專利名稱：并聯(lián)6－upur六維測力平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺。
背景技術(shù)：
測量六維力的關(guān)鍵是要將力的六個分量轉(zhuǎn)化成六路電信號輸出。為此人們設(shè)計出了許多種結(jié)構(gòu)的六維力傳感器敏感元件，例如三垂直筋結(jié)構(gòu)、筒形結(jié)構(gòu)、雙環(huán)形結(jié)構(gòu)、四垂直筋結(jié)構(gòu)、十字結(jié)構(gòu)、非徑向三梁結(jié)構(gòu)和八垂直筋結(jié)構(gòu)等。這些傳感器結(jié)構(gòu)各具特點，但大多存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度低、應(yīng)變靈敏度低、解耦難等不同方面的問題。因此，國內(nèi)外一些學(xué)者已將并聯(lián)結(jié)構(gòu)引入到六維力傳感器力敏元件結(jié)構(gòu)的設(shè)計中。與其它結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)Stewart平臺六維力傳感器結(jié)構(gòu)可以將作用于受力平臺的六維力映射到六個SPS分支上(S-球鉸，P-移動副)，并且每個分支理論上僅承受單一的拉壓載荷，消除了拉彎扭耦合的問題。Stewart平臺六維力傳感器結(jié)構(gòu)的又一個優(yōu)點是既可以通過采用柔性鉸鏈而制造的很小，又可以采用普通球形鉸鏈的裝配結(jié)構(gòu)制造成大測力范圍、大量程的大型六維力傳感器。但通過標(biāo)定實驗發(fā)現(xiàn)基于Stewart平臺機(jī)構(gòu)采用普通球形鉸鏈裝配結(jié)構(gòu)制造成的大測力范圍、大量程六維力傳感器精度較差，難以達(dá)到高精度檢測的要求。導(dǎo)致精度低的主要原因之一是球形鉸鏈內(nèi)存在間隙和摩擦。為了消除普通球形鉸鏈內(nèi)間隙和摩擦的影響，人們已提出了一種基于彈性球鉸的Stewart平臺型六維力傳感器的解決方案，例如中國專利ZL99102421.4公開的專利技術(shù)，其原理是用彈性良好金屬棒的局部細(xì)脖代替普通球鉸，由細(xì)脖處產(chǎn)生的彈性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形近似代替球鉸的三維轉(zhuǎn)動。目前這種結(jié)構(gòu)已被開發(fā)成機(jī)器人手指用六維力傳感器和六維力鼠標(biāo)。但由于彈性球鉸難以承受大的載荷，因而在開發(fā)大量程六維力傳感器時受到了限制。另外，一種具有中間預(yù)緊分支的6-SPS六維力傳感器結(jié)構(gòu)也已被提出中國專利ZL99102526.1公開，這種結(jié)構(gòu)通過中間分支預(yù)緊，可消除過零誤差，但存在預(yù)緊力儒變等問題。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中彈性球鉸難以承受較大載荷和存在的預(yù)緊力儒變等不足，本發(fā)明提供一種并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，該發(fā)明采用單自由度柔性轉(zhuǎn)動鉸鏈和一維高精度線性傳感器(或應(yīng)變片)通過裝配構(gòu)成六維力檢測平臺，這種平臺結(jié)構(gòu)既可消除普通球鉸存在的間隙和摩擦，又能承受大的載荷，能夠滿足大量程的需要。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺由基礎(chǔ)平臺、加載平臺和六個一維測力分支連接而成，一維測力分支通過下固定螺母和上固定螺母與基礎(chǔ)平臺和加載平臺連接，基礎(chǔ)平臺為上臺面和下臺面兩部分，加載罩通過螺桿與加載平臺連接，基礎(chǔ)平臺、加載平臺和六個一維測力分支構(gòu)成了空間6-UPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)；加載平臺中心有一個連接孔，周邊有三組六個連接耳，每組連接耳之間的夾角為120°，連接耳上加工一個與一維測力分支連接的孔，六個連接耳與中心圓盤形成六個柔性轉(zhuǎn)動副；基礎(chǔ)平臺的上臺面也可加工六個連接耳；一維測力分支有以下兩種結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)是一維測力分支由下柔性萬向鉸鏈、下鎖緊螺母、一維力傳感器、下鎖緊螺母、連接桿、上調(diào)整鎖緊螺母、雙向反螺紋調(diào)整螺母、上調(diào)整鎖緊螺母和上柔性萬向鉸鏈連接而成，調(diào)整螺母兩端分別加工有左旋螺紋和右旋螺紋；下柔性萬向鉸鏈和上柔性萬向鉸鏈的外形為長方體，在其相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，兩組切槽使長方體成為軸線垂直相交的柔性轉(zhuǎn)動副；第二種結(jié)構(gòu)是一維測力分支為一次加工成型的一體式一維測力分支，其中部為長方體結(jié)構(gòu)，兩端有螺桿用于與基礎(chǔ)平臺和加載平臺連接；長方體結(jié)構(gòu)靠近螺桿兩端相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，長方體結(jié)構(gòu)的中部貼有應(yīng)變片用于輸出拉壓載荷，一維測力分支由彈性材料加工而成；一維測力分支可用一維線性微驅(qū)動分支所代替，使測力平臺成為六維精密定位平臺；所述一維線性微驅(qū)動分支的中部為長方體結(jié)構(gòu)，兩端的螺桿用于與基礎(chǔ)平臺和加載平臺連接；長方體結(jié)構(gòu)靠近螺桿兩端相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，長方體結(jié)構(gòu)的中部加工有上、下凸臺的腔體，上、下凸臺之間安裝壓電陶瓷直線驅(qū)動器，使一維測力分支變成一維驅(qū)動分支，使六維測力平臺成為六維精密定位平臺。
