專(zhuān)利名稱(chēng)：六維rss力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量空間三維力與三維力矩的六維力傳感器，屬于自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多維力傳感器一直是世界上控制技術(shù)領(lǐng)域里爭(zhēng)先研制的高技術(shù)產(chǎn)品。多維傳感器的技術(shù)核心是彈性體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造，現(xiàn)有的六維力傳感器彈性體有十字梁和Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)(6-SPS)。前者貼片位置要求嚴(yán)，維間耦合大；后者Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片貼在桿上或彈性移動(dòng)副上。貼在桿上的靈敏度比較低；貼在彈性移動(dòng)副上的，由于彈性移動(dòng)副側(cè)向剛度低，造成較大的原理誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有六維力傳感器在設(shè)計(jì)制造上存在的不足，本發(fā)明提供一種六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器，它用轉(zhuǎn)動(dòng)彈性副代替現(xiàn)有并聯(lián)結(jié)構(gòu)力傳感器的變形部分從而簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，解決了彈性移動(dòng)副設(shè)計(jì)和加工難與原理誤差大等問(wèn)題，彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)制造和安裝精度都易于保證。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是施力平臺(tái)和固定平臺(tái)之間用3組支鏈連接，每組支鏈包括左側(cè)支鏈和右側(cè)支鏈，左、右側(cè)支鏈的結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱(chēng)布置。每個(gè)支鏈由上聯(lián)接桿、彈性球副、支鏈主桿、轉(zhuǎn)動(dòng)副桿、彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副和下聯(lián)接桿組成，支鏈主桿的兩端為彈性球副，彈性球副分別與上聯(lián)接桿和轉(zhuǎn)動(dòng)副桿剛性連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副桿與下聯(lián)接桿剛性連接，上聯(lián)接桿和下聯(lián)接桿分別與和定平臺(tái)采用過(guò)盈配合聯(lián)接；轉(zhuǎn)動(dòng)副桿上加工有橫截面為矩形的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副，其表面貼應(yīng)變片。當(dāng)施力平臺(tái)1受到力或力矩作用時(shí)，支鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副桿上的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副產(chǎn)生變形，彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副上的應(yīng)變片將反映出應(yīng)變的大小，通過(guò)6個(gè)外接四臂差動(dòng)電橋得到相應(yīng)的6個(gè)支鏈的受力大小，通過(guò)支鏈內(nèi)力即可求出被測(cè)力及力矩的大小和方向。
本發(fā)明的有益效果是該發(fā)明用彈性鉸鏈代替六自由度RSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副，并以此作為傳感器的彈性體。當(dāng)施力平臺(tái)受到力或力矩作用時(shí)，可以將待測(cè)力或力矩轉(zhuǎn)化為彈性鉸鏈上的應(yīng)變，通過(guò)外接四臂差動(dòng)電橋得到相應(yīng)的輸出信號(hào)。六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器彈性體部分可以借助并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，其彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副利用一維超靜定梁公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方便；被測(cè)量與輸出完全符合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)關(guān)系，原理誤差小，輸出量合成和分解算法簡(jiǎn)單，響應(yīng)快；維間耦合小，整體精度高；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。通過(guò)桿長(zhǎng)和彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副厚度尺寸變化，可以設(shè)計(jì)成各種不同量程和靈敏度的六維力傳感器。例如可以做成計(jì)算機(jī)游戲桿、汽車(chē)輪胎與輪轂受力狀態(tài)力測(cè)試傳感器等。


圖1是六維RSS力傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2是六維RSS力傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖3是支鏈結(jié)構(gòu)圖；圖4是支鏈四臂差動(dòng)電橋。
