CN101694407A - 过约束大量程并联六维测力平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六维力传感器领域，特别是涉及该领域中有关过约束大量程并联六维测力平台，包括测力板(1)、测力框(2)、支撑框(3)和若干测力支链，测力框(2)和支撑框(3)通过若干条测力支链相连接，测力支链分布在测力框(2)的五个面上，其中部分支链与测力框(2)底面相连接，其余支链分别与测力框(2)的四个侧面相连接，且安装在同一面上测力支链的中心线相互平行，安装在相邻面上测力支链的中心线相互垂直。本装置结构简单、加工、装配和调节简单方便，具有较高的结构刚度，易于实现大测力板，大量程六维力测量，测量精度高，特别适用于重载测量场合。

Description

过约束大量程并联六维测力平台

技术领域

本发明涉及一种六维力传感器领域，特别是涉及该领域中有关过约束大量程并联六维测力平台。

背景技术

六维力传感器能够测量空间三维力和力矩的大小，在测力信息要求丰富、测力精度要求高的场合如零力示教、轮廓跟踪、双手协调、精密柔性装配、多指灵巧手、机器人力反馈等领域有着广泛的应用前景。近年来，随着航空航天领域的快速发展，能在大加载面上测量大吨位力和力矩的六维测力装置已成为目前急需高科技产品之一。这种测力装置通常称为大量程、大测力板六维测力平台，在推力试验、试飞实验和风洞实验等航空航天领域有着重要的应用。世界各发达国家都非常重视这种测力平台的研制工作，是涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一。

在多维力的测量领域，目前相关产品多为在较小加载面内测量六维力的传感器。多维力传感器研制的关键是力敏感元件的结构设计，为此人们已提出了一些实现方案，例如，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，采用一体化结构，具有刚度高、结构紧凑等优点。ZL200810025591.2公开了一种正交串联线弹性体式六维力传感器结构，具有结构简单易于微型化等优点，但以上两种传感器结构均具有一定程度的维间耦合。中国专利ZL99102421.4公开了一种并联解耦结构六维力与力矩传感器，分布在第一平台三个侧面上且相互垂直的六个弹性体分别通过弹性铰链与第一平台和第二平台相连接，力敏感元件是一次加工成型的非组装件，其具有刚度高、结构紧凑等优点，但受到弹性铰链的结构及强度限制，该一体化传感器结构难以实现大量程多维力测量的要求。上述六维力传感器结构较适用于小量程六维力传感器结构，但将其应用于大量程多维力测量，会带来严重的维间耦合等问题，无法满足大吨位、大测力板多维测力的需求。

中国专利CN101149299公开的一种可以测量大吨位力或力矩的六维力传感器，其利用三维力石英晶片组整体组装来实现六维大力测量，但同样存在着维间耦合严重测量精度不高的问题。专利ZL99102526.1，ZL200710061531.1，ZL200710061521.8分别公开了以预紧式并联结构为弹性体的六维力传感器，其采用球窝锥头式球面副代替传统球铰，并通过中间支路或预紧平台进行整体预紧。该六维力传感器结构消除了球面副的间隙，降低了各球面副的摩擦力矩，具有便于预紧等优点，但测量载荷量程受到所加预紧力的限制，因此难以应用于大吨位六维力传感器结构上。因此到目前为止，高精度大吨位多维力测量的力敏元件仍是急待解决的关键问题之一。

近年来随着对大量程多维力测量需求的增加，一类能在大的加载面上进行大量程多维力测量的装置，即大量程大测力板多维测力平台成为当前急需的高科技产品之一。实现大测力板多维测力有两种解决方案：一是通过在一个多维力传感器测量头上直接安装测力板实现大加载面的方案；二是通过将测力板与多个一维或多维传感器相连接构建大加载面。第一种方案实现简单，但目前单个多维力传感器难以满足高精度大量程多维测力的需求。第二种方案由于采用多个一维或多维传感器连接测力板与支撑框，非常适合实现大加载面和大量程，因此是研发大吨位、大测力板测力平台的一个很好结构模型。但是由于目前常见结构多采用六分支测力支链连接测力板与支撑框，而限制了这种六分支测力平台的刚度和量程。同时由于现有方案未考虑关节摩擦等因素的影响，因此无论是在量程和测量精度方面都尚未满足实际需求。

发明内容

为克服大量程六维力传感器现有技术中的上述不足，本发明提供了一种过约束大量程并联六维测力平台，该测力平台具有较高的结构刚度，易于实现大测力板，大量程六维力高精度测量，特别适用于重载测量场合。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：过约束大量程并联六维测力平台由测力板、测力框、支撑框及其若干条测力支链组成。测力框和支撑框通过若干条测力支链相连接，测力支链分布在测力框的五个面上，其中部分测力支链与测力框底面相连接，且支链的中心线垂直于测力台底面，其余测力支链分布于测力框四周与其四个侧面相连接，且中心线分别垂直于相应的侧面。安装在同一面上测力支链的中心线相互平行，安装在相邻面上测力支链的中心线相互垂直。测力支链由与测力框连接的上球铰、具有偏载输出功能的拉压力传感器和与支撑框连接的下球铰连接构成。测力板、测力支链和支撑框构成过约束空间并联机构。此外，分布在测力框底面和四个侧面上测力支链的数量都可根据被测方向载荷的增大而相应增多，从而提高测力平台的刚度，增大量程范围。同时通过对多测力分支冗余测量信息的观测，提高测量精度。

