CN100523753C - 上下预紧式并联结构六维力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种上下预紧式并联结构的六维力传感器。其特征是：测力平台(1)由轴线重合的底盘和承载圆盘固接而成，测力平台(1)底盘边缘的上、下表面各分布三个球窝，其上、下表面的三个球窝均匀分布在各自的圆周上；预紧平台(2)为壳体构件，其顶部内环面上均布三个球窝；底座(6)上表面的同一圆周上均布三个球窝，检测构件(3)与球窝形成锥头式球面副，六个检测构件(3)分为上下两组，两组检测构件(3)通过球窝锥头式球面副与预紧平台(2)、测力平台(1)、底座(6)联接，预紧平台(2)和底座(6)联接处通过螺栓(4)、螺母(5)施加联接预紧力。本发明结构简单、测量原理简便、便于加工制造、易于形成精密化和系列化，可应用于机器人、航空航天等各种需要六维力测量的场合。

Description

上下预紧式并联结构六维力传感器
技术领域
本发明涉及一种力传感器设计制造领域，特别是涉及一种上下预紧式并联结构六维力传感器，可用于测试空间的三维力分量和力矩分量。
背景技术
传感器在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着重要作用，传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一。六维力传感器以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为最重要的一类传感器，可用于监测方向和大小不断变化的力和测量加速度或惯性力等。它广泛应用于精密装配、自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中，同时在机器人、航空、航天、机械加工及汽车等领域中也有重要的应用价值。当今世界发达国家对其发展极为重视，视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一，将其列入国家科技发展战略计划之中
在六维力传感器研究中，力敏感元件的结构设计是其中的关键核心问题，力敏感元件的结构将影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等最关键的因素，在很大程度上决定着传感器性能的优劣。一些学者提出并研究了多种六维力传感器的结构，并取得多项专利，如：中国专利ZL93224329.0公开了一种具有十字梁结构的六维力传感器，中国专利ZL99102421.4公开了一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器，两者皆为一体化结构，具有刚度高、结构紧凑等优点，但各测量敏感部位都存在一定程度的力耦合，无法实现完全解耦，并且从微型传感器到大型的测试平台很难用同样的结构实现。
传统的斯图尔特(Stewart)平台结构六维力传感器，其特点是传感器由各弹性构件通过球面副与上下平台联接而成。当受六维外力作用时，不考虑各球面副摩擦及构件自重的情况下，其六个支承构件只承受沿两个球面副中心连线方向的拉力或压力，可实现无应力耦合的六维力测量。应用时可通过测出六个检测构件所受的轴向力，利用标定变换矩阵一一对应的映射到平台上，进而求出平台所受六维外力。其测量原理简单，但存在以下主要问题：结构较为复杂；十二个球面副需分别调整和预紧，调整工作量大；传统球面副接触面积很大，摩擦力矩较大，易产生较大的应力耦合和维间耦合并且很难解耦；传统球面副易产生间隙，使得测力平台受力过零性差，当所承受的外力方向改变时，线性度不好，容易产生迟滞现象等。中国专利ZL99102526.1公开的整体预紧平台式六维力传感器，其结构是在传统斯图尔特平台结构的上、下平台之间，增设一个中间预紧支路，利用该预紧支路拉紧上、下平台，对传感器进行整体预紧，同时预紧各球副，消除间隙，提高传感器的整体刚度，然而此中间预紧式六维力传感器结构在原理上已经是一个超静定结构，并且需要七个检测构件，标定方法较为复杂。
发明内容
