專利名稱：3-spr并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力和力矩傳感器及機器人領(lǐng)域，特別是涉及一種3-SPR 并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺。
技術(shù)背景測量六維力傳感器不僅是機器人智能化的必要手段，也是許多工程、 機電、軍事和醫(yī)療等裝備智能化控制的主要環(huán)節(jié)。測量六維力的關(guān)鍵是要 將三個力分量和三個力矩分量轉(zhuǎn)化成六路電信號輸出。對此人們已研制出 多種結(jié)構(gòu)的六維力傳感器，諸如筒形結(jié)構(gòu)，雙環(huán)結(jié)構(gòu)，三、四、八個垂 直筋結(jié)構(gòu)，十字結(jié)構(gòu)，非徑向梁結(jié)構(gòu)，T形桿結(jié)構(gòu)等。這些傳感器結(jié)構(gòu)各具 特點，但大多難以將六維力影射成六個解耦測力信號，有些還存在剛度低、 應(yīng)變靈敏度低、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等問題。用六自由度6-SPS并聯(lián)機構(gòu)，可以 將作用平臺的六維力影射成六個沿SPS腿的解耦驅(qū)動力?；?-SPS并聯(lián) 機構(gòu)，人們已設(shè)計或研制了多種六維測力平臺，得到六個解耦測力信號輸 出。為便于說明，用"("=3, 6)表示腿數(shù)，用S、 U、 P和R分別表示腿運 動鏈中的球鉸、萬向副、移動副和轉(zhuǎn)動副，它們的組合表示腿運動鏈結(jié)構(gòu)。 Ranganath， Dwarakanath和Kang等分別研制出不同形式的6-SPS并聯(lián)六維 力傳感器。相應(yīng)的中國專利有六自由度力與力矩傳感器(CN2165435Y)、 機器人用六維力與力矩傳感器(CN2066134U)、并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維力與力 矩傳感器(CN1267822)、 一種具有彈性鉸鏈六維力與力矩傳感器(CN1229915)、十二維力/加速度機器人腕傳感器(CN1385677)、整體預(yù) 緊平臺式六維力傳感器(ZL99102526.1)和并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺(CN1828248A)等不同結(jié)構(gòu)形式的六維力傳感器。由于這類六維測力平臺 有六個測力腿和十二個球鉸，所以結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造難度較大，導(dǎo)致測 試精度降低。 發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜、制造難度較大和測試精度降 低等不足，本發(fā)明提供一種3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺，3-SPR并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)造六維測力平臺，可以將作用平臺的六維力影射到三個SPR型二 維測力腿上，得到彼此解耦的三個驅(qū)動力和三個約束力以及相應(yīng)的六路電 信號輸出。這種3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺包括基座、三個球鉸、三個結(jié) 構(gòu)相同的二維測力腿、三個轉(zhuǎn)動副和加載平臺，每個二維測力腿通過球鉸 和轉(zhuǎn)動副與基座和加載平臺聯(lián)接。二維測力腿包括本體、第一調(diào)整螺釘、 第一傳感器、第二調(diào)整螺釘和第二傳感器。三個球鉸的中心分別與基座正 三角形的三個頂點重合，三個轉(zhuǎn)動副的軸線分別與加載平臺的三個邊重合。每個二維測力腿的本體由上架、中架、下架、四個結(jié)構(gòu)相同的彈性臂 連接成一體，上架與轉(zhuǎn)動副輸入軸聯(lián)接，下架與球鉸輸入軸連接。由上架 和兩個彈性臂及中架構(gòu)成一個彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)二維測力腿沿約 束力的變形。由中架和兩個彈性臂及下架構(gòu)成另一個彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)二維測力腿沿驅(qū)動力的變形。由于每個彈性臂兩端截面驟然減小，使 得每個彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)垂直彈性臂的剛度遠小于沿彈性臂的剛度，實 現(xiàn)了驅(qū)動力與約束力的解耦與測試。所述二維測力腿上安裝兩個傳感器和兩個螺釘。第一傳感器固定在上 架上，其軸線平行于轉(zhuǎn)動副軸線。