CN114812908B - 一种八分支正交并联式六分量力传感器及其结构优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种八分支正交并联式六分量力传感器及其结构优化方法，可测量空间中某一点的全力信息，即Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz，涉及传感器技术领域，本传感器共有八个测力分支，分为四个水平和四个竖直，每个测力分支由一个柔性铰链和一个拉压传感器组成，各个测力分支均匀布置。上平台用于力的加载，下平台用于固定，上下平台与测力分支均通过螺栓连接。本发明的原理是将六分量力转化到八个分支上，采用标准的单维拉压传感器获取各分支的轴力，相较于贴片式六分量力传感器，避免了采用贴片方法带来的误差。并且采用多目标优化算法，对传感器的柔性铰链部分进行了特征尺寸优化，在结构上减小各维间力的耦合。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种可减小各分量串扰耦合的六分量力传感器。
背景技术
六分量力传感器是用于测量全力信息的传感器，即空间中某一点的Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz三个力和三个力矩。在智能机器人、智能制造和航空航天等领域得到了广泛应用，其测量的准确性直接影响了工业生产。目前已有多方面的科研机构都展开了关于六分量力传感器的研究，所设计的六分量力传感器多种多样，有各自的优缺点，但各分量力间的耦合串扰问题仍然需要进一步研究。
影响六分量力传感器精度的主要原因，就是在测量时各分量力之间存在耦合，因此提高精度的关键就是要对其进行解耦以减小耦合。解耦分为硬件解耦和软件解耦两部分，硬件解耦是软件解耦的基础，硬件解耦即对传感器结构进行优化，减小力在传感器内部传递过程中的力/力矩耦合。
发明内容
本发明是为了减小各分量力在测量时的串扰问题，提供了一种基于柔性铰链的正交并联六分量力传感器，并阐述了结构优化方法。
实现本发明的技术方案如下：一种八分支正交并联式六分量力传感器，柔性铰链和单维拉压力传感器连接，构成测力分支，共8个测力分支，4个竖直设置，4个水平设置，为周向均布，竖直与水平分支正交；下平台连接块与上平台连接块垂直于所连接的所述测力分支；上平台与下平台平行。所述测力分支的柔性铰链与单维拉压力传感器螺栓连接，所述下平台连接块与所述下平台螺栓连接，所述上平台连接块与所述上平台螺栓连接，所述水平测力分支与所述上平台连接块和下平台连接块螺栓连接，所述竖直测力分支与所述上平台和下平台螺栓连接；
所述柔性铰链正面设有贯通的正向通孔和正向切槽，侧面设有贯通的侧向通孔和侧向切槽；所述上平台4个角处设有上平台连接块固定用沉头通孔、柔性铰链固定用沉头通孔、定位孔和通孔；所述下平台设有铰链连接块固定用沉头通孔、和单维拉压力传感器连接用螺纹通孔，和下平台固定用通孔。
进一步的，所述测力分支的数量为8个，竖直与水平测力分支垂直。
进一步的，所述上平台连接块为U型结构，竖直柔性铰链被包含于其口内但与其内壁有间隙并未接触。
进一步的，所述上平台与下平台平行设置。
进一步的，所述柔性铰链上设有贯通的正向通孔和侧向通孔，两对所述正向通孔和侧向通孔均位于铰链的中部，分别以铰链中心轴为中心呈对称分布，且正向通孔和侧向通孔正交。
进一步的，所述柔性铰链上设有贯通的一对正向切槽和一对侧向切槽，正向切槽与水平方向呈45度斜向上的V字布置，侧向切槽与水平方向呈45度斜向下的倒V字布置，通孔的中心轴在切槽的中心面上。
进一步的，所述柔性铰链的正向通孔和侧向通孔呈有缺口的正圆形。
进一步的，所述柔性铰链的正向切槽和侧向切槽，其切槽内的两平面平行。
对所述柔性铰链(2)进行特征尺寸优化，优化的变量为正向通孔(7)和侧向通孔(9)的孔径，正向切槽(8)和侧向切槽(10)的槽宽，以及每对通孔之间的孔距，优化步骤如下：
步骤一、六分量力传感器测力分支理论力值获取
根据六分量力传感器结构的强度极限，确保各测力分支处于安全工作状态，给定六分量力传感器的额定载荷值，将此额定载荷值作为输入值，运用螺旋理论求出各测力分支所受的轴向力理论值。
步骤二、六分量力传感器测力分支仿真输出值获取