加載罩可制成球冠狀、圓筒狀和平板狀，也可制成操作手柄。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于新型6-UPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原理，實現(xiàn)了六維力向六個分支上的分解，特別是通過將六個柔性轉(zhuǎn)動副設(shè)計在加載平臺上和在分支內(nèi)采用柔性萬向鉸鏈的結(jié)構(gòu)方案，獲得了一種簡單的、全部由單自由度柔性轉(zhuǎn)動副(萬向鉸鏈相當(dāng)于兩個轉(zhuǎn)動副)構(gòu)成并聯(lián)式六維測力平臺結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有加工方便、結(jié)構(gòu)簡單、易于分析建模、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性廣等優(yōu)點。


圖1為并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺的主視圖；圖2為裝配式一維測力分支結(jié)構(gòu)圖；圖3為一體式一維測力分支結(jié)構(gòu)圖；圖4為加載平臺結(jié)構(gòu)圖；圖5為一維微驅(qū)動分支結(jié)構(gòu)圖；圖6為并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺的軸測圖；圖7為整體分支并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺拆去加載罩的軸測圖；圖8為并聯(lián)6-UPUR六維精密定位平臺的軸測圖。
在圖1-圖5中，1.基礎(chǔ)平臺，2.下固定螺母，3.下柔性萬向鉸鏈，4.鎖緊螺母，5.一維力傳感器，6.鎖緊螺母，7.連接桿，8.鎖緊螺母，9.調(diào)整螺母，10.鎖緊螺母，11.上柔性萬向鉸鏈，12.上固定螺母，13.加載平臺，14.加載罩，15.螺母，16.一體式一維測力分支，17.應(yīng)變片，18.連接耳，19.柔性鉸鏈伸縮機(jī)構(gòu)，20.壓電陶瓷直線驅(qū)動器。
具體實施例方式
實施例1圖1是本發(fā)明公開的一個實施例。裝配式一維測力分支通過下固定螺母2和上固定螺母12與基礎(chǔ)平臺1和加載平臺13連接。基礎(chǔ)平臺1為上臺面和下臺面兩部分，加載罩14通過螺母15與加載平臺13連接?；A(chǔ)平臺1、加載平臺13和六個裝配式一維測力分支構(gòu)成了空間6-UPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)。加載平臺13的中心加工一個連接孔，周邊有三組六個連接耳18，每組連接耳18之間的夾角為120°，連接耳18上加工一個孔，基礎(chǔ)平臺1的臺面上也可加工六個連接耳18。裝配式一維測力分支由下柔性萬向鉸鏈3、下鎖緊螺母4、一維力傳感器5、下鎖緊螺母6、連接桿7、上調(diào)整鎖緊螺母8、雙向反螺紋調(diào)整螺母9、上調(diào)整鎖緊螺母10和上柔性萬向鉸鏈11連接而成，鎖緊螺母4、6、8和10用于螺紋連接后的鎖緊，防止測力時螺紋松動。下柔性萬向鉸鏈3和上柔性萬向鉸鏈11的外形為長方體，在其相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，兩組切槽使長方體成為軸線垂直相交的柔性轉(zhuǎn)動副。傳感器5為一維拉壓力傳感器，連接桿7用于連接傳感器5與調(diào)整螺母9，調(diào)整螺母9兩端分別加工有左旋螺紋和右旋螺紋，轉(zhuǎn)動調(diào)整螺母9測力分支將縮短或伸長，其作用為各測力分支傳感器調(diào)零。加載平臺13用具有良好彈性的材料加工而成，其六個連接耳18與中心圓盤構(gòu)成了六個柔性轉(zhuǎn)動副。加載罩14可根據(jù)測力需要制成各種形狀，如球冠狀、圓筒狀和平板狀，也可是操作手柄。
實施例2圖3為本發(fā)明的第二種實施例，一維測力分支為一體式一維測力分支16，是一次加工成型的，它的中部為長方體結(jié)構(gòu)，兩端有螺桿用于與基礎(chǔ)平臺1和加載平臺13連接；長方體結(jié)構(gòu)靠近螺桿兩端相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，長方體結(jié)構(gòu)的中部貼有應(yīng)變片17作為力敏感元件。一體式一維測力分支通過下固定螺母2和上固定螺母12與基礎(chǔ)平臺1和加載平臺13連接。
