[發明專利]正交解耦六維力傳感器

有效

• 申請號: 201310479891.9
• 申請日: 2013-10-15
• 公開（公告）號: CN103487194A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 王志軍;賀靜;崔冰艷;李占賢
• 申請（專利權）人: 河北聯合大學
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 唐山永和專利商標事務所 13103
• 代理人: 明淑娟

技術領域

本發明涉及力傳感器設計制造領域，特別是涉及一種正交解耦六維力傳感器。

背景技術

六維力傳感器以其能夠感知外力和力矩的全部信息而成為非常重要的一類傳感器，在航空航天、機械加工、汽車制造、智能化機器人等領域具有重要的應用價值，其應用已涵蓋國防科技和民用工業的各個領域。因此，高精度、高靈敏度且能夠適應一定環境的六維力傳感器十分急需并具有非常廣闊的應用前景。

經典的Stewart平臺機構上下平臺均為六角形，再由六個移動分支兩端通過球面副與六角形的各頂點聯接，組成六自由度的并聯機構。該并聯機構在某一位形下，將六個分支中的移動副替換為單維力傳感器，此時動平臺所受的六維外力與六個分支單維力傳感器所受力之間存在一一對應的關系。眾多學者采用這一特性，將Stewart并聯結構應用到六維力傳感器設計當中。并聯式六維力傳感器在發揮了并聯結構承載能力大、剛度大、結構緊湊、布置靈活、無誤差積累等優點的同時，有效地改善了一體式六維力傳感器敏感元件耦合嚴重的問題。

眾多學者提出了多種形式的并聯式六維力傳感器結構。中國專利ZL99102526.1公開了一種整體預緊平臺式六維力傳感器，在Stewart并聯結構的基礎上，采用球窩錐頭式球面副代替傳統球副并增加中間預緊分支，有效減小了球面副的接觸面積，提高了傳感器的整體剛度。中國專利ZL99102421.4公開了一種基于彈性球鉸的并聯結構六維力傳感器，采用彈性球鉸代替普通球鉸，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機構六維力傳感器，六個彈性體分為三組，每組兩個分別沿三個相互垂直的方向布置，并且各組彈性體軸線構成的平面互相垂直，從結構上實現六維力與力矩解耦。中國專利ZL200810054666.x公開了一種具有六分支的彈性鉸并聯６-UPUR六維測力平臺，使得該類傳感器比彈性球鉸結構的傳感器可承受較大的載荷。中國專利201110277378.2公開了一種含彈性整體運動副的三腿并聯解耦測六維力傳感器。以上的幾類并聯結構六維力傳感器中，敏感元件大多在空間布置，而且結構較為復雜，加工難度大，因此能夠應用于實際生產中產品化的六維力傳感器結構還比較少。

發明內容

本發明提供一種正交解耦六維力傳感器，該傳感器不僅能夠檢測三維空間的力與力矩，同時還具有結構簡單、加工方便、測量原理簡便、布局合理以及方便應用等優點。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種正交解耦六維力傳感器，包括固定平臺，測力平臺，檢測分支，應變片，固定平臺和測力平臺兩者呈平行狀態布置，固定平臺和測力平臺之間設置有一組呈豎直狀態的檢測分支；固定平臺和測力平臺分別呈圓盤形結構，測力平臺的中心設置有四邊形通孔，四邊形通孔內設置有立柱，立柱的另一端與固定平臺連接；立柱上裝有一組呈水平狀態的檢測分支，水平狀態的檢測分支另一端與四邊形通孔的孔壁連接。

本發明與現有六維力傳感器相比具有如下優點：

1.??本發明的六維力傳感器結構簡單，測量原理簡便，整體剛度大；

2.??本發明的六維力傳感器各檢測分支均為平行或垂直分布，可對六維外力實現解耦測量；

3.??本發明的六維力傳感器結構便于加工和應用，適用場合廣泛，從微小型到大型傳感器都可由該結構實現。

本發明的優選方案是：

立柱呈等截面的十字形結構。

豎直狀態的檢測分支的兩端通過彈性球鉸分別與固定平臺和測力平臺連接；水平狀態的檢測分支的兩端通過彈性球鉸分別與四邊形通孔的孔壁和立柱連接。

一組呈水平狀態的檢測分支中，所有檢測分支的軸線均位于同一平面內。

一組呈豎直狀態的檢測分支均布設置為四個。

一組呈水平狀態的檢測分支設置為四個并位于同一圓周上，該四個水平檢測分支位于所在圓周的同一回旋方向的切線上。

四邊形通孔是正方形通孔。

立柱底端與固定平臺固接。

固定平臺和測力平臺兩者呈等直徑結構并同心設置。

附圖說明

圖1是正交解耦六維力傳感器的結構示意圖。