體的底端與固定平臺連接。所述中心孔呈三角形結構。所述呈豎直狀態(tài)的檢測分支均布于同一圓柱面上。所述呈水平狀態(tài)的檢測分支置于同一平面內，且三個檢測分支所在的軸線圍成三角形結構。中心孔呈等邊三角形結構。柱體呈三棱形結構。所述應變片置于檢測分支側表面。所述三個檢測分支所在的軸線圍成的三角形結構是等邊三角形結構。


圖1是并聯(lián)結構六維力傳感器的立體結構示意圖。圖2是并聯(lián)結構六維力傳感器的俯視圖。圖中:測力平臺1，檢測分支2，彈性球鉸3，柱體4，固定平臺5。
具體實施例方式本實施例中的六維力傳感器由測力平臺1、柱體4、固定平臺5以及六個檢測分支2組成。固定平臺5水平設置，測力平臺I與固定平臺5呈平行狀態(tài)設置；檢測分支2上設有應變片，應變片用于測量其上所受的軸向拉壓力；應變片置于檢測分支2側表面。檢測分支2的兩端分別裝有彈性球鉸3。檢測分支2設有兩組，每組三個，其中一組檢測分支2垂直于固定平臺5呈豎直狀態(tài)設置，另一組檢測分支2呈水平狀態(tài)設置；呈豎直狀態(tài)設置的檢測分支兩端分別通過彈性球鉸3與固定平臺5和測力平臺I連接；呈水平狀態(tài)設置的檢測分支2置于測力平臺I上。
測力平臺I上設有中心孔，中心孔呈等邊三角形結構。呈水平狀態(tài)的檢測分支2置于中心孔內，檢測分支2的一端通過彈性球鉸3與測力平臺I的中心孔壁連接，檢測分支2的另一端與置于中心孔內的柱體4連接；柱體4的底端與固定平臺5連接；柱體4呈三棱形結構。呈豎直狀態(tài)的檢測分支2均布于同一圓柱面上。呈水平狀態(tài)的檢測分支2置于同一水平面上，且三個檢測分支2所在的軸線圍成等邊三角形結構；三角形的中心與坐標系的中心點重合。當外力為Z和7方向力、Z方向力距時，外力方向與豎直檢測分支的軸線方向垂直，因此可分別由三個水平布置的檢測分支來測量。當外力為Z方向力、Z和7方向力矩時，夕卜力方向與水平檢測分支的軸線方向垂直，此時可分別由三個豎直檢測分支來測量，這樣就實現(xiàn)了六維外力測量，而且六維方向力是部分解耦的。由于檢測分支2兩端均為彈性球鉸，只能承受軸向拉壓力，因此外力施加到測力平臺上時各檢測分支2之承受軸向拉壓力，可通過六個檢測分支2所受軸向力來求得六維外力。當I和7方向力、Z方向力距作用到傳感器測力平臺I上時，可由水平放置的三個檢測分支2唯一確定。當Z方向力、Z和7方向力矩作用到傳感器測力平臺I上時，可由豎直放置的三個檢測分支2唯一確定。本發(fā)明可應用于機器人、工業(yè)生產(chǎn)、航空航天技術等多種需要六維力測量的領域；從微小型到大型傳感器都可由該結構實現(xiàn)。本發(fā)明不限于上述實施例所列舉，還可以將柱體做成等邊的六邊形結構，在六邊形的三個面上裝上耳座，在耳座上連接彈性球鉸3 ;同樣視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種并聯(lián)結構六維力傳感器，包括固定平臺，測力平臺，柱體，檢測分支，固定平臺水平設置，測力平臺與固定平臺呈平行狀態(tài)設置；其特征在于:檢測分支上設有應變片，檢測分支的兩端分別裝有彈性球鉸；所述檢測分支設有兩組，每組三個，其中一組檢測分支呈垂直狀態(tài)設置，另一組檢測分支呈水平狀態(tài)設置；呈垂直狀態(tài)設置的檢測分支兩端分別通過彈性球鉸與固定平臺和測力平臺連接；呈水平狀態(tài)設置的檢測分支置于測力平臺上。
2.根據(jù)權利要求1所述的并聯(lián)結構的六維力傳感器，其特征在于:所述測力平臺上設有中心孔，呈水平狀態(tài)的檢測分支置于中心孔內，該檢測分支的一端通過彈性球鉸與測力平臺的中心孔壁連接，該檢測分支的另一端與置于中心孔內的柱體連接；柱體的底端與固定平臺連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:所述中心孔呈三角形結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:所述呈垂直狀態(tài)的檢測分支均布于同一圓周上。
5.根據(jù)權利要求1所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:所述呈水平狀態(tài)的檢測分支置于同一圓周上，且三個檢測分支所在的軸線圍成三角形結構。
6.根據(jù)權利要求2或3所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:中心孔呈等邊三角形結構。
7.根據(jù)權利要求2所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:柱體呈三棱形結構。
8.根據(jù)權利要求1所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:所述應變片置于檢測分支側表面。
9.根據(jù)權利要求5所述的并聯(lián)結構六維力傳感器，其特征在于:所述三個檢測分支所在的軸線圍成的三角形結構是等邊三角形結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及力傳感器設計制造領域，特別是涉及一種可實現(xiàn)部分解耦的并聯(lián)結構六維力傳感器。包括固定平臺，測力平臺，柱體，檢測分支，固定平臺水平設置，測力平臺與固定平臺呈平行狀態(tài)設置；檢測分支上設有應變片，檢測分支的兩端分別裝有彈性球鉸；檢測分支設有兩組，每組三個，其中一組檢測分支呈垂直狀態(tài)設置，另一組檢測分支呈水平狀態(tài)設置；呈垂直狀態(tài)設置的檢測分支兩端分別通過彈性球鉸與固定平臺和測力平臺連接；呈水平狀態(tài)設置的檢測分支置于測力平臺上。具有如下優(yōu)點結構簡單，加工方便，測量原理簡便；可實現(xiàn)六維外力測量的部分解耦；便于應用，適用場合廣泛。
文檔編號G01L5/16GK103091026SQ20131003810
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權日2013年1月31日
發(fā)明者王志軍, 賀靜, 李占賢 申請人:河北聯(lián)合大學