專利名稱：含彈性整體運(yùn)動副三腿并聯(lián)解耦測六維力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力傳感器，特別是涉及一種六維力傳感器。
背景技術(shù)：
測量六維力傳感器不僅是機(jī)器人智能化的必要手段，也是許多工程、機(jī)電、軍事、 地震和醫(yī)療等裝備智能化控制的主要環(huán)節(jié)。測量六維力傳感器的關(guān)鍵是要將三個力分量和三個力矩分量轉(zhuǎn)化成六路電信號輸出。對此人們已研制出多種結(jié)構(gòu)的六維力傳感器，諸如 筒形結(jié)構(gòu)，雙環(huán)結(jié)構(gòu)，三、四、八個垂直筋結(jié)構(gòu)，十字結(jié)構(gòu)，非徑向梁結(jié)構(gòu)，T形桿結(jié)構(gòu)等。這些傳感器結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)，但大多難以將六維力映射成六個解耦測力信號，有些還存在剛度低、 應(yīng)變靈敏度低、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等問題。用六自由度6-SPS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可以將作用平臺的六維力映射成六個沿SPS腿的解耦驅(qū)動力?；?-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，人們已設(shè)計或研制了多種 6-SS型六維測力平臺，試圖得到六個解耦測力信號輸出。為便于說明，用(/7=3，6)表示腿數(shù)，用S、U、P和R分別表示腿運(yùn)動鏈中的球副、萬向副、移動副和轉(zhuǎn)動副，它們的組合表示腿運(yùn)動鏈結(jié)構(gòu)。Ranganath,Dwarakanath和Kang等分別研制出不同形式的6_SS型并聯(lián)六維力傳感器。相應(yīng)的中國專利有六自由度力與力矩傳感器CN2165435Y、機(jī)器人用六維力與力矩傳感器CN2066134U、并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維力與力矩傳感器CN1267822、一種具有彈性鉸鏈六維力與力矩傳感器CN1M9915、十二維力/加速度機(jī)器人腕傳感器CN1385677、 整體預(yù)緊平臺式六維力傳感器ZL99102526. 1和并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺CN1^8M8A等不同結(jié)構(gòu)形式的六維力傳感器。整體式6-SS型并聯(lián)六維力傳感器含六個測力腿和十二個彈性整體球副，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造難度較大，難于制造等效球副，承載力低，單元測力傳感器互換性差。分體式6-SS型并聯(lián)六維力傳感器容易制造，單元測力傳感器互換性好，但需加較大預(yù)緊力確保每個單元測力傳感器均受壓，這減少單元測力傳感器有效量程，其預(yù)緊蠕變引起漂移，而且不滿足6-SS型六維力傳感器的六維力映射數(shù)學(xué)關(guān)系，導(dǎo)致測試精度降低。路懿提出一種3-Sra并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺ZL2008100546373，簡化了 6-SS型六維測力平臺結(jié)構(gòu)，避免了預(yù)緊的缺陷，但運(yùn)動副間隙，使測試力信號遲滯、波動和失真；非對稱二維測力腿結(jié)構(gòu)會引起偏載，降低測試精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、測試精度高的含彈性整體運(yùn)動副三腿并聯(lián)解耦測六維力傳感器。本發(fā)明是由基座、三個結(jié)構(gòu)相同二維測力腿、三個球副組和一個加載平臺組成。其中三個二維測力腿在基座上呈正三角形分布，每個二維測力腿下端的彈性整體轉(zhuǎn)動副與基座固連，其上端通過球副組與加載平臺聯(lián)接。加載平臺上同一圓周均布三個球支座，其球心分別與三個球副組的球中心重合。所述每個二維測力腿包括本體、兩個力傳感器和四個螺釘。