專利名稱：六分量力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種力學(xué)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(jī)器人執(zhí)行機(jī)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(biāo)系中一般可分解為六個分量，即 沿三個坐標(biāo)軸的力矢分量Fx，F(xiàn)y和Fz，以及繞三個坐標(biāo)軸的力矩分量Mx，My和Mz ； 或者說，研究對象上某一點(diǎn)的受力狀態(tài)復(fù)雜，但所受力總可在給定坐標(biāo)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(jī) 器人、生物力學(xué)、精密裝配、工程現(xiàn)場測試等領(lǐng)域?，F(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(dú)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(jī)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(jìn)行綜合、分析、求解和輸出所受力在給定坐標(biāo) 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(jī)構(gòu)的六根桿之間存在嚴(yán)重耦合關(guān)系，使得其力 學(xué)分析困難復(fù)雜，進(jìn)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(diǎn)，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(xué) 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(jìn)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
3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(diǎn)，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(dāng)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(yùn)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(diǎn)，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(dāng)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(yùn)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。需要說明的是，所示結(jié)構(gòu)中，球鉸是復(fù)合球鉸，即具有兩個獨(dú)立球鉸的功能。 為了結(jié)構(gòu)安排方便起見，也可將復(fù)合球鉸分離為二，即，在連接水平支撐桿的球鉸的中 間位置，如夾角60度，均布三個球鉸，然后在平臺的同側(cè)沿平臺的法向分別連接另外三 根豎直支撐桿。水平支撐桿的球鉸與豎直支撐桿的球鉸分布夾角的大小、分布半徑的大 小以及所在平面的相對高度可根據(jù)具體結(jié)構(gòu)尺寸的安排合理設(shè)置。而虎克鉸和球鉸的實 現(xiàn)方式也可根據(jù)具體要求采用關(guān)節(jié)軸承、球面軸承和柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)等方式來實施。主平臺上設(shè)有平臺連接孔，外殼上設(shè)有外殼連接孔。平臺聯(lián)接孔用于與被測對 象進(jìn)行聯(lián)接緊固；而外殼聯(lián)接孔用于將外殼，也即本傳感器的整體的固定和安裝。本實用新型的有益效果是基于改進(jìn)型六桿平臺的六分量力傳感器同時實現(xiàn)空 間廣義力的六分量檢測傳感；環(huán)境適應(yīng)性好，可釋放和消除溫度變化造成的熱變形；本 實用新型結(jié)構(gòu)對稱緊湊和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以用于實現(xiàn)單體式的也可以用于組合式的 六分量力傳感器；相對于基于經(jīng)典Stewart六桿平臺的六分量力傳感器，本實用新型具有 耦合程度小，并易于實現(xiàn)各項同性。另外，本實用新型的預(yù)緊型可使得六分量力傳感器 中的每個拉壓力傳感器總是工作在受壓的狀態(tài)，從而提高整體六分量力傳感器的性能。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型做詳細(xì)描述圖1為空間廣義力坐標(biāo)示意圖；圖2為背景技術(shù)中的六分量力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型的傳感器外部整體示意圖；圖4為本實用新型的傳感器拆除外殼后的正面視圖；[0022]圖5為圖4的仰視圖；圖6為圖4的俯視圖；圖7為本實用新型的六桿平臺結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為圖7的俯視圖；圖9本實用新型實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為實施例1水平受力結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為實施例1豎直受力結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為本實用新型實施例2結(jié)構(gòu)示意圖；圖13為本實用新型實施例3結(jié)構(gòu)示意圖；圖14為本實用新型實施例4結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.外殼；2.主平臺；3.輔助平臺；4.水平方向的支撐桿；5.豎直方向的 支撐桿；6.球鉸；7.虎克鉸；8.輔助球鉸；9.平臺連接孔；10.外殼連接孔；11.水平方 向拉壓力傳感器；12.豎直方向拉壓力傳感器；13.力敏元件；14.豎直梁。