本发明的有益效果是：本测力平台通过采用不少于十条的多条测力支链分布在测力框互相垂直或平行的五个面上，实现了XYZ三个方向大的结构刚度，克服了现有六维力传感器结构承受扭矩较小的缺陷；本测力平台具有结构简单，装配调试方便，易于实现大测力板六维力测量；本测力平台通过采用具有偏载输出功能的拉压力传感器和对多测力支链输出冗余测量信息的智能处理，提高了其测量精度；本测力平台可通过增加测力支链的数量增大平台刚度和提高测力量程，特别适用于重载大吨位测量场合。

附图说明

图1为过约束大量程并联六维测力平台示意图；

图2为测力支链结构示意图；

图3为等效测力支链结构示意图；

图4为测力框结构示意图；

图5为支撑框结构示意图。

在上述附图中，1.测力板、2.测力框、3.支撑框、4.上球铰座、5.上球铰、6.上球头连杆、7.具有偏载输出功能的拉压力传感器、8.下球头连杆、9.下球铰、10.下球铰座、11.A球铰座、12.A球铰、13.双球头连杆、14.B球铰、15.B球铰座、16.座式拉压力传感器。

具体实施方式

本发明所提出一种过约束大量程并联六维测力平台，包括测力板1、测力框2、支撑框3和若干测力支链，如图1至图5所示，测力框2和支撑框3通过若干条测力支链相连接，测力支链分布在测力框2的五个面上，其中部分支链与测力框2底面相连接，其余支链分别与测力框2四个侧面相连接，且安装在同一面上测力支链的中心线相互平行，安装在相邻面上测力支链的中心线相互垂直。测力支链由与测力框2连接的上球铰5、具有偏载输出功能的拉压力传感器7和与支撑框3链接的下球铰9依次连接构成。上球铰5由上球铰座4和上球头连杆6构成，下球铰9由下球头连杆8和下球铰座10构成，拉压力传感器7相当于移动副。因此，测力支链为SPS结构，测力支链中心线为两球铰中心的连线，其中S表示球铰，P表示移动副，对应着拉压力传感器。另外，测力支链的SPS结构还可以用与其等效的SSP结构代替，即测力支链也可等效地由与测力框2连接的A球铰12、B球铰14、和与支撑框3连接的具有偏载输出功能的座式拉压力传感器16依次连接构成。A球铰12由A球铰座11和双球头连杆13构成，B球铰14由双球头连杆13和B球铰座15构成，座式拉压力传感器16相当于移动副。

本发明的一种优选方式是测力支链为12个，其中4个均匀分布在测力框2底面，其余8个测力支链两两一组均匀分布在所述测力框2的4个侧面上。此外，分布在测力框2底面和四个侧面上测力支链的数量都可根据被测方向载荷的增大而相应增多，从而提高测力平台的刚度，增大量程范围。由于每个支链对上平台施加了一个约束力，因此常见的六支链并联平台机构六个支链刚好约束了测力平台的六个自由度。而本发明的测力平台由于有10个以上的测力支链，因此测力框2、测力支链和支撑框3构成过约束空间并联机构。

本发明的过约束大量程并联六维测力平台结构简单、加工、装配和调节简便，易于实现大测力板，大量程六维力测量，特别适用于航空航天领域推力试验、试飞实验和风洞实验等各种需要高精度测量大吨位多维力的应用场合。

Claims (4)

1.一种过约束大量程并联六维测力平台，包括测力板(1)、测力框(2)、支撑框(3)和若干测力支链，其特征是：测力框(2)和支撑框(3)通过若干条测力支链相连接，测力支链分布在测力框(2)的五个面上，其中部分支链与测力框(2)底面相连接，其余支链分别与测力框(2)的四个侧面相连接，且安装在同一面上测力支链的中心线相互平行，安装在相邻面上测力支链的中心线相互垂直。

2.根据权利要求1所述的过约束大量程并联六维测力平台，其特征是：所述测力支链由与测力框(2)连接的上球铰(5)、具有偏载输出功能的拉压力传感器(7)和与支撑框(3)连接的下球铰(9)依次连接构成。

3.根据权利要求1所述的过约束大量程并联六维测力平台，其特征是：所述测力支链由与测力框(2)连接的A球铰(12)、B球铰(14)、和与支撑框(3)连接的具有偏载输出功能的拉压力传感器(16)依次连接构成。

4.根据权利要求1所述的过约束大量程并联六维测力平台，其特征是：所述的测力支链数量至少为十条，在测力框(2)五个面的每个面上至少分布两条测力支链，测力框(2)每面上分布测力支链的数量可根据被测载荷增大而相应增多。

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