專利名稱：過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種六維力傳感器領(lǐng)域，特別是涉及該領(lǐng)域中有關(guān)過(guò)約束大量程并聯(lián)
六維測(cè)力平臺(tái)。
背景技術(shù)：
六維力傳感器能夠測(cè)量空間三維力和力矩的大小，在測(cè)力信息要求豐富、測(cè)力精
度要求高的場(chǎng)合如零力示教、輪廓跟蹤、雙手協(xié)調(diào)、精密柔性裝配、多指靈巧手、機(jī)器人力反 饋等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，隨著航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，能在大加載面上測(cè) 量大噸位力和力矩的六維測(cè)力裝置已成為目前急需高科技產(chǎn)品之一。這種測(cè)力裝置通常稱 為大量程、大測(cè)力板六維測(cè)力平臺(tái)，在推力試驗(yàn)、試飛實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等航空航天領(lǐng)域有著 重要的應(yīng)用。世界各發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視這種測(cè)力平臺(tái)的研制工作，是涉及國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì) 發(fā)展和科技進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)之一 。 在多維力的測(cè)量領(lǐng)域，目前相關(guān)產(chǎn)品多為在較小加載面內(nèi)測(cè)量六維力的傳感器。
多維力傳感器研制的關(guān)鍵是力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為此人們已提出了一些實(shí)現(xiàn)方案，例
如，中國(guó)專利ZL93224329.0公開(kāi)了一種具有十字梁結(jié)構(gòu)的六維力傳感器，采用一體化結(jié)
構(gòu)，具有剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。ZL200810025591. 2公開(kāi)了一種正交串聯(lián)線彈性體式六維
力傳感器結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于微型化等優(yōu)點(diǎn)，但以上兩種傳感器結(jié)構(gòu)均具有一定程度
的維間耦合。中國(guó)專利ZL99102421.4公開(kāi)了一種并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維力與力矩傳感器，分布
在第一平臺(tái)三個(gè)側(cè)面上且相互垂直的六個(gè)彈性體分別通過(guò)彈性鉸鏈與第一平臺(tái)和第二平
臺(tái)相連接，力敏感元件是一次加工成型的非組裝件，其具有剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，但受
到彈性鉸鏈的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度限制，該一體化傳感器結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)大量程多維力測(cè)量的要求。
上述六維力傳感器結(jié)構(gòu)較適用于小量程六維力傳感器結(jié)構(gòu)，但將其應(yīng)用于大量程多維力測(cè)
量，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的維間耦合等問(wèn)題，無(wú)法滿足大噸位、大測(cè)力板多維測(cè)力的需求。 中國(guó)專利CN101149299公開(kāi)的一種可以測(cè)量大噸位力或力矩的六維力傳感器，其
利用三維力石英晶片組整體組裝來(lái)實(shí)現(xiàn)六維大力測(cè)量，但同樣存在著維間耦合嚴(yán)重測(cè)量精
度不高的問(wèn)題。專利ZL99102526. 1， ZL200710061531. 1， ZL200710061521. 8分別公開(kāi)了以
預(yù)緊式并聯(lián)結(jié)構(gòu)為彈性體的六維力傳感器，其采用球窩錐頭式球面副代替?zhèn)鹘y(tǒng)球鉸，并通
過(guò)中間支路或預(yù)緊平臺(tái)進(jìn)行整體預(yù)緊。該六維力傳感器結(jié)構(gòu)消除了球面副的間隙，降低了
各球面副的摩擦力矩，具有便于預(yù)緊等優(yōu)點(diǎn)，但測(cè)量載荷量程受到所加預(yù)緊力的限制，因此
難以應(yīng)用于大噸位六維力傳感器結(jié)構(gòu)上。因此到目前為止，高精度大噸位多維力測(cè)量的力
