專利名稱：冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及力傳感器設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域，特別是涉及一種具有容錯能力的冗余并聯(lián)結(jié) 構(gòu)六維力傳感器，可對測試空間的三維力分量和力矩分量進(jìn)行高可靠性的測量。
背景技術(shù)：
六維力傳感器能夠同時測量三個力分量和三個力矩分量，作為六分量測力技術(shù)的 必要實(shí)現(xiàn)工具，可用于監(jiān)測方向和大小不斷變化的力、測量加速度或慣性力、實(shí)現(xiàn)力和力/ 位的控制等。高精度、高可靠性六維力傳感器的研究是世界各國爭先研究的難度較大、挑戰(zhàn) 性較高的課題。在六維力傳感器研究中，其中的關(guān)鍵核心問題之一是力敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，力 敏感元件的結(jié)構(gòu)決定著傳感器的靈敏度、分辨率、剛度、動態(tài)性能和可靠性等關(guān)鍵因素。截 至目前人們提出和應(yīng)用的六維力傳感器結(jié)構(gòu)主要有三垂直筋、四垂直筋和八垂直筋豎梁 結(jié)構(gòu)，非對稱平面三梁結(jié)構(gòu)，平面十字梁結(jié)構(gòu)，雙環(huán)形復(fù)合梁結(jié)構(gòu)，圓筒結(jié)構(gòu)等。以上所列舉 的傳感器結(jié)構(gòu)，皆為一體化結(jié)構(gòu)，有一共同特點(diǎn)，就是應(yīng)變橋的輸出信號與每個力/力矩分 量有關(guān)，即測量力信號與應(yīng)變橋的輸出信號耦合，設(shè)計(jì)時確定應(yīng)變片不同的貼片方式達(dá)到 從理論上消除各個分力之間的干擾，以實(shí)現(xiàn)力的解耦。這種貼片解耦一般建立在假設(shè)已知 所受力的大小和方向條件下進(jìn)行的，當(dāng)換成其它的力作用環(huán)境，貼片位置的應(yīng)力發(fā)生了變 化，即整體不再解耦，所以這種彈性體的設(shè)計(jì)存在測試對象比較窄的缺點(diǎn)。基于Mewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維力傳感器采用球鉸的連接方式，它的輸出解耦是依 靠并聯(lián)機(jī)構(gòu)力學(xué)解耦方式進(jìn)行解耦，而不是依靠貼片解耦，克服了整體式彈性體通過貼片 組橋來達(dá)到輸出解耦的缺陷，能夠面對復(fù)雜受力對象的測量。中國專利ZL9910M21.4公開 了一種基于彈性球鉸的并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，采用彈性良好金屬棒的“局部細(xì)脖”代替普 通球鉸，由“局部細(xì)脖”產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形代替球鉸的三維轉(zhuǎn)動，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(lián)機(jī)構(gòu)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(gòu)成的平 面互相垂直，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)六維力與力矩解耦。中國專利ZL03131866.5公開了一種用于風(fēng) 洞實(shí)驗(yàn)力測試的六分支并聯(lián)天平。中國專利ZL200810054640. 5和ZL200810054666. χ分別 公開了一種具有六分支的彈性鉸并聯(lián)6-UPS和6-UPUR六維測力平臺，使得該類傳感器比彈 性球鉸結(jié)構(gòu)的傳感器可承受較大的載荷。以上的幾類六維力傳感器有一個共同的不足就是其僅有六個分支，為靜定結(jié)構(gòu)， 其任一分支發(fā)生故障，均會使整個系統(tǒng)無法準(zhǔn)確測量六維外力，即傳感器不具備容錯能力， 可靠性較低，當(dāng)任一支路的檢測構(gòu)件發(fā)生故障時，傳感器將不能對外力進(jìn)行有效地測量。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)以及航空航天等領(lǐng)域?qū)αS力 傳感器的可靠性要求越來越高，要求處于工作狀態(tài)的傳感器系統(tǒng)中的一個或多個部分發(fā)生 故障或錯誤時，能夠自動檢測、診斷，并采取相應(yīng)的措施保證系統(tǒng)維持其規(guī)定的功能或者保 持其功能在可接受的范圍內(nèi)，即要求傳感器系統(tǒng)具有很好的容錯能力。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有六維力傳感器存在的上述不足，本發(fā)明提供一種冗余容錯式并聯(lián)結(jié) 構(gòu)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，同時還具有剛度大、可靠性 高、容錯性能好和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該傳感器由上平臺、底座以及七個 以上(含七個)檢測分支構(gòu)成，每個檢測分支包含檢測構(gòu)件、上連桿、調(diào)節(jié)螺桿和下連桿。上 平臺和底座上均分布有斜凸臺，上連桿一端與檢測構(gòu)件相連，另一端通過球鉸或彈性球鉸 與斜凸臺相連；下連桿一端與調(diào)節(jié)螺桿相連，另一端通過球鉸或彈性球鉸與斜凸臺相連，檢 測構(gòu)件為中間帶有敏感元件的單維力傳感器。這樣，該傳感器的上平臺與底座之間共有七 個以上(含七個)檢測分支，通過加入冗余分支提高了整體剛度，另外當(dāng)某個檢測分支測量 失效時，傳感器仍能對外力進(jìn)行精確的測量，因此傳感器具有了容錯能力。本發(fā)明的有益效果是該傳感器中的一個或多個分支發(fā)生故障或錯誤時，其能夠 通過軟件自動檢測、診斷，并采取相應(yīng)的措施保證系統(tǒng)維持其規(guī)定的功能或者保持其功能 在可接受的范圍內(nèi)。