本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

六維加速度傳感器在類人機(jī)器人手腕關(guān)節(jié)、智能手機(jī)的姿態(tài)感應(yīng)、數(shù)碼相機(jī)防抖動(dòng)等應(yīng)用領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

在六維加速度傳感器的研究中，串并聯(lián)機(jī)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，而相對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更高的剛度、更高的負(fù)載能力、更高的準(zhǔn)確性。由于其獨(dú)特結(jié)構(gòu)和逆解簡單的特點(diǎn)，成功地解決了在較大量程或者大量程傳感器領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，在六維加速度傳感器研究中被廣泛應(yīng)用。

然而，并聯(lián)結(jié)構(gòu)有著其本身固有的缺陷，比如，并聯(lián)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，有限的上平臺(tái)工作空間以及奇異位姿的存在，這一切都在一定程度上影響了并聯(lián)式六維加速度傳感器的應(yīng)用推廣。由于并聯(lián)結(jié)構(gòu)在傳感器研究上的很多應(yīng)用具有無可替代的地位，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來消除或緩解并聯(lián)結(jié)構(gòu)自身缺陷所帶來的不利影響對于六維加速度傳感器的研究發(fā)展有著重要意義。

為了解決六維加速度傳感器在小量程領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，以及球鉸在小型傳感器上的應(yīng)用問題，亟需對小型的小量程六維加速度傳感器在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化。

針對球鉸設(shè)計(jì)的問題，傳統(tǒng)方式是采用熱脹冷縮裝入法裝配的球鉸，其主要特征在于采用半包圍式的球形外殼包圍在內(nèi)襯球體外部，從而限制球體在球殼內(nèi)部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)球鉸的空間連接作用，但對于球鉸的裝配問題考慮欠佳，這種半包圍式的球形鉸鏈目前普遍采用熱脹冷縮裝入法裝配，利用不同材料溫度膨脹系數(shù)不同，或同種材料在不同溫度下膨脹量不同的特點(diǎn)，利用高壓將球體壓入球殼內(nèi)部，冷卻至工作溫度后形成較好的配合。顯而易見的是，該類結(jié)構(gòu)對于裝配條件要求高，且裝配精度也有待提高。

為了避免熱脹冷縮裝入法帶來的一些問題，于永泗、余廣華等提出了一種將球鉸外部的緊固部分剖分成兩部分的思路，類似的還有唐曉強(qiáng)、汪勁松等提出的滑動(dòng)式球形鉸鏈結(jié)構(gòu)，主要采用沿球形體直徑所在平面將外部緊固體分為上、下兩個(gè)活法蘭盤，再在兩活法蘭盤之間裝入密封墊圈后用螺桿和螺母緊固。這類結(jié)構(gòu)雖然解決了目前普遍采用熱脹冷縮裝入法帶來的裝配復(fù)雜、裝配精度低的問題，但基于steward平臺(tái)的傳感器其彈性連接桿的兩端分別連接上、下平臺(tái)，兩端均需球鉸連接，采用上、下兩個(gè)活法蘭盤的結(jié)構(gòu)無疑增加了裝配過程的難度。且單個(gè)球鉸的緊固需要多個(gè)螺桿和螺母，基于steward平臺(tái)的傳感器有六個(gè)彈性連接桿共十二個(gè)球鉸，這無疑使得裝配所需的螺桿和螺母數(shù)量龐大，使得傳感器體積較大、重量較大、裝配繁冗，均不利于傳感器的小型化。

另一種應(yīng)用于精密機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域的球鉸，其中為代表的是李義提出的一種精密高剛度球形鉸鏈。這種結(jié)構(gòu)主要采用上下剖分式的球鉸外環(huán)、球鉸鎖緊外環(huán)來限制球軸轉(zhuǎn)動(dòng)空間，并采用保持架和滾動(dòng)鋼球等置于球軸和球鉸外環(huán)、球鉸鎖緊外環(huán)之間來保證球軸的轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、減低摩擦。這類結(jié)構(gòu)雖然解決由于柔性差帶來的安裝支撐應(yīng)力問題，和剛度低帶來的精度不穩(wěn)定性誤差問題，但由于采用了保持架和滾動(dòng)鋼球結(jié)構(gòu)，使得裝配過程極其復(fù)雜，同時(shí)大幅度增加了加工和裝配成本，也不利于球鉸的小型化、通用化使用。