为了克服现有六维力传感器存在的上述不足，本发明提供一种上下预紧式并联结构六维力传感器，该传感器不仅能够检测三维空间的力与力矩，同时还具有结构简单、校准方便、经济性好和模块化程度高等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该传感器由底座、测力平台、预紧平台、六个检测构件和预紧螺栓-螺母组成，六个检测构件分为两组，其中的三个检测构件分布在测力平台的上侧，另外的三个检测构件分布在测力平台的下侧，预紧平台和底座通过预紧螺栓-螺母联接对传感器进行整体预紧，消除各球面副的间隙，提高传感器的整体刚度。六个检测构件采用单向约束的球窝锥头式球面副替代传统的双向约束的球面副与相邻平台联接，预紧平台、底座上各有三个球窝，测力平台的上、下表面各有三个球窝，位于同一平面的三个球窝均布在同一圆周上，检测构件的两端为锥形其中部装有力敏元件，力敏元件可选择应变式或压电式。预紧平台与底座的联接处通过螺栓-螺母联接施加预紧力。
本发明的有益效果是：该传感器结构简单、测量原理简便、标定算法简捷，保持了传统斯图尔特平台六维力传感器的优点；取消了传统结构的球铰，结构大为简化，调整工作量大为减少，易于实现标准化、通用化；组成球面副的锥头与球窝的接触面积小，使摩擦力矩减小，各弹性构件力敏感部位的应力耦合降低；采用预紧式结构方案，不存在过零问题，非线性和迟滞误差将减小，使传感器的刚度增加；该六维力传感器仍为力静定结构，传感器所受外力和检测构件之间的映射关系易于求解，校准方便；传感器由分离元件组装而成，成本低，便于加工制造，实现模块化、系列化，从微型传感器到大型的测试平台都可以用同样的结构实现。
附图说明
图1是上下预紧式并联结构六维力传感器的结构示意图；
图2是预紧平台的结构示意图；
图3是测力平台的结构示意图；
图4是球窝锥头式球面副的结构示意图。
在图1中，1.测力平台，2.预紧平台，3.检测构件，4.螺栓，5.螺母，6.底座。
具体实施方式
上下预紧式并联结构六维力传感器由预紧平台2、测力平台1、底座6、六个检测构件3以及预紧螺栓4和螺母5组成(见图1)，测力平台1由轴线重合的底盘和承载圆盘固接而成，测力平台1底盘边缘的上下两侧各分布着三个球窝，三个球窝均匀分布在同一圆周上；预紧平台2为壳体构件，壳体顶部开有一个圆孔，测力平台1的承载圆盘从圆孔伸出，壳体顶部内侧环面上分布有三个球窝，三个球窝均匀分布在同一圆周上，壳体底部的连接凸缘上开设均布的螺栓孔；六个检测构件分为两组，其中的三个检测构件分布在测力平台1底盘的上侧，另外的三个检测构件分布在测力平台1底盘的下侧；底座6为一圆盘形构件，底座上侧有三个球窝，且三个球窝均匀分布在同一圆周上，底座6边缘开设有螺栓孔；检测构件3通过球窝锥头式球面副与预紧平台2、测力平台1、底座6联接，每个检测构件上附有力敏元件，且检测构件的两端为锥头结构，力敏元件可选择应变式、压电式等；预紧平台2和底座6联接处通过螺栓4、螺母5施加联接预紧力。
本发明的预紧式并联结构六维力传感器，可应用于机器人、生物力学、航空航天领域等各种需要六维力测量的领域。

Claims (3)

1.一种上下预紧式并联结构六维力传感器，包括螺栓(4)和螺母(5)，其特征是：测力平台(1)由轴线重合的底盘和承载圆盘固接而成，测力平台(1)底盘边缘的上、下表面各分布三个球窝，其上、下表面的三个球窝均匀分布在各自的圆周上；预紧平台(2)为壳体构件，其顶部内环面上均布三个球窝；底座(6)为一圆盘形构件，其上表面的同一圆周上均布三个球窝，检测构件(3)与球窝形成球窝锥头式球面副，六个检测构件(3)分为上下两组，两组检测构件(3)通过球窝锥头式球面副与预紧平台(2)、测力平台(1)、底座(6)联接，预紧平台(2)和底座(6)联接处通过螺栓(4)、螺母(5)施加联接预紧力。
2.根据权利要求1所述的上下预紧式并联结构六维力传感器，其特征是：预紧平台(2)的壳体顶部开有一个圆孔，其底部连接凸缘上开有螺栓孔；测力平台(1)的承载圆盘从预紧平台(2)的圆孔中伸出。
3.根据权利要求1所述的上下预紧式并联结构六维力传感器，其特征是：检测构件(3)的两端为锥头结构，检测构件(3)上装有力敏元件。
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