在圖1、圖2、圖3和圖4中，1.施力平臺(tái)，2.左側(cè)支鏈，3.右側(cè)支鏈，4.固定平臺(tái)，2-1.上聯(lián)接桿，2-2.為彈性球副，2-3.為支鏈主桿，2-4.轉(zhuǎn)動(dòng)副桿，2-5.彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副，2-6.應(yīng)變片，2-7.下聯(lián)接桿。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明公開(kāi)的一個(gè)實(shí)施例，施力平臺(tái)1和固定平臺(tái)4之間用3組支鏈連接，每組支鏈由左側(cè)支鏈2和右側(cè)支鏈3組成，左、右側(cè)支鏈(2，3)的結(jié)構(gòu)相同只是其位姿不同。每個(gè)支鏈由上聯(lián)接桿2-1、彈性球副2-2、支鏈主桿2-3、轉(zhuǎn)動(dòng)副桿2-4、彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副2-5和下聯(lián)接桿2-7組成，支鏈主桿2-3的兩端為彈性球副2-2，彈性球副2-2分別與上聯(lián)接桿2-1和轉(zhuǎn)動(dòng)副桿2-4剛性連接，轉(zhuǎn)動(dòng)副桿2-4與下聯(lián)接桿2-7剛性連接，上聯(lián)接桿2-1和下聯(lián)接桿2-7分別與施力平臺(tái)1和固定平臺(tái)4采用過(guò)盈配合聯(lián)接；轉(zhuǎn)動(dòng)副桿2-4上加工有橫截面為矩形的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副2-5，其表面貼應(yīng)變片2-6。當(dāng)施力平臺(tái)1受到力或力矩作用時(shí)，支鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副桿2-4上的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副2-5產(chǎn)生變形，彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副2-5上的應(yīng)變片2-6將反映出應(yīng)變的大小，通過(guò)6個(gè)外接四臂差動(dòng)電橋得到相應(yīng)的6個(gè)支鏈的受力大小，通過(guò)支鏈內(nèi)力即可求出被測(cè)力及力矩的大小和方向。
圖2、圖3和圖4是一種用于計(jì)算機(jī)六維游戲桿的彈性體、貼片位置和電橋簡(jiǎn)圖。利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳感器實(shí)現(xiàn)力信號(hào)與屏幕上可移動(dòng)對(duì)象移動(dòng)量的數(shù)字比例關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)游戲中的動(dòng)畫(huà)控制。如果施力平臺(tái)設(shè)計(jì)成汽輛的輪轂外緣結(jié)構(gòu)，固定平臺(tái)設(shè)計(jì)成輪轂結(jié)構(gòu)，此傳感器可用于汽車(chē)輪胎和輪轂的受力狀態(tài)。總之通過(guò)桿長(zhǎng)和彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副厚度尺寸變化，可以設(shè)計(jì)成各種不同量程和靈敏度的六維力傳感器。
權(quán)利要求
1.一種六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器，包括施力平臺(tái)(1)和固定平臺(tái)(4)，其特征是施力平臺(tái)(1)和固定平臺(tái)(4)由3組均布的支鏈聯(lián)接，每組支鏈由左側(cè)支鏈(2)和右側(cè)支鏈(3)組成，所述支鏈在固定平臺(tái)(4)呈圓周對(duì)稱(chēng)布置，每條支鏈有兩個(gè)彈性球副(2-2)和一個(gè)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副(2-5)，在轉(zhuǎn)動(dòng)副桿(2-4)上加工有橫截面為矩形的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副(2-5)，其表面貼應(yīng)變片(2-6)；當(dāng)施力平臺(tái)(1)有力或力矩作用時(shí)，六個(gè)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，通過(guò)外接的四臂差動(dòng)電橋得到相應(yīng)的六個(gè)輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器，其特征是左、右側(cè)支鏈(2，3)的結(jié)構(gòu)相同而其位姿不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器，其特征是所述支鏈主桿(2-3)的兩端為彈性球副(2-2)，彈性球副(2-2)分別與上聯(lián)接桿(2-1)和轉(zhuǎn)動(dòng)副桿(2-4)剛性連接；轉(zhuǎn)動(dòng)副桿(2-4)與下聯(lián)接桿(2-7)剛性連接；上聯(lián)接桿(2-1)和下聯(lián)接桿(2-7)分別與施力平臺(tái)(1)和定平臺(tái)(4)采用過(guò)盈配合聯(lián)接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器，其特征是所述支鏈主桿(2-3)兩端的彈性球副(2-2)中心的連線與彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副(2-5)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心線垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種六維并聯(lián)結(jié)構(gòu)RSS力傳感器，其特征是施力平臺(tái)(1)和固定平臺(tái)(4)由3組均布的支鏈聯(lián)接，每組支鏈由左側(cè)支鏈(2)和右側(cè)支鏈(3)組成，所述支鏈在固定平臺(tái)(4)呈圓周對(duì)稱(chēng)布置，每條支鏈有兩個(gè)彈性球副(2－2)和一個(gè)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副(2－5)，在轉(zhuǎn)動(dòng)副桿(2－4)上加工有橫截面為矩形的彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副(2－5)，其表面貼應(yīng)變片(2－6)。當(dāng)施力平臺(tái)(1)有力或力矩作用時(shí)，六個(gè)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副上會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，通過(guò)外接的四臂差動(dòng)電橋得到相應(yīng)的六個(gè)輸出信號(hào)。本發(fā)明理論設(shè)計(jì)誤差小，靈敏度高；同時(shí)具有維間解耦性、響應(yīng)快、精度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)桿長(zhǎng)和彈性轉(zhuǎn)動(dòng)副厚度尺寸變化，可以設(shè)計(jì)成各種不同量程和靈敏度的六維力傳感器。
文檔編號(hào)G01L1/20GK101034022SQ200710061720
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2007年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月17日
發(fā)明者李金良 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)