[發(fā)明專利]彈性鉸并聯(lián)6－UPS六維測(cè)力平臺(tái)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810054640.5
• 申請(qǐng)日: 2008-03-17
• 公開（公告）號(hào): CN101246064A
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙鐵石;趙延志;劉麗歡
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/22
• 分類號(hào): G01L1/22
• 代理公司: 秦皇島市維信專利事務(wù)所
• 代理人: 鄂長(zhǎng)林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種力傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種彈性鉸并聯(lián)6-UPS六維測(cè)力平臺(tái)。

背景技術(shù)

測(cè)量六維力的關(guān)鍵是要將力的六個(gè)分量轉(zhuǎn)化成六路電信號(hào)輸出。為此人們?cè)O(shè)計(jì)出了許多種結(jié)構(gòu)的六維力傳感器敏感元件，例如三垂直筋結(jié)構(gòu)、筒形結(jié)構(gòu)、雙環(huán)形結(jié)構(gòu)、四垂直筋結(jié)構(gòu)、十字結(jié)構(gòu)、非徑向三梁結(jié)構(gòu)和八垂直筋結(jié)構(gòu)等。這些傳感器結(jié)構(gòu)各具特點(diǎn)，但大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度低、應(yīng)變靈敏度低、解耦難等不同方面的問題。因此，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已將并聯(lián)結(jié)構(gòu)引入到六維力傳感器力敏元件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。與其它結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)Stewart平臺(tái)六維力傳感器結(jié)構(gòu)可以將作用于受力平臺(tái)的六維力映射到六個(gè)UPS分支上(U-萬向鉸，P-移動(dòng)副，S-球鉸)，并且每個(gè)分支理論上僅承受單一的拉壓力，消除了拉彎扭耦合的問題。Stewart平臺(tái)六維力傳感器結(jié)構(gòu)的又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是既可以通過采用柔性鉸鏈縮小體積，又可以采用普通球形鉸鏈的裝配結(jié)構(gòu)制造成大測(cè)力范圍、大量程的大型六維力傳感器。但通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)基于Stewart平臺(tái)機(jī)構(gòu)采用普通球形鉸鏈裝配結(jié)構(gòu)制造成的大型六維力傳感器精度較差，難以達(dá)到高精度檢測(cè)的要求。導(dǎo)致精度低的主要原因之一是普通球形鉸鏈內(nèi)存在間隙和摩擦。為了消除普通球形鉸鏈內(nèi)間隙和摩擦的影響，人們已提出了一種基于彈性球鉸的Stewart平臺(tái)型六維力傳感器的解決方案，例如：中國(guó)專利ZL99102421.4公開的專利技術(shù)，其原理是用彈性良好金屬棒的局部細(xì)脖代替普通球鉸，由細(xì)脖處產(chǎn)生的彈性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形近似代替球鉸的三維轉(zhuǎn)動(dòng)。目前這種結(jié)構(gòu)已被開發(fā)成機(jī)器人手指用六維力傳感器和六維力鼠標(biāo)。但由于該彈性球鉸難以承受大的載荷，因而在開發(fā)大量程六維力傳感器時(shí)受到了限制。另外，一種具有中間預(yù)緊分支的6-SPS六維力傳感器結(jié)構(gòu)也已被中國(guó)專利ZL99102526.1公開，這種結(jié)構(gòu)通過中間分支預(yù)緊，可消除過零誤差，但存在預(yù)緊力儒變等問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中彈性球鉸難以承受較大載荷和存在的預(yù)緊力儒變等不足，本發(fā)明提供一種彈性鉸鏈并聯(lián)6-UPS六維測(cè)力平臺(tái)，該發(fā)明采用單自由度彈性轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和一維高精度拉壓傳感器(或應(yīng)變片)通過裝配構(gòu)成六維力檢測(cè)平臺(tái)，這種平臺(tái)結(jié)構(gòu)保證了萬向鉸和球鉸各自中心匯交，既可消除普通球鉸存在的間隙和摩擦，又能承受大的載荷，能夠滿足大量程的需要。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：并聯(lián)6-UPS六維測(cè)力平臺(tái)由基礎(chǔ)平臺(tái)、加載平臺(tái)和六個(gè)一維測(cè)力分支連接構(gòu)成了空間6-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)，安裝在基礎(chǔ)平臺(tái)和加載平臺(tái)之間的每組一維測(cè)力分支之間的夾角為120°。所述每個(gè)一維測(cè)力分支中含有一體式彈性萬向鉸鏈和一體式彈性球鉸鏈。

一維測(cè)力分支有以下三種結(jié)構(gòu)：

第一種結(jié)構(gòu)是：一維測(cè)力分支由鎖緊螺母、雙頭螺栓、一體式彈性萬向鉸鏈、一維力傳感器、一體式彈性球鉸鏈連接而成。一體式彈性萬向鉸鏈的外形為長(zhǎng)方體，所述長(zhǎng)方體中切槽中心線的連線定義為切槽中心面，在其相對(duì)的兩組側(cè)面上分別加工兩個(gè)切槽，兩個(gè)切槽夾角為60°～120°，兩組切槽中心面的交線垂直并相交，使長(zhǎng)方體成為軸線垂直相交的一體式彈性萬向鉸鏈。一體式彈性球鉸鏈的外形為長(zhǎng)方體，在所述長(zhǎng)方體的下部或上部相對(duì)的兩組側(cè)面上分別加工兩個(gè)切槽，兩個(gè)切槽夾角為60°～120°，兩組切槽中心面的交線垂直并相交；在長(zhǎng)方體的上部或下部相對(duì)一組側(cè)面上再加工兩個(gè)切槽，兩個(gè)切槽的中心線相交于長(zhǎng)方體的截面中心，兩個(gè)切槽中心線的夾角為60°～180°，該組切槽中心面交線的延長(zhǎng)線與前兩組切槽中心面的交線垂直并相交，在其另一組側(cè)面上加工兩個(gè)相互平行的至上述切槽末端的切口，實(shí)現(xiàn)鉸鏈繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，使長(zhǎng)方體成為轉(zhuǎn)動(dòng)軸線互相垂直相交的彈一體式性球鉸鏈。

第二種結(jié)構(gòu)是：一維測(cè)力分支為一個(gè)一次加工成型的零件，其中部為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)方體的中部貼有應(yīng)變片用于輸出拉壓應(yīng)變信號(hào)，一維測(cè)力分支由彈性材料一次加工而成。

第三種結(jié)構(gòu)是：一維測(cè)力分支為一個(gè)一次加工成型的零件，其中部為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)方體的中部加工有中空的腔體，腔體內(nèi)部?jī)蓚?cè)裝有應(yīng)變片。一維測(cè)力分支由彈性材料一次加工而成。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明基于新型6-UPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原理，實(shí)現(xiàn)了六維力向六個(gè)分支上的分解，特別是通過分支內(nèi)采用一體式彈性球鉸鏈和一體式彈性萬向鉸鏈的結(jié)構(gòu)方案，獲得了一種簡(jiǎn)單的、全部由單自由度彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副(萬向鉸鏈相當(dāng)于兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，球鉸鏈相當(dāng)于三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副)構(gòu)成的、可承受大載荷的并聯(lián)式六維測(cè)力平臺(tái)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于分析建模、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為并聯(lián)6-UPS六維測(cè)力平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為裝配式一維測(cè)力分支結(jié)構(gòu)示意圖；