steward平臺(tái)分支在理論上僅承受拉壓力，實(shí)際上由于柔性鉸鏈或者球鉸裝配問題會(huì)給基于steward平臺(tái)的傳感器分支帶來不可避免的彎矩和扭矩，產(chǎn)生的誤差影響傳感器測量精度，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的大剛度小輸出也會(huì)影響傳感器測量精度。因此分支結(jié)構(gòu)目前的研究或者采用柔性鉸鏈代替球鉸將steward平臺(tái)式傳感器小型化，但是彈性單元會(huì)因?yàn)閺澗睾团ぞ刈饔卯a(chǎn)生形變誤差影響測量結(jié)果，或者在彈性單元設(shè)計(jì)上解決了并聯(lián)機(jī)構(gòu)大剛度小輸出問題，沒有考慮彎矩和扭矩的影響，或者采用傳統(tǒng)球鉸減小彎矩和扭矩將steward平臺(tái)用于較大體積且大量程傳感器，但小型化、小量程steward平臺(tái)式傳感器分支結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需進(jìn)一步完善。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明提供一種基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，用于解決現(xiàn)有傳感器分支結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜化以及應(yīng)變輸出低和抗干擾差等的問題，能夠提高傳感器的靈敏度和測量精度。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，包括球鉸和彈性單元，所述球鉸包括球頭、球桿和鉸座，所述球桿的兩端分別連接有所述球頭，所述鉸座內(nèi)設(shè)有與所述球頭配合的球頭孔，所述鉸座包括第一殼體和第二殼體，所述第一殼體和第二殼體通過卡合結(jié)構(gòu)連接；所述球桿上還設(shè)有所述彈性單元，所述彈性單元包括設(shè)于所述球桿上的半圓球殼體，所述半圓球殼體的底面設(shè)有四個(gè)彈性梁，四個(gè)所述彈性梁拼接成十字梁彈性件，所述十字梁彈性件的中心、所述半圓球殼體的軸線均與所述球桿的軸線重合，四個(gè)所述彈性梁上均設(shè)有應(yīng)變貼片，四個(gè)所述應(yīng)變貼片相對于所述球桿的軸線對稱布置。

其中，所述卡合結(jié)構(gòu)具體設(shè)置為，所述第一殼體的配合面設(shè)有凸起，所述第二殼體的配合面設(shè)有與所述凸起配合的凹槽。

其中，所述第一殼體的配合面對稱設(shè)置所述凸起，所述第二殼體的配合面對稱設(shè)置與所述凸起配合的凹槽。

其中，所述球頭孔由內(nèi)側(cè)的球形孔和外側(cè)的圓錐孔組合而成，且所述球形孔的球心、所述圓錐孔的軸線均位于所述球頭的軸線上。

其中，所述半圓球殼體的底面位于所述球桿的1/2長度位置處。

其中，所述球頭上設(shè)有與所述球桿配合的內(nèi)孔，且所述內(nèi)孔的軸線穿過所述球頭的球心。

其中，所述內(nèi)孔為螺紋孔，所述球桿的兩端均設(shè)有與螺紋孔的內(nèi)螺紋配合的外螺紋。

其中，所述鉸座的外表面設(shè)有外螺紋。

其中，所述鉸座為圓柱體結(jié)構(gòu)。

其中，所述彈性梁為金屬膜片。

(三)有益效果

本發(fā)明提供的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，相比于現(xiàn)有技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1、本發(fā)明的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，不僅能夠保證結(jié)構(gòu)的簡單化、小型化，還能夠保證彈性單元的高應(yīng)變輸出，提高靈敏度和測量精度；

2、本發(fā)明基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，第一殼體和第二殼體通過卡合結(jié)構(gòu)連接，保證結(jié)構(gòu)小型化的同時(shí)，能夠解決球鉸在裝入上、下平臺(tái)過程中兩殼體徑向定位和沿軸線方向上相互錯(cuò)動(dòng)的問題；

3、本發(fā)明基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，彈性單元具有十字對稱分布的特點(diǎn)，輸出信號較大且能夠有效抵消干擾誤差影響，提高測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明提供的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)的爆炸圖；

圖3為本發(fā)明提供的第一殼體的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明提供的第二殼體的結(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明提供的球頭孔的結(jié)構(gòu)圖；

圖中，1：球頭；2：球桿；3：鉸座；31：第一殼體；32：第二殼體；4：球頭孔；41：球形孔；42：圓錐孔；5：凸起；6：凹槽；7：半圓球殼體；8：彈性梁；9：應(yīng)變貼片；10：內(nèi)孔。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