敏元件仍是急待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 近年來(lái)隨著對(duì)大量程多維力測(cè)量需求的增加，一類(lèi)能在大的加載面上進(jìn)行大量程 多維力測(cè)量的裝置，即大量程大測(cè)力板多維測(cè)力平臺(tái)成為當(dāng)前急需的高科技產(chǎn)品之一。實(shí) 現(xiàn)大測(cè)力板多維測(cè)力有兩種解決方案一是通過(guò)在一個(gè)多維力傳感器測(cè)量頭上直接安裝測(cè) 力板實(shí)現(xiàn)大加載面的方案；二是通過(guò)將測(cè)力板與多個(gè)一維或多維傳感器相連接構(gòu)建大加載 面。第一種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但目前單個(gè)多維力傳感器難以滿足高精度大量程多維測(cè)力的需求。第二種方案由于采用多個(gè)一維或多維傳感器連接測(cè)力板與支撐框，非常適合實(shí)現(xiàn)大加 載面和大量程，因此是研發(fā)大噸位、大測(cè)力板測(cè)力平臺(tái)的一個(gè)很好結(jié)構(gòu)模型。但是由于目前 常見(jiàn)結(jié)構(gòu)多采用六分支測(cè)力支鏈連接測(cè)力板與支撐框，而限制了這種六分支測(cè)力平臺(tái)的剛 度和量程。同時(shí)由于現(xiàn)有方案未考慮關(guān)節(jié)摩擦等因素的影響，因此無(wú)論是在量程和測(cè)量精 度方面都尚未滿足實(shí)際需求。

發(fā)明內(nèi)容
為克服大量程六維力傳感器現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種過(guò)約束大 量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，該測(cè)力平臺(tái)具有較高的結(jié)構(gòu)剛度，易于實(shí)現(xiàn)大測(cè)力板，大量程六維 力高精度測(cè)量，特別適用于重載測(cè)量場(chǎng)合。 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái) 由測(cè)力板、測(cè)力框、支撐框及其若干條測(cè)力支鏈組成。測(cè)力框和支撐框通過(guò)若干條測(cè)力支鏈 相連接，測(cè)力支鏈分布在測(cè)力框的五個(gè)面上，其中部分測(cè)力支鏈與測(cè)力框底面相連接，且支 鏈的中心線垂直于測(cè)力臺(tái)底面，其余測(cè)力支鏈分布于測(cè)力框四周與其四個(gè)側(cè)面相連接，且 中心線分別垂直于相應(yīng)的側(cè)面。安裝在同一面上測(cè)力支鏈的中心線相互平行，安裝在相鄰 面上測(cè)力支鏈的中心線相互垂直。測(cè)力支鏈由與測(cè)力框連接的上球鉸、具有偏載輸出功能 的拉壓力傳感器和與支撐框連接的下球鉸連接構(gòu)成。測(cè)力板、測(cè)力支鏈和支撐框構(gòu)成過(guò)約 束空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。此外，分布在測(cè)力框底面和四個(gè)側(cè)面上測(cè)力支鏈的數(shù)量都可根據(jù)被測(cè)方 向載荷的增大而相應(yīng)增多，從而提高測(cè)力平臺(tái)的剛度，增大量程范圍。同時(shí)通過(guò)對(duì)多測(cè)力分 支冗余測(cè)量信息的觀測(cè)，提高測(cè)量精度。 本發(fā)明的有益效果是本測(cè)力平臺(tái)通過(guò)采用不少于十條的多條測(cè)力支鏈分布在測(cè) 力框互相垂直或平行的五個(gè)面上，實(shí)現(xiàn)了 XYZ三個(gè)方向大的結(jié)構(gòu)剛度，克服了現(xiàn)有六維力 傳感器結(jié)構(gòu)承受扭矩較小的缺陷；本測(cè)力平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配調(diào)試方便，易于實(shí)現(xiàn)大測(cè) 力板六維力測(cè)量；本測(cè)力平臺(tái)通過(guò)采用具有偏載輸出功能的拉壓力傳感器和對(duì)多測(cè)力支鏈 輸出冗余測(cè)量信息的智能處理，提高了其測(cè)量精度；本測(cè)力平臺(tái)可通過(guò)增加測(cè)力支鏈的數(shù) 量增大平臺(tái)剛度和提高測(cè)力量程，特別適用于重載大噸位測(cè)量場(chǎng)合。


圖1為過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)示意圖；
圖2為測(cè)力支鏈結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為等效測(cè)力支鏈結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為測(cè)力框結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為支撐框結(jié)構(gòu)示意圖。 在上述附圖中，l.測(cè)力板、2.測(cè)力框、3.支撐框、4.上球鉸座、5.上球鉸、6.上球 頭連桿、7.具有偏載輸出功能的拉壓力傳感器、8.下球頭連桿、9.下球鉸、10.下球鉸座、 11.A球鉸座、12.A球鉸、13.雙球頭連桿、14.B球鉸、15.B球鉸座、16.座式拉壓力傳感器。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所提出一種過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，包括測(cè)力板1、測(cè)力框2、支