實施例3圖5為微驅(qū)動分支示意圖。一維測力分支可用一維線性微驅(qū)動分支19所代替，所述一維線性微驅(qū)動分支19，其中部為長方體結(jié)構(gòu)，兩端的螺桿用于與基礎(chǔ)平臺1和加載平臺13連接；長方體靠近螺桿兩端相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，長方體結(jié)構(gòu)的中部加工有上、下凸臺的腔體，上、下凸臺間安裝壓電陶瓷直線驅(qū)動器20，壓電陶瓷直線驅(qū)動器通電后伸長，從而實現(xiàn)分支的伸長。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，由基礎(chǔ)平臺(1)、加載罩(14)和六個一維測力分支組成，其特征是一維測力分支通過下固定螺母(2)和上固定螺母(12)與基礎(chǔ)平臺(1)和加載平臺(13)連接，所述加載平臺(13)中心有一個連接孔，周邊有三組6個連接耳(18)；基礎(chǔ)平臺(1)為上臺面和下臺面兩部分，基礎(chǔ)平臺(1)的上臺面也可加工六個連接耳(18)；加載罩(14)通過螺母(15)與加載平臺(13)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，其特征是每組連接耳(18)之間的夾角為120°，連接耳(18)上加工一個與一維測力分支連接的孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，其特征是所述的一維測力分支由下柔性萬向鉸鏈(3)、下鎖緊螺母(4)、一維力傳感器(5)、下鎖緊螺母(6)、連接桿(7)、上調(diào)整鎖緊螺母(8)、雙向反螺紋調(diào)整螺母(9)、上調(diào)整鎖緊螺母(10)和上柔性萬向鉸鏈(11)連接而成，所述的下柔性萬向鉸鏈(3)和上柔性萬向鉸鏈(11)的外形為長方體，在其相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，兩組切槽使長方體成為軸線垂直相交的柔性轉(zhuǎn)動副。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，其特征是所述的調(diào)整螺母(9)兩端分別加工有左旋螺紋和右旋螺紋。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，其特征是所述一維測力分支為一次加工成型的一體式一維測力分支(16)，中部為長方體結(jié)構(gòu)，兩端有螺桿用于與基礎(chǔ)平臺(1)和加載平臺(13)連接；長方體結(jié)構(gòu)靠近螺桿兩端相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，長方體結(jié)構(gòu)的中部貼有應(yīng)變片(17)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，其特征是一維測力分支可用一維線性微驅(qū)動分支(19)所代替，所述一維線性微驅(qū)動分支(19)的中部為長方體結(jié)構(gòu)，兩端的螺桿用于與基礎(chǔ)平臺(1)和加載平臺(13)連接；長方體結(jié)構(gòu)靠近螺桿兩端相對的兩組側(cè)面上分別加工兩個切槽，兩個切槽夾角為60°～120°，長方體結(jié)構(gòu)的中部加工有上、下凸臺的腔體，在上、下凸臺間安裝壓電陶瓷直線驅(qū)動器(20)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并聯(lián)6-UPUR六維測力平臺，其特征是所述加載罩(14)可制成球冠狀、圓筒狀和平板狀，也可制成操作手柄。
全文摘要
本發(fā)明公開一種并聯(lián)6－UPUR六維測力平臺。其特征是一維測力分支通過下固定螺母(2)和上國定螺母(12)連接到基礎(chǔ)平臺(1)和加載平臺(13)上，基礎(chǔ)平臺(1)、加載平臺(13)和六個一維測力分支構(gòu)成了空間6－UPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)。一維測力分支有兩種結(jié)構(gòu)第一種為裝配式一維測力分支結(jié)構(gòu)；第二種結(jié)構(gòu)是整個分支為一體。本發(fā)明基于新型6－UPUR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的原理，實現(xiàn)了六維力向六個分支上的分解，特別是通過設(shè)計在加載平臺上的六個柔性轉(zhuǎn)動副和在分支內(nèi)采用柔性萬向鉸鏈的結(jié)構(gòu)方案，獲得了一種簡單的、全部由單自由度柔性轉(zhuǎn)動副構(gòu)成并聯(lián)式六維測力平臺結(jié)構(gòu)。一維測力分支可用一維線性微驅(qū)動分支代替，使六維測力平臺成為六維精密定位平臺。因此本發(fā)明具有加工方便、結(jié)構(gòu)簡單、易于分析建模、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性廣等優(yōu)點。
文檔編號G01L1/22GK1828248SQ20061001260
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月18日
發(fā)明者趙鐵石 申請人:燕山大學(xué)