[實用新型]六分量力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201020562279.X
• 申請日: 2010-10-09
• 公開（公告）號: CN201803817U
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊錦堂
• 申請（專利權(quán)）人: 楊錦堂
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00
• 代理公司: 青島發(fā)思特專利商標代理有限公司 37212
• 代理人: 鞏同海

技術(shù)領(lǐng)域

本實用新型涉及一種力學參數(shù)傳感裝置，尤其涉及一種用于需要同時檢測和傳感空間廣義力的六個正交分量的機器人執(zhí)行機構(gòu)或工程檢測裝備的傳感器。

背景技術(shù)

空間任一廣義力F，如圖1所示，在給定的坐標系中一般可分解為六個分量，即沿三個坐標軸的力矢分量Fx，F(xiàn)y和Fz，以及繞三個坐標軸的力矩分量Mx，My和Mz；或者說，研究對象上某一點的受力狀態(tài)復(fù)雜，但所受力總可在給定坐標系中分解為上述六個分量。六分量力傳感器就是用來同時檢測和傳感所受力的六個分量，廣泛應(yīng)用于機器人、生物力學、精密裝配、工程現(xiàn)場測試等領(lǐng)域。

現(xiàn)有六分量力傳感從結(jié)構(gòu)形式上主要可分為單體式和組合式。前者利用單獨的彈性元件同時感應(yīng)各個力分量；后者則是組合利用多個彈性元件分別感應(yīng)各個力分量。如圖2所示，基于Stewart六桿平臺機構(gòu)的單體式六分量力傳感器的研究和應(yīng)用廣泛。其基本原理是基于經(jīng)典Stewart六桿平臺的結(jié)構(gòu)，在六根桿上分別安裝力敏元件，如應(yīng)變片，并通過對六個力敏元件傳感的信號進行綜合、分析、求解和輸出所受力在給定坐標系下的六個分量。

如2008年8月20日公開的中國專利申請，公開號CN101246065A，其公開了一種彈性鉸并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，實現(xiàn)了六維力向六個分支上的分解。但這類六分量力傳感器，由于經(jīng)典Stewart六桿平臺機構(gòu)的六根桿之間存在嚴重耦合關(guān)系，使得其力學分析困難復(fù)雜，進而使得這類傳感器的各向同性只有在傳感器的結(jié)構(gòu)尺寸之間具有特定關(guān)系時才得到保證，并且，同一只傳感器不能同時實現(xiàn)力的各向同性和力矩的各向同性。

另外，基于經(jīng)典Stewart六桿平臺的單體式六分量力傳感器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工制造困難等缺點，且多采用整體加工，如選用硬鋁切割而成，這在一定程度上限制了它的量程和使用范圍。

實用新型內(nèi)容

本實用新型的技術(shù)效果能夠克服上述缺陷，提供一種六分量力傳感器，其力學分析簡單，克服了同一只傳感器不能同時實現(xiàn)力的各向同性和力矩的各向同性的缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：其包括主平臺和輔助平臺，主平臺和輔助平臺之間設(shè)置外殼，主平臺沿圓周均勻間隔設(shè)置三個球鉸，每個球鉸上連接水平方向的支撐桿和豎直方向的支撐桿，球鉸和支撐桿皆設(shè)置在外殼內(nèi)；水平方向的支撐桿的末端與外殼聯(lián)接，豎直方向的支撐桿與輔助平臺聯(lián)接。

本實用新型采用一種改進型的六桿平臺結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上提出一種六分量力傳感器結(jié)構(gòu)。通過在六根桿上設(shè)置力敏元件來實現(xiàn)單體式的，或直接采用六個已有的壓力傳感器來構(gòu)成組合式的六分量傳感器，即支撐桿上設(shè)置力敏元件或支撐桿為壓力傳感器。

每個球鉸連接兩個支撐桿或每個球鉸連接四個支撐桿：

(1)在平臺上取間隔120度旋轉(zhuǎn)對稱的三點，設(shè)置三個具有三個旋轉(zhuǎn)自由度的球鉸，三個球鉸沿切向在與平臺平行的平面內(nèi)分別連接一根水平方向的支撐桿，在水平方向的支撐桿的另一端采用具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的虎克鉸聯(lián)接于外殼上；另外，在三個球鉸處在平臺的同側(cè)沿平臺的法向分別連接三根豎直方向的支撐桿，同樣的，在豎直方向的支撐桿的另一端采用虎克鉸連接于下平臺上。這樣，當六根支撐桿具有伸縮功能時，動平臺將具有六個自由度的剛體運動。

相鄰的球鉸之間設(shè)置輔助球鉸，每個輔助球鉸上設(shè)置豎直梁，豎直梁與豎直方向的支撐桿位于主平臺的同一側(cè)。豎直梁為壓力傳感器或支撐桿上設(shè)置力敏元件。

(2)在平臺上取間隔120度旋轉(zhuǎn)對稱的三點，設(shè)置三個具有旋轉(zhuǎn)自由度的球鉸，每個球鉸沿切向在與平臺平行的平面內(nèi)分別連接兩根水平方向的支撐桿，在水平方向的支撐桿的另一端采用具有兩個旋轉(zhuǎn)自由度的虎克鉸聯(lián)接于外殼上；另外，在每個球鉸處在平臺的同側(cè)沿平臺的法向分別連接兩根豎直方向的支撐桿，同樣的，在豎直方向的支撐桿的另一端采用虎克鉸連接于輔助平臺。這樣，當六根支撐桿具有伸縮功能時，動平臺將具有六個自由度的剛體運動。

主平臺的兩側(cè)各設(shè)置一個輔助平臺，也就是說此種結(jié)構(gòu)中，包括一個主平臺以及兩側(cè)的兩個輔助平臺，豎直方向的支撐桿分別與輔助平臺固接。