具有冗余容錯功能的并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器提高了系統(tǒng)的信息利用 率，增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯功能，將能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜工況環(huán)境下的任務(wù)要求，在航空航天、國 防軍事以及某些工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(a)九桿冗余容錯式并 聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，(b)八桿冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，(c)七桿冗余容錯式 并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器；圖2是檢測分支連接示意圖；圖3是彈性鉸鏈與斜凸臺連接示意圖；在圖1中，1.上平臺，2.上連桿，3.檢測構(gòu)件，4.調(diào)節(jié)螺桿，5.下連桿，6.螺栓， 7.底座。
具體實(shí)施例方式圖1是本發(fā)明公開的三個實(shí)施例，其中(a)為九桿冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳 感器，(b)為八桿冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，(c)為七桿冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維 力傳感器。圖1(a)中所述傳感器由上平臺1、底座7、九個檢測構(gòu)件3、九個上連桿2、九個下 連桿5，以及九個調(diào)節(jié)螺桿4組成。上平臺1為受力平臺，其下表面分布九個斜凸臺，底座7 為固定平臺，其上表面也分布九個斜凸臺。上連桿2 —端與檢測構(gòu)件3采用螺紋連接，另一 端通過球鉸或彈性鉸鏈與上平臺的斜凸臺聯(lián)接，上連桿和下連桿的聯(lián)接法蘭與斜凸臺分別 通過螺栓6聯(lián)接，下連桿5 —端與調(diào)節(jié)螺桿4連接，另一端與斜凸臺連接，調(diào)節(jié)螺桿4用于 調(diào)整檢測分支長度。圖1 (b)中所述傳感器由上平臺1、底座7、八個檢測構(gòu)件3、八個上連桿2、八個下 連桿5，以及八個調(diào)節(jié)螺桿4組成。上平臺1為受力平臺，其下表面分布八個斜凸臺，底座7為固定平臺，其上表面也分布八個斜凸臺。上連桿2 —端與檢測構(gòu)件3采用螺紋連接，另一 端通過球鉸或彈性鉸鏈與上平臺的斜凸臺聯(lián)接，上連桿和下連桿的聯(lián)接法蘭與斜凸臺分別 通過螺栓6聯(lián)接下連桿5 —端與調(diào)節(jié)螺桿4連接，另一端與斜凸臺連接，調(diào)節(jié)螺桿4用于調(diào) 整檢測分支長度。圖1(c)中所述傳感器由上平臺1、底座7、七個檢測構(gòu)件3、七個上連桿2、七個下 連桿5，以及七個調(diào)節(jié)螺桿4組成。上平臺1為受力平臺，其下表面分布七個斜凸臺，底座7 為固定平臺，其上表面也分布七個斜凸臺。上連桿2 —端與檢測構(gòu)件3采用螺紋連接，另一 端通過球鉸或彈性鉸鏈與上平臺的斜凸臺聯(lián)接，上連桿和下連桿的聯(lián)接法蘭與斜凸臺分別 通過螺栓6聯(lián)接，下連桿5 —端與調(diào)節(jié)螺桿4連接，另一端與斜凸臺連接，調(diào)節(jié)螺桿4用于 調(diào)整檢測分支長度。本發(fā)明可應(yīng)用于機(jī)器人、生物力學(xué)、航空航天技術(shù)等多種需要高可靠性六維力測 量的領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，其特征是上平臺(1)和底座(7)之間安 裝有七個以上(含七個)檢測分支，每個檢測分支由上連桿O)、檢測構(gòu)件(3)、調(diào)節(jié)螺桿(4)下連桿( 組成，上平臺(1)下側(cè)分布有斜凸臺，底座(7)上側(cè)分布有斜凸臺，上連桿 (2) 一端與檢測構(gòu)件C3)采用螺紋連接，另一端通過球鉸與上平臺的斜凸臺聯(lián)接，下連桿(5)一端與調(diào)節(jié)螺桿(4)連接，另一端與斜凸臺連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，其特征是上平臺(1) 和底座(7)之間安裝有七個以上(含七個)檢測分支。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，其特征是調(diào)節(jié)螺桿(4) 為正反螺紋結(jié)構(gòu)，用于調(diào)整分支長度，從而消除分支內(nèi)力。
全文摘要
本發(fā)明公開一種冗余容錯式并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器。其特征是傳感器上平臺(1)和底座(7)之間安裝有七個以上(含七個)的檢測分支；每個檢測分支由上連桿(2)、檢測構(gòu)件(3)、調(diào)節(jié)螺桿(4)和下連桿(5)組成；上平臺(1)下側(cè)分布有斜凸臺，底座(7)上側(cè)分布有斜凸臺；每個檢測分支上的上連桿(2)和下連桿(5)分別通過球鉸或彈性球鉸與斜凸臺聯(lián)接，上連桿和下連桿的聯(lián)接法蘭與斜凸臺通過螺栓(6)聯(lián)接；調(diào)節(jié)螺桿(4)用于調(diào)整檢測分支長度。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、測量原理簡便、測量精度高、具有容錯能力，可應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天領(lǐng)域等多種需要高可靠性六維力測量的場合。
文檔編號G01L5/16GK102052984SQ20101053552
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月4日
發(fā)明者姚建濤, 段艷賓, 王志軍, 趙永生 申請人:燕山大學(xué)