第一調(diào)整螺釘與中架可調(diào)式聯(lián)接，并預(yù) 先與第一傳感器測頭軸向接觸。第二傳感器固定在下架上，其軸線與過球 鉸中心和轉(zhuǎn)動副軸線且垂直于轉(zhuǎn)動副的直線平行。第二調(diào)整螺釘與中架可 調(diào)式聯(lián)接，并預(yù)先與第二傳感器測頭軸向接觸。當六維力引起二維測力腿 的兩個彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)變形時，兩個傳感器將輸出測力或位移信號。 調(diào)整螺釘?shù)奈恢每梢哉{(diào)整傳感器的預(yù)壓縮量，以便消除測力過零誤差，克 服整體預(yù)緊平臺式六維力傳感器預(yù)緊儒變問題，避免因貼應(yīng)變片工藝誤差 造成的測試精度下降。本發(fā)明的有益效果是用三自由度3-SPR并聯(lián)機構(gòu)，可將作用其平臺 的六維力影射成三個過球鉸中心和轉(zhuǎn)動副軸線且垂直于轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動力和 三個過球鉸中心且平行轉(zhuǎn)動副的約束力，且六個力彼此解耦。所以用3-SPR 并聯(lián)機構(gòu)構(gòu)造六維測力平臺，也可以將作用平臺的六維力影射到三個測力 腿上，得到解耦的三個驅(qū)動力和三個約束力以及相應(yīng)的六路電信號輸出。由于這種測力平臺僅有三個測力腿、三個轉(zhuǎn)動副和三個球鉸，故所得3-SPR 并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺具有測試力解耦、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、測試 精度高和剛度高等優(yōu)點。


圖1是3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺； 圖2是二維測力腿本體的結(jié)構(gòu)主視圖； 圖3是二維測力腿本體結(jié)構(gòu)的軸側(cè)圖。在圖l、圖2、圖3中，l.基座，2.球鉸，2-l.球鉸輸入軸，3二維測力 腿，3-1.上架，3-2.中架，3-3.下架;3-4、 3-5、 3-6、 3-7.彈性臂，4.轉(zhuǎn)動副， 5.加載平臺，6.第一調(diào)整螺釘，8.第二調(diào)整螺釘，7.第一傳感器，9.第二傳感 器°具體實施例圖1是本發(fā)明公開的一個實施例，這種具有組裝測力腿的3-SPR并聯(lián) 解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺包括基座1、三個球鉸2、三個組裝式二維測力腿3、 三個轉(zhuǎn)動副4和加載平臺5。每個組裝式二維測力腿3由球鉸2和轉(zhuǎn)動副4 分別與基座l和加載平臺5聯(lián)接。二維測力腿3的本體由上架3-l、中架3-2、 下架3-3和四個結(jié)構(gòu)相同的彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)連接成一體；所 述上架3-1有一個光孔和一個螺紋孔，兩個孔的軸線相互平行；所述中架 3-2有上、下兩個軸線相互垂直的螺紋孔，其中上螺紋孔與上架3-l螺紋孔 的軸線共線；所述下架3-3有一個螺紋孔和一個與其平行的光 L，其中螺紋 孔與中架3-2下螺紋孔的軸線共線；上架3-1光孔與轉(zhuǎn)動副4軸配合連接， 下架3-3光孔與球鉸2輸入軸配合聯(lián)接；下架3-3光孔軸線與上架3-1光孔 軸線的中垂線重合；所述四個彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)共面，每個彈 性臂截面為矩形且兩端截面驟然減小，彈性臂(3-4， 3-5)垂直于上架3-1 光孔的軸線，彈性臂(3-6， 3-7)平行于上架3-l光孔的軸線。上架3-l和 彈性臂(3-4， 3-5)及中架3-2構(gòu)成一個平行四邊形結(jié)構(gòu)，中架3-2和彈性 臂(3-6， 3-7)及下架3-3構(gòu)成另一個平行四邊形結(jié)構(gòu)。每個組裝式二維測力腿3上裝有兩個力傳感器(7， 9)和兩個調(diào)整螺 釘(6， 8)，第一力傳感器7固定在上架3-l上，其軸線與轉(zhuǎn)動副軸線平行;第一調(diào)整螺釘6與中架3-2可調(diào)式聯(lián)接，并預(yù)先與第一傳感器7測頭軸向接 觸。第二力傳感器9固定在下架3-3上，其軸線與過球鉸中心和轉(zhuǎn)動副軸線 且垂直于轉(zhuǎn)動副的直線平行。第二調(diào)整螺釘8與中架3-2可調(diào)式聯(lián)接，并預(yù) 先與第一力傳感器9測頭軸向接觸。當六維力引起每個二維測力腿的兩個 彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)變形時，兩個力傳感器(7， 9)將輸出測力信號。