4撐框3和若干測(cè)力支鏈，如圖1至圖5所示，測(cè)力框2和支撐框3通過(guò)若干條測(cè)力支鏈相連 接，測(cè)力支鏈分布在測(cè)力框2的五個(gè)面上，其中部分支鏈與測(cè)力框2底面相連接，其余支鏈 分別與測(cè)力框2四個(gè)側(cè)面相連接，且安裝在同一面上測(cè)力支鏈的中心線相互平行，安裝在 相鄰面上測(cè)力支鏈的中心線相互垂直。測(cè)力支鏈由與測(cè)力框2連接的上球鉸5、具有偏載 輸出功能的拉壓力傳感器7和與支撐框3鏈接的下球鉸9依次連接構(gòu)成。上球鉸5由上球 鉸座4和上球頭連桿6構(gòu)成，下球鉸9由下球頭連桿8和下球鉸座10構(gòu)成，拉壓力傳感器 7相當(dāng)于移動(dòng)副。因此，測(cè)力支鏈為SPS結(jié)構(gòu)，測(cè)力支鏈中心線為兩球鉸中心的連線，其中S 表示球鉸，P表示移動(dòng)副，對(duì)應(yīng)著拉壓力傳感器。另外，測(cè)力支鏈的SPS結(jié)構(gòu)還可以用與其 等效的SSP結(jié)構(gòu)代替，即測(cè)力支鏈也可等效地由與測(cè)力框2連接的A球鉸12、B球鉸14、和 與支撐框3連接的具有偏載輸出功能的座式拉壓力傳感器16依次連接構(gòu)成。A球鉸12由 A球鉸座ll和雙球頭連桿13構(gòu)成，B球鉸14由雙球頭連桿13和B球鉸座15構(gòu)成，座式拉 壓力傳感器16相當(dāng)于移動(dòng)副。 本發(fā)明的一種優(yōu)選方式是測(cè)力支鏈為12個(gè)，其中4個(gè)均勻分布在測(cè)力框2底面， 其余8個(gè)測(cè)力支鏈兩兩一組均勻分布在所述測(cè)力框2的4個(gè)側(cè)面上。此外，分布在測(cè)力框2 底面和四個(gè)側(cè)面上測(cè)力支鏈的數(shù)量都可根據(jù)被測(cè)方向載荷的增大而相應(yīng)增多，從而提高測(cè) 力平臺(tái)的剛度，增大量程范圍。由于每個(gè)支鏈對(duì)上平臺(tái)施加了一個(gè)約束力，因此常見(jiàn)的六支 鏈并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)六個(gè)支鏈剛好約束了測(cè)力平臺(tái)的六個(gè)自由度。而本發(fā)明的測(cè)力平臺(tái)由于有 10個(gè)以上的測(cè)力支鏈，因此測(cè)力框2、測(cè)力支鏈和支撐框3構(gòu)成過(guò)約束空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工、裝配和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便，易于 實(shí)現(xiàn)大測(cè)力板，大量程六維力測(cè)量，特別適用于航空航天領(lǐng)域推力試驗(yàn)、試飛實(shí)驗(yàn)和風(fēng)洞實(shí) 驗(yàn)等各種需要高精度測(cè)量大噸位多維力的應(yīng)用場(chǎng)合。
權(quán)利要求
一種過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，包括測(cè)力板(1)、測(cè)力框(2)、支撐框(3)和若干測(cè)力支鏈，其特征是測(cè)力框(2)和支撐框(3)通過(guò)若干條測(cè)力支鏈相連接，測(cè)力支鏈分布在測(cè)力框(2)的五個(gè)面上，其中部分支鏈與測(cè)力框(2)底面相連接，其余支鏈分別與測(cè)力框(2)的四個(gè)側(cè)面相連接，且安裝在同一面上測(cè)力支鏈的中心線相互平行，安裝在相鄰面上測(cè)力支鏈的中心線相互垂直。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，其特征是所述測(cè)力支鏈 由與測(cè)力框(2)連接的上球鉸(5)、具有偏載輸出功能的拉壓力傳感器(7)和與支撐框(3) 連接的下球鉸(9)依次連接構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，其特征是所述測(cè)力支鏈 由與測(cè)力框(2)連接的A球鉸(12)、 B球鉸(14)、和與支撐框(3)連接的具有偏載輸出功 能的拉壓力傳感器(16)依次連接構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，其特征是所述的測(cè)力支 鏈數(shù)量至少為十條，在測(cè)力框(2)五個(gè)面的每個(gè)面上至少分布兩條測(cè)力支鏈，測(cè)力框(2)每 面上分布測(cè)力支鏈的數(shù)量可根據(jù)被測(cè)載荷增大而相應(yīng)增多。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種六維力傳感器領(lǐng)域，特別是涉及該領(lǐng)域中有關(guān)過(guò)約束大量程并聯(lián)六維測(cè)力平臺(tái)，包括測(cè)力板(1)、測(cè)力框(2)、支撐框(3)和若干測(cè)力支鏈，測(cè)力框(2)和支撐框(3)通過(guò)若干條測(cè)力支鏈相連接，測(cè)力支鏈分布在測(cè)力框(2)的五個(gè)面上，其中部分支鏈與測(cè)力框(2)底面相連接，其余支鏈分別與測(cè)力框(2)的四個(gè)側(cè)面相連接，且安裝在同一面上測(cè)力支鏈的中心線相互平行，安裝在相鄰面上測(cè)力支鏈的中心線相互垂直。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工、裝配和調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單方便，具有較高的結(jié)構(gòu)剛度，易于實(shí)現(xiàn)大測(cè)力板，大量程六維力測(cè)量，測(cè)量精度高，特別適用于重載測(cè)量場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01L1/00GK101694407SQ200910075789
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者丁長(zhǎng)濤, 盧建國(guó), 趙延治, 趙鐵石 申請(qǐng)人:燕山大學(xué);