本體由四個梁和十個彈性臂連接成一體；第一到第四彈性臂沿轉(zhuǎn)動副軸線均布，連接第一與第二梁，構(gòu)成一個彈性整體轉(zhuǎn)動副；第五到第八彈性臂水平對稱連接第二與第三梁，構(gòu)成兩個對稱彈性平行四邊形整體結(jié)構(gòu)，等效一個彈性整體垂直移動副；第九與第十彈性臂對稱垂直連接第三和第四梁的兩端，構(gòu)成一個彈性平行四邊形整體結(jié)構(gòu)，等效一個彈性整體水平移動副。所述二維測力腿上的第一和第二螺釘將第一傳感器垂直固定在第二與第三梁之間，第一傳感器軸線通過球副中心和轉(zhuǎn)動副軸線且垂直于轉(zhuǎn)動副，用于測量驅(qū)動力；第三與第四螺釘將第二傳感器水平固定在第三與第四梁之間，第二傳感器軸線平行于轉(zhuǎn)動副軸線，用于測量約束力。所述每個球副組包括一個螺母、一個雙球面套、一個球面墊、一個碟形彈簧、一個預(yù)緊螺栓和一個預(yù)緊螺母。螺母連接雙球面套與第四梁；雙球面套上端有內(nèi)球面和外球面， 內(nèi)球面與球面墊的球面配合接觸，外球面與球支座的球面配合接觸，由碟形彈簧，預(yù)緊螺釘和預(yù)緊螺母彈性壓緊上述球面，消除球副的安裝間隙。本發(fā)明可將作用其加載平臺的六維力旋量映射成三個過球副中心和轉(zhuǎn)動副軸線且垂直于轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動力和三個過球副中心且平行轉(zhuǎn)動副的約束力，且六個力彼此解耦， 并得到相應(yīng)的六路電信號輸出。利用二維測力腿上的對稱彈性整體運(yùn)動副結(jié)構(gòu)和彈性預(yù)緊球副組，可以消除各運(yùn)動副的安裝間隙和偏載，簡化各運(yùn)動副的結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)，提高測試精度、承載能力和穩(wěn)定性，降低制造與安裝難度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、基于三自由度3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原理和力學(xué)性能，實現(xiàn)了六維力向三個RPS型二維測力腿上的映射，在每個二維測力腿上得到一個驅(qū)動力和一個約束力。利用每個二維測力腿下部的兩個對稱彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)與垂直傳感器組合，只測該腿驅(qū)動力；利用每個二維測力腿上部一個彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)與水平傳感器組合，只測該腿水平約束力；由測量的三個驅(qū)動力和三個水平約束力，進(jìn)一步得到作用在加載平臺上的六維力或任意方向的載荷。2、測試力解耦、算法簡單、測試精度高、無測力過零誤差、無預(yù)緊儒變、無運(yùn)動鉸的安裝間隙和偏載、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、易于制造和安裝、剛度高。


圖1是本發(fā)明的立體示意簡圖。圖2是本發(fā)明二維測力腿本體的主視示意圖。圖3是本發(fā)明球副組主視剖面示意圖。圖4是本發(fā)明中安裝的商業(yè)測單向力傳感器立體示意圖。在圖廣4中，1.基座，2. 二維測力腿，2-廣2-4.第一到第四梁，2_5 2-14.第一到第十彈性臂，3-1.第一力傳感器，3-2.第二力傳感器，3-3 3-6.第一到第四螺釘，4. 球副組，4-1.螺母，4-2.雙球面套，4-3.球面墊，4-4.碟形彈簧，4-5.預(yù)緊螺栓，4-6. 預(yù)緊螺母，5.加載平臺，5-1.球支座。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明是由基座1、三個結(jié)構(gòu)相同二維測力腿2、三個球副組4和加載平臺 5組成。三個二維測力腿在基座上呈正三角形分布，每個二維測力腿與機(jī)座垂直，通過其下端的彈性整體轉(zhuǎn)動副與基座固連，其上端通過球副組與加載平臺聯(lián)接。加載平臺上圓周均布三個球支座5-1，其球心分別與三個球副組球中心重合。