本發(fā)明提供一種基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，用于解決現(xiàn)有傳感器分支結(jié)構(gòu)大型化、復(fù)雜化以及應(yīng)變輸出低等的問題，能夠提高傳感器的靈敏度和測量精度。

如圖1-4所示，本發(fā)明實(shí)施例中提供一種基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，包括球鉸和彈性單元，球鉸包括球頭1、球桿2和鉸座3，球桿2的兩端分別連接有球頭1，球頭1與鉸座3內(nèi)的球頭孔4配合，可以理解的是，為了實(shí)現(xiàn)球鉸的作用，球頭1能夠在鉸座3內(nèi)的球頭孔4內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其中，鉸座3包括第一殼體31和第二殼體32，且第一殼體31和第二殼體32之間通過卡合結(jié)構(gòu)連接，具體的，第一殼體31的配合面上設(shè)有凸起5，第二殼體32的配合面上設(shè)有與凸起5配合的凹槽6，凸起5與凹槽6的配合連接實(shí)現(xiàn)第一殼體31和第二殼體32的裝配，從而組裝成鉸座3；可以理解的是，第一殼體31和第二殼體32上均設(shè)有孔，且第一殼體31的孔和第二殼體32的孔能夠在第一殼體和第二殼體拼合后拼合成球頭孔4；球桿2上還設(shè)有彈性單元，彈性單元包括設(shè)于球桿2上的半圓球殼體7，半圓球殼體7的底面上設(shè)有四個(gè)彈性梁8，四個(gè)彈性梁8拼接成十字梁彈性件，十字梁彈性件的中心、半圓球殼體7的軸線均與球桿2的軸線重合，四個(gè)彈性梁8上均設(shè)有應(yīng)變貼片9，且四個(gè)應(yīng)變貼片9相對于球桿2的軸線對稱布置?？梢岳斫獾氖?，第一殼體31和第二殼體32為左右兩個(gè)半殼體，球桿2一端連接有一個(gè)球頭1，另一端穿過十字梁彈性件和半圓球殼體7再連接一個(gè)球頭1。

本發(fā)明的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，考慮到球頭不易裝配的問題，其球鉸為由左右兩個(gè)半殼體和球頭共同組成，解決了目前經(jīng)常采用的熱脹冷縮裝入法帶來的裝配精度差的問題；可以允許其中的球頭在球頭孔的范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，只要球桿長度滿足傳感器結(jié)構(gòu)要求，所述球鉸可以裝配到多種傳感器結(jié)構(gòu)中，故應(yīng)用場合廣；第一殼體、第二殼體具有相配合的凸起凹槽結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)了球鉸結(jié)構(gòu)的小型化，而且解決了球鉸在裝入上、下平臺(tái)過程中兩半殼體徑向定位和沿軸線方向上相互錯(cuò)動(dòng)的問題；本發(fā)明所述的球鉸較為簡單，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)球鉸小型化、滿足小量程傳感器結(jié)構(gòu)要求，而且加工和裝配難度低，能夠達(dá)到較高的加工和裝配精度。

本發(fā)明的彈性單元具有在四個(gè)方向?qū)ΨQ分布的特點(diǎn)，應(yīng)變貼片粘貼在彈性單元的四個(gè)十字對稱分布的彈性梁的上表面，極易組成wheatstone全電橋電路，輸出信號較大且能夠有效抵消干擾誤差影響，提高測量精度。

可以理解的是，彈性梁的上、下表面均為平面，粘貼應(yīng)變貼片時(shí)采用全平面粘貼方法，操作方便，保證了后續(xù)粘貼應(yīng)變貼片、接線等過程的精度，對提高傳感器整體精度大有裨益。

由以上可知，本發(fā)明的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，既保證了結(jié)構(gòu)的小型化、通用化又保證彈性單元的高輸出應(yīng)變比，能夠適應(yīng)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和數(shù)碼產(chǎn)品功能不斷的升級，而對傳感器在結(jié)構(gòu)小型化和靈敏度等多方面同時(shí)達(dá)到極致的越來越苛刻的要求。