調(diào) 整螺釘(6， 8)位置可以調(diào)整傳感器的預(yù)壓縮量，以便消除測力過零誤差， 克服整體預(yù)緊儒變問題，避免因貼應(yīng)變片工藝誤差造成的測試精度下降。第一、第二傳感器(7， 9)也使用位移傳感器，通過標定，可根據(jù)位 移傳感器輸出的位移信號折算出相應(yīng)的測力值。這種3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺具有測試力解耦、算法簡單、 測試精度高、無測力過零誤差、無預(yù)緊儒變、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、剛度 高等優(yōu)點，可應(yīng)用到機器人各關(guān)節(jié)及其它六維力與力矩傳感器的場合之中。
權(quán)利要求
1.一種3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺，包括基座(1)、三個球鉸(2)、三個結(jié)構(gòu)相同的二維測力腿(3)、三個轉(zhuǎn)動副(4)和加載平臺(5)，其特征是每個二維測力腿(3)通過球鉸(2)和轉(zhuǎn)動副(4)與基座(1)和加載平臺(5)聯(lián)接，二維測力腿(3)包括本體、第一調(diào)整螺釘(6)、第一傳感器(7)、第二調(diào)整螺釘(8)和第二傳感器(9)；三個球鉸(2)的中心分別與基座(1)正三角形的三個頂點重合，三個轉(zhuǎn)動副(4)的軸線分別與加載平臺(5)正三角形的三個邊重合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺，其特征 是二維測力腿(3)的本體由上架(3-1)、中架(3-2)、下架(3-3)和四 個結(jié)構(gòu)相同的彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)連接成一體；所述上架(3-1) 有一個光孔和一個螺紋孔，兩個孔的軸線相互平行；所述中架(3-2)有上、 下兩個軸線相互垂直的螺紋孔，其中上螺紋孔與上架(3-1)螺紋孔的軸線 共線；所述下架(3-3)有一個螺紋孔和一個與其平行的光孔，其中螺紋孔 與中架(3-2)下螺紋孔的軸線共線；上架(3-1)光孔與轉(zhuǎn)動副(4)軸配 合連接，下架(3-3)光孔與球鉸(2)輸入軸配合聯(lián)接；下架(3-3)光孔 軸線與上架(3-1)光孔軸線的中垂線重合；所述四個彈性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)共面，每個彈性臂截面為矩形且兩端截面驟然減小，彈性臂(3-4， 3-5)垂直于上架(3-1)光孔的軸線，彈性臂(3-6， 3-7)平行于上架(3-1) 光孔的軸線。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺，其 特征是第一傳感器(7)固定在上架(3-1)螺紋孔中，第一螺釘(6)與 中架(3-2)上螺紋孔聯(lián)接，并預(yù)先與第一傳感器(7)測頭軸向接觸；第二 傳感器(9)固定在下架(3-3)螺紋孔中，第二螺釘(8)與中架(3-2)下 螺紋孔聯(lián)接，并預(yù)先與第二傳感器(9)測頭軸向接觸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺，其特征 是第一、第二傳感器(7， 9)為力傳感器或者為位移傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺。其特征是每個二維測力腿(3)通過球鉸(2)和轉(zhuǎn)動副(4)與基座(1)和加載平臺(5)聯(lián)接，三個球鉸(2)中心分別與基座(1)正三角形的三個頂點重合，三個轉(zhuǎn)動副(4)軸線分別與加載平臺(5)正三角形的三個邊重合。本發(fā)明基于三自由度3-SPR并聯(lián)機構(gòu)的原理和力學(xué)性能，實現(xiàn)了六維力向三個SPR型二維測力腿上的影射，在每個二維測力腿(3)上得到一個驅(qū)動力和一個約束力。利用每個SPR腿上的兩個彈性平行四邊形結(jié)構(gòu)與第一、第二傳感器(7，9)及第一、第二調(diào)整螺釘(6，8)組合，獲得了一種測力精度高、結(jié)構(gòu)簡單的二維解耦測力腿。這種3-SPR并聯(lián)解耦結(jié)構(gòu)六維測力平臺具有測試力解耦、算法簡單、測試精度高、無測力過零誤差、無預(yù)緊儒變、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、剛度高等優(yōu)點，可應(yīng)用到機器人各關(guān)節(jié)及其它六維力與力矩傳感器的場合之中。
文檔編號G01L1/00GK101246062SQ20081005463
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月15日
發(fā)明者毛秉毅, 懿 路 申請人:燕山大學(xué)