实际使用时，测力分支并非只受理论上的轴向力，需要通过有限元仿真方法得到接近真实值的轴向力仿真值。以柔性铰链(2)的各特征尺寸作为变量，以步骤一中给定的额定载荷值为输入值，运用有限元分析方法，分别对不同特征尺寸下的六分量力传感器模型进行有限元分析，提取各测力分支的轴向力值。
步骤三、六分量力传感器结构优化目标
将步骤二中得到的不同特征尺寸下的测力分支轴向力值，分别与步骤一中的测力分支理论力值相减得到误差值，每个特征尺寸值都对应8个误差值，以各测力分支的误差值最小为优化目标，进行多目标优化，获得最优的柔性铰链(2)的特征尺寸值，以减小传感器耦合情况。
步骤四、六分量力传感器结构优化
采用多目标优化算法中的加权法，分别对步骤三中每个特征尺寸值所对应的8个测力分支误差值进行归一化处理，各测力分支所对应误差值的权重相同，将多目标优化转化为单一目标优化。求得在保证符合强度的条件下，能够使目标值最小的特征尺寸值，即柔性铰链(2)的最终特征尺寸参数。
进一步的，所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器结构优化方法，其特征在于，将笛卡尔坐标系建立在六分量力传感器上平台的加载平面上，由螺旋理论求得的六分量力传感器测力分支的理论力值为：
Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz为六分量力传感器的额定载荷值，h为水平测力分支的轴线与上平台的距离，b为竖直测力分支到x轴或y轴的距离，a为水平测力分支到x轴或y轴的距离。
本发明提供了一种八分支正交并联式六分量力传感器，具有以下有益效果：
1、采用制式的标准单维拉压力传感器来测量各分支力值，相较于一般的外部贴片式六分量力传感器，避免了在弹性体上人为贴应变片造成***误差。
2、在各测力分支的柔性铰链上开设通孔和切槽，使得柔性铰链抗弯刚度减小，可绕两个互相垂直的轴弹性弯曲，减小各测力分支所受到的非轴向力的干扰，即减小维间力的耦合串扰，提高测量精度。
3、本发明的八分支正交并联式六分量力传感器，结构中每个单维拉压力传感器均为标定好的传感器，使得六分量力传感器所测力值可进行溯源。
4、上平台上有若干定位孔和螺纹孔，便于与被测设备和加载设备进行固定连接。
5、采用多目标优化算法，对六分量力传感器的柔性铰链结构进行尺寸优化，在结构上进一步减小耦合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明结构的主视图；
图3为本发明结构A-A处的剖视图；
图中：
1、上平台；2、柔性铰链；3、单维拉压力传感器；4、下平台连接块；5、下平台；6、上平台连接块；7、正向通孔；8、正向切槽；9、侧向通孔；10、侧向切槽；11、上平台连接快固定用沉头通孔；12、定位孔；13、柔性铰链固定用沉头通孔；14、螺纹通孔；15、铰链连接块固定用沉头通孔；16、单维拉压力传感器固定用螺纹通孔；17、下平台固定用通孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～图3所示，其结构关系为：柔性铰链2和单维拉压力传感器3连接，构成测力分支，共8个测力分支，4个竖直设置，4个水平设置，为周向均布，竖直与水平分支正交；下平台连接块4与上平台连接块6垂直于所连接的测力分支；上平台1与下平台5平行。测力分支的柔性铰链2与单维拉压力传感器3螺栓连接，下平台连接块4与下平台5螺栓连接，上平台连接块6与上平台1螺栓连接，水平测力分支与上平台连接块6和下平台连接块4螺栓连接，竖直测力分支与上平台1和下平台5螺栓连接；
柔性铰链2正面设有贯通的正向通孔7和正向切槽8，侧面设有贯通的侧向通孔9和侧向切槽10；使柔性铰链的刚度降低，可减小各分量力的串扰耦合，并提高传感器测量的灵敏度，上平台1的4个角处设有上平台连接块固定用沉头通孔11、柔性铰链固定用沉头通孔13、定位孔12和螺纹通孔14；下平台5设有铰链连接块固定用沉头通孔15、和单维拉压力传感器固定用螺纹通孔16，和下平台固定用通孔17，用于传感器的装配及与被测设备的安装。
优选的，测力分支的数量为8个，竖直与水平测力分支垂直。
优选的，上平台连接块6为U型结构，竖直柔性铰链2被包含于其口内但与其内壁有间隙并未接触。实际使用的时候，应根据柔性铰链和单维拉压力传感器的尺寸，设计上平台连接快的具体形式和尺寸。
