[發明專利]彈性鉸并聯6－UPUR六維測力平臺

無效

• 申請號: 200810054666.X
• 申請日: 2008-03-22
• 公開（公告）號: CN101246065A
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發明（設計）人: 趙鐵石;趙延志;劉麗歡
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 秦皇島市維信專利事務所
• 代理人: 鄂長林

技術領域

本發明涉及一種力傳感器技術領域，特別是涉及一種彈性鉸并聯6-UPUR六維測力平臺。

背景技術

測量六維力的關鍵是要將力的六個分量轉化成六路電信號輸出。為此人們設計出了許多種結構的六維力傳感器敏感元件，例如三垂直筋結構、筒形結構、雙環形結構、四垂直筋結構、十字結構、非徑向三梁結構和八垂直筋結構等。這些傳感器各具特點，但大多存在結構復雜、剛度低、應變靈敏度低、解耦難等不同方面的問題。因此，國內外一些學者已將并聯結構引入到六維力傳感器力敏元件結構的設計中。與其它結構相比，并聯Stewart平臺六維力傳感器結構可以將作用于受力平臺的六維力映射到六個UPS分支上(U-萬向鉸，P-移動副，S-球鉸)，并且每個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平臺六維力傳感器結構的又一個優點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構制造成大測力范圍、大量程的大型六維力傳感器。但通過標定實驗發現基于Stewart平臺機構采用普通球形鉸鏈裝配結構制造成的大型六維力傳感器精度較差，難以達到高精度檢測的要求。導致精度低的主要原因之一是普通球形鉸鏈內存在間隙和摩擦。為了消除普通球形鉸鏈內間隙和摩擦的影響，人們已提出了一種基于彈性球鉸的Stewart平臺型六維力傳感器的解決方案，例如：中國專利ZL99102421.4公開的專利技術，其原理是用彈性良好金屬棒的局部細脖代替普通球鉸，由細脖處產生的彈性彎曲和扭轉變形近似代替球鉸的三維轉動。目前這種結構已被開發成機器人手指用六維力傳感器和六維力鼠標。但由于該彈性球鉸難以承受大的載荷，因而在開發大量程六維力傳感器時受到了限制。另外，一種具有中間預緊分支的6-SPS六維力傳感器結構也已被中國專利ZL99102526.1公開，這種結構通過中間分支預緊，可消除過零誤差，但存在預緊力儒變等問題。

發明內容

為了克服現有技術中彈性球鉸難以承受較大載荷和存在的預緊力儒變等不足，本發明提供一種彈性鉸鏈并聯6-UPUR六維測力平臺，該發明采用單自由度彈性轉動鉸鏈和單維高精度拉壓傳感器結構集成構成六維力檢測平臺，既可消除普通球鉸存在的間隙和摩擦，又能承受大的載荷，并且加工方便，能夠滿足大量程測力的需要。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：這種并聯6-UPUR六維測力平臺由基礎平臺、加載平臺和六個結構相同的整體式一維測力分支連接構成了空間6-UPUR并聯機構，安裝在基礎平臺和加載平臺之間的每組一維測力分支之間的夾角為120°。所述每個整體式一維測力分支分支中含有一體式彈性萬向鉸鏈、單維拉壓力傳感器結構及上定位塊。所述每個上定位塊中含有彈性轉動鉸鏈。

所述整體式一維測力分支由一體式UPU結構和上定位塊兩部分組成，所述一體式UPU結構其上、下部為一體式彈性萬向鉸鏈(7，7′)，一體式彈性萬向鉸鏈(7，7′)的外形為長方體，在其相對的兩組側面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，兩組切槽中心面的交線垂直并相交，使長方體成為軸線垂直相交的彈性萬向鉸，且對稱分布在一體式UPU結構的兩端；中部單維拉壓力傳感器結構5的外形為扁柱體，在所述扁柱體的下部和上部相對的兩組側面上分別加工兩個平行傳感器端面的切口，兩個切口夾角為180°，分別與貫穿另兩組側面的圓柱孔相交，扁柱體的中部再加工一個矩形通孔，在其內部相對的表面銑削兩個圓弧面，在其內部兩個平行面上裝有應變片12作為力敏感元件，使扁柱體成為單維拉壓力傳感器結構5。所述一體式UPU結構下端加工有柱銷孔6，上端加工有螺桿13。

上定位塊8是一次加工成型的彈性元件，在其相對一組側面上加工兩個垂直切槽，兩個切槽中心線間夾角為60°～180°，使其成為彈性轉動副，其轉動軸線的延長線過一體式彈性萬向鉸鏈兩垂直轉動軸線的交點。

本發明的有益效果是：本發明基于新型6-UPUR并聯機構的原理，實現了六維力向六個分支上的分解，特別是通過采用整體式一維測力分支的結構方案，獲得了一種簡單的、全部由單自由度彈性轉動副(萬向鉸鏈相當于兩個轉動副)構成的、可承受大載荷的并聯式六維測力平臺結構。因而，本發明具備了結構簡單、易于分析建模、加工方便、性能穩定和適應性廣等優點。

附圖說明

圖1是彈性鉸并聯6-UPUR六維測力平臺的結構示意圖；

圖2是彈性鉸并聯6-UPUR六維測力平臺的主視圖；

圖3是整體式一維測力分支結構示意圖；

圖4是一體式UPU結構示意圖；

圖5是一體式UPU結構俯視圖；