[發明專利]容錯式大量程并聯六維力傳感器

無效

• 申請號: 201210279900.5
• 申請日: 2012-08-08
• 公開（公告）號: CN102865947A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 姚建濤;朱佳龍;許允斗;趙永生
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;G01L25/00
• 代理公司: 石家莊一誠知識產權事務所 13116
• 代理人: 續京沙

技術領域

本發明涉及一種力傳感器，特別是涉及一種并聯結構六維力傳感器。

背景技術

六維力傳感器能夠同時測量三個力分量和三個力矩分量，作為六分量測力技術的必要實現工具，可用于監測方向和大小不斷變化的力、測量加速度或慣性力、實現力和力/位的控制等。大量程、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、挑戰性較高的課題。

在六維力傳感器研究中，其中的關鍵核心問題之一是力敏感元件的結構設計，力敏感元件的結構決定著傳感器的剛度、靈敏度、分辨率、量程、動態性能和可靠性等關鍵因素。截至目前人們提出和應用的六維力傳感器結構主要有：三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋豎梁結構，非對稱平面三梁結構，平面十字梁結構，雙環形復合梁結構，圓筒結構等。以上所列舉的傳感器結構，皆為一體化結構，有一共同特點，就是應變橋的輸出信號與每個力/力矩分量有關，即測量力信號與應變橋的輸出信號耦合，設計時確定應變片不同的貼片方式達到從理論上消除各個分力之間的干擾，以實現力的解耦。這種貼片解耦一般建立在假設已知所受力的大小和方向條件上的，當換成其它的力作用環境，貼片位置的應力發生了變化，即整體不再解耦，所以這種彈性體的設計存在測試對象范圍較窄的缺點。

基于Stewart并聯機構的六維力傳感器采用球鉸的連接方式，依靠并聯機構力學解耦方式實現輸出解耦，克服了整體式彈性體通過貼片組橋來達到輸出解耦的缺陷，能夠面對復雜受力對象的測量。專利CN21010535512.X提出了一種輪輻式冗余并聯結構六維力傳感器，不僅具備傳統并聯結構傳感器分支測量解耦的特點，還通過增加冗余測量分支使傳感器具有容錯能力，且使得傳感器剛度得以提高。雖然容錯式結構使得測量可靠度得到提高，但是仍有缺陷：其被測量力全部由檢測分支承載，由于分支剛度，尤其是鉸鏈連接剛度有限大大制約了傳感器的整體剛度，在材料一定的條件下，只能通過增加尺寸的辦法來提高傳感器剛度，但這種改善會使得傳感器靈敏度降低、測量特性變差，使得傳感器無法適用于大量程力的可靠測量。

發明內容

本發明的目的在于提供一種量程大、可靠性高、容錯性能好和模塊化程度高的容錯式大量程并聯六維力傳感器。

本發明的技術方案如下：

本發明為內外環形結構，主要包括外固定環、內測力環、六個以上檢測分支以及三個或四個承載分支。其中內測力環和外固定環與分支軸線垂直的平面包絡而成環形多面體，以便于加工，內測力環的內表面設有螺紋，外固定環上表面設有若干通孔，通過螺栓可以與外界載荷聯接。承載分支為大剛度梁，其兩端分別與內測力環的外側和外固定環的內側固連，主要承載被測量力，它使得傳感器剛度增加，顯著實現并聯結構傳感器在保證測量特性下的剛度提升，以承載大量程外力。檢測分支每兩個一組設在承載分支之間，其兩端通過彈性球鉸與內測力環的外側和外固定環的內側相連，每個檢測分支的中部貼有應變片，通過增加冗余檢測分支，當發生檢測分支測量失效時，傳感器仍能對外力進行精確的測量，即使傳感器具有了容錯能力；另外將傳感器由常見的上下平臺式改進為內外環結構，使得其更方便與外界配合，結構尺寸更適合于多種加工應用場合。根據加工條件和性能要求，可以是上述一體式結構也可以是裝配式結構，即在承載分支和檢測分支的兩端設分支連接端面，該端面的兩端設有螺釘，通過螺釘使分支與內測力環和外固定環連接，檢測分支兩端通過彈性球鉸與上述分支連接端面相連。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、提高了整體剛度，使其可以適用于大力測量；

2、具有冗余檢測分支（測量分支數大于六），當其中的一個或多個分支發生故障或錯誤時，能夠通過軟件自動檢測、診斷，并采取相應的措施保證系統維持其規定的功能或者保持其功能在可接受的范圍內。

3、提高了系統的適用范圍和信息利用率，增強了系統容錯功能，將能夠更好的適應復雜工況環境下的任務要求，可廣泛應用于航空航天、軍事、核工業、機器人、汽車六維輪力測量等多種需要大量程、高可靠性傳感器的六維力測量環境。

附圖說明

圖1是本發明實施例1的結構示意簡圖。

圖2是本發明實施例2的結構示意簡圖。?

具體實施方式