优选的，上平台1与下平台5平行设置。
优选的，柔性铰链2上设有贯通的正向通孔7和侧向通孔9，两对所述正向通孔7和侧向通孔9均位于铰链的中部，分别以铰链中心轴为中心呈对称分布，且正向通孔和侧向通孔正交。
优选的，柔性铰链2上设有贯通的一对正向切槽8和一对侧向切槽10，正向切槽8与水平方向呈45度斜向上的V字布置，侧向切槽10与水平方向呈45度斜向下的倒V字布置，通孔的中心轴在切槽的中心面上。
优选的，柔性铰链的正向通孔7和侧向通孔9呈有缺口的正圆形。
优选的，柔性铰链的正向切槽8和侧向切槽10，其切槽内的两平面平行。
如图1所示，下平台连接块4在实际使用时，只要刚度足够大能够有效支撑水平测力分支即可，其具体结构形式没有严格限制。
对所述柔性铰链(2)进行特征尺寸优化，优化的变量为正向通孔(7)和侧向通孔(9)的孔径，正向切槽(8)和侧向切槽(10)的槽宽，以及每对通孔之间的孔距，优化步骤如下：
步骤一、六分量力传感器测力分支理论力值获取
根据六分量力传感器结构的强度极限，确保各测力分支处于安全工作状态，给定六分量力传感器的额定载荷值，将此额定载荷值作为输入值，运用螺旋理论求出各测力分支所受的轴向力理论值。
步骤二、六分量力传感器测力分支仿真输出值获取
实际使用时，测力分支并非只受理论上的轴向力，需要通过有限元仿真方法得到接近真实值的轴向力仿真值。以柔性铰链(2)的各特征尺寸作为变量，以步骤一中给定的额定载荷值为输入值，运用有限元分析方法，分别对不同特征尺寸下的六分量力传感器模型进行有限元分析，提取各测力分支的轴向力值。
步骤三、六分量力传感器结构优化目标
将步骤二中得到的不同特征尺寸下的测力分支轴向力值，分别与步骤一中的测力分支理论力值相减得到误差值，每个特征尺寸值都对应8个误差值，以各测力分支的误差值最小为优化目标，进行多目标优化，获得最优的柔性铰链(2)的特征尺寸值，以减小传感器耦合情况。
步骤四、六分量力传感器结构优化
采用多目标优化算法中的加权法，分别对步骤三中每个特征尺寸值所对应的8个测力分支误差值进行归一化处理，各测力分支所对应误差值的权重相同，将多目标优化转化为单一目标优化。求得在保证符合强度的条件下，能够使目标值最小的特征尺寸值，即柔性铰链(2)的最终特征尺寸参数。
优选的，所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器结构优化方法，其特征在于，将笛卡尔坐标系建立在六分量力传感器上平台的加载平面上，由螺旋理论求得的六分量力传感器测力分支的理论力值为：
其中，
Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz为六分量力传感器的额定载荷值，h为水平测力分支的轴线与上平台的距离，b为竖直测力分支到x轴或y轴的距离，a为水平测力分支到x轴或y轴的距离。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：柔性铰链(2)和单维拉压力传感器(3)连接，构成测力分支，共8个测力分支，4个竖直设置，4个水平设置，为周向均布，竖直与水平分支正交；下平台连接块(4)与上平台连接块(6)垂直于所连接的所述测力分支；上平台(1)与下平台(5)平行；所述测力分支的柔性铰链(2)与单维拉压力传感器(3)螺栓连接，所述下平台连接块(4)与所述下平台(5)螺栓连接，所述上平台连接块(6)与所述上平台(1)螺栓连接，所述水平测力分支与所述上平台连接块(6)和下平台连接块(4)螺栓连接，所述竖直测力分支与所述上平台(1)和下平台(5)螺栓连接；
所述柔性铰链(2)正面设有贯通的正向通孔(7)和正向切槽(8)，侧面设有贯通的侧向通孔(9)和侧向切槽(10)；所述上平台(1)的4个角处设有上平台连接块固定用沉头通孔(11)、柔性铰链固定用沉头通孔(13)、定位孔(12)和螺纹通孔(14)；所述下平台(5)设有铰链连接块固定用沉头通孔(15)、和单维拉压力传感器固定用螺纹通孔(16)，和下平台固定用通孔(17)。
2.根据权利要求1所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述测力分支的数量为8个，竖直与水平测力分支垂直。