具體實施方式
實施例1本實用新型的傳感器包括一個主平臺2和一個輔助平臺3，主平臺2和輔助平臺 3之間設(shè)置外殼1，主平臺2沿圓周均勻間隔設(shè)置三個球鉸6，每個球鉸6上連接一個水平 方向的支撐桿4和一個豎直方向的支撐桿5，球鉸6和支撐桿皆設(shè)置在外殼1內(nèi)；水平方 向的支撐桿4的末端與外殼1固接，豎直方向的支撐桿5與輔助平臺3固接。支撐桿為壓力傳感器，壓力傳感器包括水平方向拉壓力傳感器11和豎直方向拉 壓力傳感器12。支撐桿通過虎克鉸7與外殼1、輔助平臺3聯(lián)接。主平臺上設(shè)有平臺連 接孔9，外殼1上設(shè)有外殼連接孔10。如圖9所示，直接采用水平方向拉壓力傳感器11和豎直方向拉壓力傳感器12取 代圖7中的水平方向的支撐桿4和豎直方向的支撐桿5，并結(jié)合處理電路來構(gòu)成組合式六 分量力傳感器。需要說明的是，為保證結(jié)構(gòu)的對稱性，拉壓力傳感器的選型可選為一種 或兩種，即，對應(yīng)于水平拉壓力傳感器組必須是一樣的，對應(yīng)于豎直拉壓力傳感器組也 必須一致，但兩組的選型可以一樣也可以不一樣。如10所示，在圖示坐標(biāo)系下，根據(jù)圖1廣義力的定義，F(xiàn)x，F(xiàn)y和Mz將由水平 拉壓力傳感器組給出，而Mx，My和Fz將由豎直拉壓力傳感器組給出。下文以圖9所示的六桿平臺的組合式六分量力傳感器為對象，對本實用新型進(jìn) 行進(jìn)一步說明。1.力的六個分量的計算在圖10所示坐標(biāo)系下，本實用新型六分量力傳感器所受廣義力的Fx，F(xiàn)y和Mz 這三個分量將由水平拉壓力傳感器組給出，而另三個分量Mx，My和Fz將由豎直拉壓力 傳感器組給出。1)先分析水平拉壓力傳感器組受力和Fx，F(xiàn)y和Mz的關(guān)系。如圖10所示，記 三只水平拉壓力傳感器檢測到的力分別為Tl，T2和T3;記三只水平拉壓力傳感器虎克 鉸分度圓半徑為Rh;記Fx和Fy合力為P，P與X軸夾角為Θ。[0042] 則有
權(quán)利要求1.一種六分量力傳感器，其特征在于，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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六分量力傳感器，其特征在于，支撐桿為壓力傳感器或支撐 桿上設(shè)置力敏元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的六分量力傳感器，其特征在于，支撐桿通過虎克鉸與外殼、 輔助平臺聯(lián)接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的六分量力傳感器，其特征在于，每個球鉸連接兩個支撐桿， 其中一個為水平方向的支撐桿，另一個為豎直方向的支撐桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的六分量力傳感器，其特征在于，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)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的六分量力傳感器，其特征在于，豎直梁為壓力傳感器或支撐 桿上設(shè)置力敏元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的六分量力傳感器，其特征在于，每個球鉸沿四個方向連接四 個支撐桿，其中兩個為水平方向的支撐桿，另兩個為豎直方向的支撐桿。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的六分量力傳感器，其特征在于，主平臺的兩側(cè)各設(shè)置一個輔 助平臺，豎直方向的支撐桿分別與輔助平臺固接。
9.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的六分量力傳感器，其特征在于，主平臺上設(shè)有平臺連接孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求4或7所述的六分量力傳感器，其特征在于，外殼上設(shè)有外殼連接孔。
專利摘要本實用新型涉及一種力學(xué)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(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)或工程檢測裝備的傳感器。本實用新型的六分量力傳感器，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。本實用新型結(jié)構(gòu)對稱緊湊和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，可以用于實現(xiàn)單體式的也可以用于組合式的六分量力傳感器；相對于基于經(jīng)典Stewart六桿平臺的六分量力傳感器，本實用新型耦合程度小，并易于實現(xiàn)各項同性。
文檔編號G01L1/00GK201803817SQ201020562279
公開日2011年4月20日 申請日期2010年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月9日
發(fā)明者楊錦堂 申請人:楊錦堂