[發(fā)明專利]輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010535512.X
• 申請(qǐng)日: 2010-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN102087153A
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚建濤;趙永生;王志軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 燕山大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L5/16
• 分類號(hào): G01L5/16;G01L3/00
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及力傳感器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，特別是涉及一種具有容錯(cuò)能力的輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，可對(duì)測試空間的三維力分量和力矩分量進(jìn)行高可靠性的測量。

背景技術(shù)

六維力傳感器能夠同時(shí)測量三個(gè)力分量和三個(gè)力矩分量，作為六分量測力技術(shù)的必要實(shí)現(xiàn)工具，可用于監(jiān)測方向和大小不斷變化的力、測量加速度或慣性力、實(shí)現(xiàn)力和力/位的控制等。高精度、高可靠性六維力傳感器的研究是世界各國爭先研究的難度較大、挑戰(zhàn)性較高的課題。

在六維力傳感器研究中，其中的關(guān)鍵核心問題之一是力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力敏感元件的結(jié)構(gòu)決定著傳感器的靈敏度、分辨率、剛度、動(dòng)態(tài)性能和可靠性等關(guān)鍵因素。截至目前人們提出和應(yīng)用的六維力傳感器結(jié)構(gòu)主要有：三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋豎梁結(jié)構(gòu)，非對(duì)稱平面三梁結(jié)構(gòu)，平面十字梁結(jié)構(gòu)，雙環(huán)形復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，圓筒結(jié)構(gòu)，雙E型膜片結(jié)構(gòu)等。以上所列舉的傳感器結(jié)構(gòu)，有一共同特點(diǎn)，就是應(yīng)變橋的輸出信號(hào)與每個(gè)力/力矩分量有關(guān)，即測量力信號(hào)與應(yīng)變橋的輸出信號(hào)耦合，設(shè)計(jì)時(shí)確定應(yīng)變片不同的貼片方式達(dá)到從理論上消除各個(gè)分力之間的干擾，以實(shí)現(xiàn)力的解耦。這種貼片解耦一般建立在假設(shè)已知所受力的大小和方向條件下進(jìn)行的，當(dāng)換成其它的力作用環(huán)境，貼片位置的應(yīng)力發(fā)生了變化，即整體不再解耦，所以這種彈性體的設(shè)計(jì)存在測試對(duì)象比較窄的缺點(diǎn)。

基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維力傳感器采用球鉸的連接方式，它的輸出解耦是依靠并聯(lián)機(jī)構(gòu)力學(xué)解耦方式進(jìn)行解耦，而不是依靠貼片解耦，克服了整體式彈性體通過貼片組橋來達(dá)到輸出解耦的缺陷，能夠面對(duì)復(fù)雜受力對(duì)象的測量。中國專利ZL99102421.4公開了一種基于彈性球鉸的并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，采用彈性良好金屬棒的“局部細(xì)脖”代替普通球鉸，由“局部細(xì)脖”產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形代替球鉸的三維轉(zhuǎn)動(dòng)，消除了普通球鉸存在的間隙和摩擦。中國專利ZL99119320.2公開了一種解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)六維力傳感器，六個(gè)彈性體分為三組，每組兩個(gè)分別沿三個(gè)相互垂直的方向布置，并且各組彈性體軸線構(gòu)成的平面互相垂直，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)六維力與力矩解耦。中國專利ZL03131866.5公開了一種用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)力測試的六分支并聯(lián)天平。中國專利ZL200810054640.5和ZL200810054666.x分別公開了一種具有六分支的彈性鉸并聯(lián)6-UPS和6-UPUR六維測力平臺(tái)，使得該類傳感器比彈性球鉸結(jié)構(gòu)的傳感器可承受較大的載荷。

以上的幾類六維力傳感器有一個(gè)共同的不足就是其僅有六個(gè)分支，為靜定結(jié)構(gòu)，其任一分支發(fā)生故障，均會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法準(zhǔn)確測量六維外力，即傳感器不具備容錯(cuò)能力，可靠性較低，當(dāng)任一支路的檢測構(gòu)件發(fā)生故障時(shí)，傳感器將不能對(duì)外力進(jìn)行有效地測量。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)以及航空航天等領(lǐng)域?qū)αS力傳感器的可靠性要求越來越高，要求處于工作狀態(tài)的傳感器系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)部分發(fā)生故障或錯(cuò)誤時(shí)，能夠自動(dòng)檢測、診斷，并采取相應(yīng)的措施保證系統(tǒng)維持其規(guī)定的功能或者保持其功能在可接受的范圍內(nèi)，即要求傳感器系統(tǒng)具有很好的容錯(cuò)能力。此外，傳感器均采用上、下平臺(tái)結(jié)構(gòu)，不方便做成薄形結(jié)構(gòu)，高度尺寸都比較大，制約了在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有六維力傳感器存在的上述不足，本發(fā)明提供一種輪輻式容錯(cuò)式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，該傳感器能夠檢測三維空間的力與力矩，其具有剛度大、可靠性高、容錯(cuò)性能好和結(jié)構(gòu)尺寸方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該傳感器由測力圓環(huán)、固定圓環(huán)以及六個(gè)以上檢測分支構(gòu)成，測力圓環(huán)和固定圓環(huán)之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片，檢測分支兩端通過彈性球鉸與測力圓環(huán)和固定圓環(huán)相聯(lián)接。測力圓環(huán)或固定圓環(huán)可根據(jù)不同的應(yīng)用場合，在其內(nèi)表面或外表面加工螺紋，以方便于外界載荷相連接。通過加入冗余分支提高了整體剛度，并且當(dāng)某個(gè)檢測分支測量失效時(shí)，傳感器仍能對(duì)外力進(jìn)行精確的測量，使得傳感器具有容錯(cuò)能力。同時(shí)，將上、下平臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為內(nèi)、外環(huán)使得傳感器更方便與外界連接，且其結(jié)構(gòu)尺寸也更加適合多種應(yīng)用場合。