在圖2所示的本發(fā)明二維測力腿本體的主視示意圖中，由四個梁和十個彈性臂連接成一體構(gòu)成本體；第一到第四彈性臂2-5、2-6、2-7、2-8沿轉(zhuǎn)動副軸線均布，連接第一梁 2-1與第二梁2-2 ；第五到第八彈性臂2-9、2-10、2-11、2-12水平對稱連接第二梁2-2與第三梁2-3 ；第九與第十彈性臂2-13、2-14對稱垂直連接第三和第四梁2-3，2-4的兩端。第一和第二螺釘3-3、3-4將第一傳感器3-1 (見圖4)垂直固定在第二與第三梁2-2、2-3之間， 第一傳感器軸線通過球副中心和轉(zhuǎn)動副軸線且垂直于轉(zhuǎn)動副；第三與第四螺釘3-5、3-6將第二傳感器3-2水平固定在第三與第四梁2-3、2-4之間，第二傳感器軸線平行于轉(zhuǎn)動副軸線。在圖3所示的本發(fā)明球副組主視剖面示意圖中，螺母4-1連接雙球面套4-2與第四梁2-4。雙球面套4-2 —端有內(nèi)球面和外球面，內(nèi)球面與球面墊4-3的球面接觸，外球面與球支座5-1的球面接觸，由碟形彈簧4-4、預(yù)緊螺釘4-5和預(yù)緊螺母4-6彈性壓緊上述球
權(quán)利要求
1.一種含彈性整體運(yùn)動副三腿并聯(lián)解耦測六維力傳感器，包括一個基座(1)、三個結(jié)構(gòu)相同二維測力腿(2)、三個球副組(4)和一個加載平臺(5)，其特征在于所述三個二維測力腿在基座上呈正三角形分布，每個二維測力腿的下端彈性整體轉(zhuǎn)動副與基座(1)固連，其上端通過彈性預(yù)緊球副組(4)與加載平臺(5)聯(lián)接，在該加載平臺(5)的同一圓周上均布三個球支座(5-1 )，其球心分別與三個球副組球中心重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含彈性整體運(yùn)動副三腿并聯(lián)解耦測六維力傳感器，其特征在于所述二維測力腿是由四個梁和十個彈性臂連接成一體構(gòu)成本體；第一到第四彈性臂 (2-5，2-6，2-7，2-8)沿轉(zhuǎn)動副軸線均布，連接第一與第二梁(2-1，2-2)；第五到第八彈性臂 (2-9，2-10，2-11，2-12)水平對稱連接第二與第三梁(2-2，2-3)；第九與第十彈性臂(2_13， 2-14)對稱垂直連接第三和第四梁(2-3，2-4)的兩端；第一和第二螺釘(3-3，3-4)將第一傳感器(3-1)固定在第二與第三梁(2-2，2-3)之間，該傳感器軸線通過球副中心和轉(zhuǎn)動副軸線且垂直于轉(zhuǎn)動副；第三與第四螺釘(3-5，3-6)將第二傳感器(3-2)固定在第三與第四梁 (2-3，2-4)之間，第二傳感器軸線平行于轉(zhuǎn)動副軸線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含彈性整體運(yùn)動副三腿并聯(lián)解耦測六維力傳感器，其特征在于所述球副組是由螺母(4-1)連接雙球面套(4-2)與第四梁(2-4);雙球面套(4-2)上端有內(nèi)球面和外球面，內(nèi)球面與球面墊(4-3)的球面接觸，外球面與球支座(5-1)的球面接觸， 由碟形彈簧(4-4)，預(yù)緊螺釘(4-5)和預(yù)緊螺母(4-6)彈性壓緊上述球面。
全文摘要
一種含彈性整體運(yùn)動副三腿并聯(lián)解耦測六維力傳感器，主要由基座、三個結(jié)構(gòu)相同二維測力腿、三個球副組和加載平臺組成。每個二維測力腿包括兩個測單向力傳感器、兩個彈性整體移動副和一個彈性整體轉(zhuǎn)動副。每個二維測力腿下端的彈性整體轉(zhuǎn)動副與基座固連，其上端由彈性預(yù)緊球副組與加載平臺聯(lián)接，等效一個RPS(轉(zhuǎn)動副-移動副-球副)型分支。本發(fā)明可以用3-RPS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)含彈性整體運(yùn)動副的三個測力腿上的六個測單向力傳感器，測量六維力/力矩或未知方向的力/力矩，消除各運(yùn)動副的安裝間隙和偏載，簡化各運(yùn)動副的結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)。所得六維力傳感器無運(yùn)動副的安裝間隙和偏載、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、易于制造和安裝。
文檔編號G01L5/16GK102435375SQ201110277378
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者葉妮佳, 張兵, 胡波, 路懿, 路揚(yáng) 申請人:燕山大學(xué)