CN104034474A - 并联3-spu六维测力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并联3-SPU六维测力传感器，包括承载块、测力分支及基础平台，其特征是：承载块通过空间两两相互垂直的3条测力分支和基础平台相连，测力分支由定位块、球铰、拉压传感器和柔性万向铰构成，并形成一个SPU串联分支；定位块与基础平台相连，拉压传感器一端通过球铰与定位块相连，另一端与柔性万向铰相连。其优点是：本发明基于3-SPU并联机构原理，实现了六维力在三个分支上的分解，特别是利用三个分支空间对称分布的结构，获得了一种结构简单、纵向承载能力强的并联六维测力平台。三个柔性万向铰与承载块一体加工，本发明具有加工方便、结构简单、易于分析建模、性能稳定和适应性广泛等特点。

Description

并联3-SPU六维测力传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种有关空间大吨位六维力的测量装置，特别是一种并联3-SPU六维测力传感器。

背景技术

六维测力平台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、多指灵巧手和机器人力反馈等领域有着广泛的应用前景。近年来，大测力范围、大量程的六维测力平台已成为目前急需高科技产品之一，特别是对于应用在航空航天领域的推力试验、试飞实验和风洞实验所急需的大测力范围、大吨位的六维测力平台，当今世界许多国家对其研制工作非常重视，视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之一，并将其列入国家科技发展战略计划之中。

在传感器的设计中，维间耦合问题是影响传感器精度的关键因素，为了实现维间解耦，人们已提出了一些解决方案，例如：中国专利ZL99102421.4公开的专利技术，其原理是用弹性铰链进行解耦，具有刚度高、结构紧凑等优点，但不能实现完全解耦，并且很难应用到大吨位力或力矩的测量中。传感器的测量范围是评价其指标的一个关键因素，尤其是大吨位的多维力传感器很难实现精确测量，一种可以测量大吨位力或力矩的六维力传感器已被中国专利CN101149299公开，该专利用三维力石英晶片组整体组装形式来实现六维大力测量，但该传感器没有充分考虑维间耦合问题，从而导致其测量精度不高。

大测力范围、大量程六维测力平台的力敏感元件的结构设计是重载测力平台研制过程的关键、核心问题，一直是研究的热点之一，研究人员已提出了多种六维测力平台的结构，但大多存在结构复杂、刚度低、应变灵敏度低和解耦难等不同方面的问题。目前普遍采用的基于传统铰链的Stewart平台大型六维测力平台样机的测量精度较低，且不同方向的性能存在较大差异。其本质原因在于采用普通铰链不可避免会带来关节间摩擦与间隙、结构整体变形和分支扭弯等问题，若将此结构应用于开发重载大吨位六维测力平台也面临着结构刚度偏弱的问题。

若将现有的六维力传感器应用于空间大吨位六维力测量，会存在如下不足：六维力传感器大部分采用六分支连接，结构复杂；现有六维力传感器测量范围较小，安装操作繁琐；没有充分考虑维间耦合等问题，测量精度有待提高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中并联六维力传感器的不足，提供一种可实现高刚度、大吨位六维力测量并且结构简单的并联3-SPU六维测力传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

并联3-SPU六维测力传感器包括承载块、测力分支及基础平台，其中：承载块通过空间两两相互垂直的3条测力分支和基础平台相连，测力分支由定位块、球铰、拉压传感器和柔性万向铰构成，并形成一个SPU串联分支；定位块与基础平台相连，拉压传感器一端通过球铰与定位块相连，另一端与柔性万向铰相连。

所述空间两两相互垂直的3条测力分支是指三个测力分支的中心线两两互相垂直；

所述承载块是由一个正方体块沿共顶点的三个面上的三条首尾相接的对角线所构成的平面切削加工而成，3条测力分支的三个柔性万向铰分别固定于承载块的另外三个两两相邻的完整正方形面上；

所述柔性万向铰是在长方体块的两组相对侧面上分别加工两个夹角为120°的切槽后而成；

所述拉压传感器能输出拉压力信号与两维偏载信号。

测力分支为SPU结构，该方案使得测力台结构紧凑，能够承受尤其是竖直方向的重载，因此可以提供空间大吨位六维力的信息。测力分支中均安装有可以同时测出该分支的拉压力及弯矩信号的拉压传感器，可将全部分支检测到的拉压力及弯矩信息合成运算，换算出测力分支所承受的力和力矩，从而得到承载快上所受的空间六维力信息。将弯矩信息融入测力台标定运算，补偿标定实验数据，可有效降低维间耦合对六维力测量精度的影响，进一步提高该装置的测量精度；本装置可以多个共同使用，量程将会显著提高。