3.根据权利要求1所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述上平台连接块(6)为U型结构，竖直柔性铰链(2)被包含于其口内但与其内壁有间隙并未接触。
4.根据权利要求1所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述上平台(1)与下平台(5)平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述柔性铰链(2)上设有贯通的正向通孔(7)和侧向通孔(9)，两对所述正向通孔(7)和侧向通孔(9)均位于铰链的中部，分别以铰链中心轴为中心呈对称分布，且正向通孔和侧向通孔正交。
6.根据权利要求1所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述柔性铰链(2)上设有贯通的一对正向切槽(8)和一对侧向切槽(10)，正向切槽(8)与水平方向呈45度斜向上的V字布置，侧向切槽(10)与水平方向呈45度斜向下的倒V字布置，通孔的中心轴在切槽的中心面上。
7.根据权利要求1或2所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述柔性铰链的正向通孔(7)和侧向通孔(9)呈有缺口的正圆形。
8.根据权利要求1或3所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于：所述柔性铰链的正向切槽(8)和侧向切槽(10)，其切槽内的两平面平行。
9.根据权利要求1所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器，其特征在于，对柔性铰链(2)进行特征尺寸优化，优化的变量为正向通孔(7)和侧向通孔(9)的孔径，正向切槽(8)和侧向切槽(10)的槽宽，以及每对通孔之间的孔距，优化步骤如下：
步骤一、六分量力传感器测力分支理论力值获取
根据六分量力传感器结构的强度极限，确保各测力分支处于安全工作状态，给定六分量力传感器的额定载荷值，将此额定载荷值作为输入值，运用螺旋理论求出各测力分支所受的轴向力理论值；
步骤二、六分量力传感器测力分支仿真输出值获取
实际使用时，测力分支并非只受理论上的轴向力，需要通过有限元仿真方法得到接近真实值的轴向力仿真值；以柔性铰链(2)的各特征尺寸作为变量，以步骤一中给定的额定载荷值为输入值，运用有限元分析方法，分别对不同特征尺寸下的六分量力传感器模型进行有限元分析，提取各测力分支的轴向力值；
步骤三、六分量力传感器结构优化目标
将步骤二中得到的不同特征尺寸下的测力分支轴向力值，分别与步骤一中的测力分支理论力值相减得到误差值，每个特征尺寸值都对应8个误差值，以各测力分支的误差值最小为优化目标，进行多目标优化，获得最优的柔性铰链(2)的特征尺寸值，以减小传感器耦合情况；
步骤四、六分量力传感器结构优化
采用多目标优化算法中的加权法，分别对步骤三中每个特征尺寸值所对应的8个测力分支误差值进行归一化处理，各测力分支所对应误差值的权重相同，将多目标优化转化为单一目标优化；求得在保证符合强度的条件下，能够使目标值最小的特征尺寸值，即柔性铰链(2)的最终特征尺寸参数。
10.根据权利要求9所述的一种八分支正交并联式六分量力传感器结构优化方法，其特征在于，将笛卡尔坐标系建立在六分量力传感器上平台的加载平面上，由螺旋理论求得的六分量力传感器测力分支的理论力值为：
其中，
Fx、Fy、Fz、Mx、My和Mz为六分量力传感器的额定载荷值，h为水平测力分支的轴线与上平台的距离，b为竖直测力分支到x轴或y轴的距离，a为水平测力分支到x轴或y轴的距离。
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Non-Patent Citations (1)
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| 正交并联六维力传感器结构性能及参数优化;李化;王志军;贺静;;机械工程与自动化(第03期);全文 * |
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