具體的，如圖3、4所示，第一殼體31、第二殼體32呈對稱分布，即為左半殼體和右半殼體，且左半殼體和右半殼體組裝后的外在形狀為圓柱形。可以理解的是，左半殼體和右半殼體，其中一個(gè)半殼體的配合面上設(shè)有凸起5，另一個(gè)半殼體的配合面上設(shè)有凹槽6，且該凹槽6能與凸起5卡合，實(shí)現(xiàn)兩半殼體的裝配。更進(jìn)一步的，本實(shí)施例中，一個(gè)半殼體的配合面上的兩側(cè)均設(shè)有凸起5，且兩個(gè)凸起5沿圓柱形的鉸座的軸線方向?qū)ΨQ設(shè)置，而為了與凸起5實(shí)現(xiàn)卡合，另一半殼體的配合面的兩側(cè)設(shè)有凹槽6，且兩個(gè)凹槽6沿外表面為圓柱形的鉸座3的軸線方向?qū)ΨQ設(shè)置。

可以理解的是，第一殼體31內(nèi)側(cè)配合面上的凸起5寬3mm、厚3mm、長6mm，第二殼體32內(nèi)側(cè)配合面上的凹槽6寬3mm、厚3mm、長6mm，凸起5、凹槽6距兩半殼體的上下端面的距離均為4mm，通過凸起5和凹槽6的卡合，第一殼體31、第二殼體32二者裝配形成鉸座3。

本實(shí)施例中，為保證十字梁彈性件的彈性作用，每個(gè)彈性梁8均采用金屬膜片。具體的，十字梁彈性件為位于同一平面的四個(gè)完全相同的金屬膜片拼接而成，四個(gè)金屬膜片兩兩均成90°十字對稱分布，四個(gè)金屬膜片的一端沿球桿2圓周中心對稱布置，且十字梁彈性件的幾何中心經(jīng)過球桿2的軸線，四個(gè)金屬膜片的另一端沿半圓球殼體7內(nèi)球面中心對稱布置，金屬膜片的上表面與半圓球殼體7的底面重合，四個(gè)十字對稱分布的每個(gè)金屬膜片的上表面均粘貼有應(yīng)變貼片9，且四個(gè)應(yīng)變貼片9距離球桿2的軸線距離相等，即四個(gè)應(yīng)變貼片9相對于球桿2軸線對稱布置。

本實(shí)施例中，半圓球殼體7為一中部中空，厚度為h、直徑為d的半圓形球殼，該半圓球殼體7的底面垂直于球桿2的軸線，且半圓球殼體7的底面位于球桿2的1/2長度位置處。

本實(shí)施例中，如圖5所示，球頭孔4由內(nèi)側(cè)的球形孔41和外側(cè)的圓錐孔42組合而成，球形孔41靠內(nèi)設(shè)置，圓錐孔42靠外設(shè)置，即針對圖1中上面的球頭1，球形孔在上，圓錐孔在下，且球形孔41的球心和圓錐孔42的軸線均位于外表面為圓柱形的鉸座3的軸線上，且圓錐孔42的底面圓心位于鉸座3底面的幾何中心處。具體的，球頭孔4為一直徑8mm的球形孔41和一角度34°的圓錐孔42的組合形狀。本發(fā)明的基于steward平臺(tái)的傳感器分支結(jié)構(gòu)，球鉸裝配完成后，隨著球桿2的運(yùn)動(dòng)，球頭1能夠在圓錐孔42的限制范圍內(nèi)內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，只要球桿長度滿足傳感器結(jié)構(gòu)的要求，該球鉸就能夠適應(yīng)多種傳感器結(jié)構(gòu)，應(yīng)用場合廣。

本實(shí)施例中，為了實(shí)現(xiàn)球與球頭1的連接，球頭1內(nèi)設(shè)有設(shè)有與球桿2配合的內(nèi)孔10，且該內(nèi)孔10的軸線穿過所述球頭的球心。更進(jìn)一步的，球頭內(nèi)的內(nèi)孔10為一螺紋孔，球桿2的兩端均設(shè)有外螺紋，且該外螺紋與球頭1上的螺紋孔配合連接。

可以理解的是，為了保證鉸座3與所需工件的連接，鉸座3的外表面設(shè)有外螺紋，即本發(fā)明的第一殼體31、第二殼體32均設(shè)有外螺紋，且裝配后的鉸座3的外表面形成有完整的外螺紋，以此能夠方便的將球鉸裝入上、下平臺(tái)相應(yīng)的螺紋孔中，或方便的裝入其他帶有相配合螺紋的傳感器結(jié)構(gòu)中。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。