[發明專利]一種近奇異構型的大量程并聯六維力傳感器

有效

• 申請號: 201210280131.0
• 申請日: 2012-08-08
• 公開（公告）號: CN102840944A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 姚建濤;趙永生;朱佳龍;許允斗
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 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，特別是一種大量程并聯結構的六維力傳感器。

背景技術

作為一個知識密集、技術密集、跨學科的復雜機電一體化裝置，傳感器的性能直接影響機電系統的質量。力傳感器作為傳感器中的一種基本類型被廣泛應用，其中六維力傳感器因其可以同時測量空間三維力分量和三維力矩分量，可用于測量方向和大小不斷變化的力、加速度而被視為最重要的一類力傳感器。對于六維力傳感器的研究，除了提高精度方面不容忽視，提高剛度，增大量程、可小型化也因難度大、挑戰高、應用需求顯著而逐漸成為國內外爭相發展的研究方向。

六維力傳感器作為力傳感器研究應用中的技術關鍵，正日趨發展完善。其力敏感元件的結構設計是六維力傳感器的核心，國內外已有大量的學者投入到這一研究當中，截至目前人們提出和應用的六維力傳感器力敏感元件結構有：三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋結構，筒形結構、環形結構、雙環形結構、平面三梁結構、平面十字梁結構、雙十字結構等。上述的傳感器結構，各維力分量均與應變橋輸出有關，即應變橋輸出信號與各維力/力矩測量信號之間均存在耦合，通常采用特定的貼片方式來達到解耦。但由于特定的貼片方式對受力方式的適應性差，相應解耦算法復雜，這使得傳感器在應用中很難獲得高精度、高靈敏度、大量程、小尺寸等優越的綜合性能。

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使得輸出解耦，克服了整體式彈性體通過貼片組橋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，但是仍有一些缺點。首先，由于剛度與靈敏度間的制約，檢測分支剛度十分有限，通過增加檢測分支的辦法無法有效提高傳感器剛度，同時，由于剛度的增加降低了靈敏度，使測量特性有所下降，即也未很好處理傳感器剛度與測量靈敏度間的關系；其次，并聯式傳感器的測量分支需具備的特定的位形與結構，加工交復雜，增加測量分支明顯使得其結構更加復雜。因此，若想進一步得到大量程、高靈敏度、小尺寸的六維力傳感器是十分困難的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種剛度好、量程大、靈敏度高、結構簡單、尺寸小的并聯式六維力傳感器。

本發明的技術方案如下：

本發明采用雙環式結構，主要包括測力環、固定環、三個相同的承載分支和六個貼有應變片的檢測分支。其中測力環與固定環同軸布置并通過三個承載分支相連，三個承載分支環形均布，即相鄰分支夾角120°，為剛度較大承載梁結構，主要承載測力環與固定環之間的作用力；六個檢測分支每兩個為一組，其兩端通過彈性球鉸與測力環和固定環相連，并與上述承載分支間隔均等分配；針對確定的測量任務，上述檢測分支采用軸線與傳感器軸截面成小角度或者軸線與傳感器測力環幾何中心呈小距離等特定的近奇構型布置，以得到對某些維的力分量檢測有較高的靈敏度，并通過分支上的應變片，完成分支受力的檢測。固定環和測力環與分支連接環面可為由分支軸線垂直面包絡而成環形多面體，以便于制造；測力環的內表面設有螺紋，固定環端面上設有通孔，可通過螺栓或設在該固定環外表面的螺紋與外界聯接。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

1、通過承載分支，使得傳感器的剛度增加，可適用于大量程六維力測量；

2、采用近奇異位形，提高了傳感器測量靈敏度，不僅彌補了因為提高傳感器剛度增大導致靈敏度降低的不足，更可以通過不同的分支剛度分配使傳感器更好地適用于特定的測量任務；

3、由于傳感器采用彈性球鉸連接，一體式加工，使得傳感器不存在采用普通機械球鉸連接帶來的結構間隙和測量滯后誤差等缺點，更有效實現了結構簡化，尺寸縮小。

4、采用內外環式結構，使傳感器厚度明顯下降，并可以更好地適用于特定的應用場合；能廣泛應用于航空航天、軍事、機器人、汽車六維輪力測量等多種要求傳感器剛度大、靈敏度高的小空間六維力測量場合。

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

實施例1