本发明的有益效果：

1)通过合理布置分支位置，使得机构更加紧凑，因此更加灵巧，方便；

2)分支中采用了低摩擦系数的球副，使得本装置有效减弱了以往传感器结构中常采用的传统球铰引起的摩擦对测量精度的影响，此外，在降低摩擦的同时，可将每条分支上的弯矩信息参与测力台标定运算，进一步提高了本装置的测量精度；

3)本装置具有结构简单、性能可靠、易于加工装配，并可根据具体情况，模块化封装后组合成新的结构形式，即具有良好的适应性及广泛的通用性。

4)该结构具有刚度高、量程大等优点，为重载大吨位六维力传感器结构设计提供了良好的方案。

附图说明

图1为本发明外观结构示意简图；

图2为本发明测力分支结构示意简图；

图3为本发明中带有三个柔性万向铰的承载快的示意简图；

图4为四个并联3-SPU六维测力传感器组成的大量程传感器。

在上述附图中：1.基础平台、2.定位块、3.球铰、4.拉压传感器、5.锁紧螺母、6.柔性万向铰、7.承载块、8.重载盖板、9.重载底板。

具体实施方式

图1为本发明外观结构示意简图。承载块(7)通过空间两两相互垂直的3条测力分支与基础平台(1)相连，测力分支由定位块(2)、球铰(3)、拉压传感器(4)和柔性万向铰(6)构成并形成一个SPU串联分支。定位块(2)与基础平台(1)采用螺栓相连，拉压传感器(4)一端通过球铰(3)与定位块(2)相连，另一端与柔性万向铰(6)采用螺纹联接。

图2为本发明测力分支结构示意简图。

图3为本发明中带有三个柔性万向铰的承载块的示意简图。承载块(7)是由一个正方体块沿共顶点的三个面上的三条首尾相接的对角线所构成的平面切削加工而成，三个柔性万向铰(6)分别固定于承载块(7)的另外三个两两相邻的完整正方形面上。柔性万向铰(6)是在长方体块的两组相对侧面上分别加工两个夹角为120°的切槽后而成。

图4为其应用实例，应用四个并联3-SPU六维测力传感器组成的大量程大测力板六维测力平台。其中四个并联3-SPU六维测力传感器均布在重载盖板(8)与重载底板(9)之间，每个并联3-SPU六维测力传感器的基础平台(1)和承载块(7)分别与重载底板(9)和重载盖板(8)采用螺栓连接。当重载盖板(8)受到重载多维力时，可由每个并联3-SPU六维测力传感器的测力分支中拉压传感器(4)的输出信号综合处理后解算得出。

当承载块(7)受到空间多维力时，测力分支中的拉压传感器(4)可以同时测出该分支的拉压力及弯矩信息，并将其合成运算后得出该测力分支所承受的力和力矩，经三条测力分支的拉压传感器(4)信号汇总解算后，得到承载块(7)所受的空间六维力信息。将弯矩信息融入测力台标定运算中，补偿标定实验数据，可有效降低维间耦合对六维力测量精度的影响，进一步提高该装置的测量精度。对于尤其是竖直方向具有重载大吨位的空间六维力的测量，可组合使用多个本装置，以提高六维测力平台的测力量程及测力面积。

Claims (5)

1.一种并联3-SPU六维测力传感器，包括承载块、测力分支及基础平台，其特征是：承载块通过空间两两相互垂直的3条测力分支和基础平台相连，测力分支由定位块、球铰、拉压传感器和柔性万向铰构成，并形成一个SPU串联分支；定位块与基础平台相连，拉压传感器一端通过球铰与定位块相连，另一端与柔性万向铰相连。

2.根据权利要求1所述的并联3-SPU六维测力传感器，其特征是：所述空间两两相互垂直的3条测力分支是指三个测力分支的中心线两两互相垂直。

3.根据权利要求1所述的并联3-SPU六维测力传感器，其特征是：所述承载块是由一个正方体块沿共顶点的三个面上的三条首尾相接的对角线所构成的平面切削加工而成，3条测力分支的三个柔性万向铰分别固定于承载块的另外三个两两相邻的完整正方形面上。

4.根据权利要求1所述的并联3-SPU六维测力传感器，其特征是：所述柔性万向铰是在长方体块的两组相对侧面上分别加工两个夹角为120°的切槽后而成。

5.根据权利要求1所述的并联3-SPU六维测力传感器，其特征是：所述拉压传感器能输出拉压力信号与两维偏载信号。