專利名稱：輪輻式容錯(cuò)型并聯(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(cuò)能力的輪輻式容錯(cuò) 型并聯(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(shí)測量三個(gè)力分量和三個(gè)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(dòng)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)，雙E型膜片結(jié) 構(gòu)等。以上所列舉的傳感器結(jié)構(gòu)，有一共同特點(diǎn)，就是應(yīng)變橋的輸出信號與每個(gè)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(shí)確定應(yīng)變片不同的貼片方式達(dá)到 從理論上消除各個(gè)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)?；贛ewart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(dòng)，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(gè)彈 性體分為三組，每組兩個(gè)分別沿三個(gè)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(tái)，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(gè)共同的不足就是其僅有六個(gè)分支，為靜定結(jié)構(gòu)， 其任一分支發(fā)生故障，均會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無法準(zhǔn)確測量六維外力，即傳感器不具備容錯(cuò)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(shí)，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(gè)或多個(gè)部分發(fā)生故障或錯(cuò)誤 時(shí)，能夠自動(dòng)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(cuò)能力。此外，傳感器均采用上、下平臺(tái)結(jié)構(gòu)，不方便做成薄形結(jié)構(gòu)，高度尺寸都比較大，制約了在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。

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)明提供一種輪輻式容錯(cuò)式并聯(lián) 結(jié)構(gòu)六維力傳感器，該傳感器能夠檢測三維空間的力與力矩，其具有剛度大、可靠性高、容 錯(cuò)性能好和結(jié)構(gòu)尺寸方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是該傳感器由測力圓環(huán)、固定圓環(huán)以 及六個(gè)以上檢測分支構(gòu)成，測力圓環(huán)和固定圓環(huán)之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支，每個(gè)檢 測分支的中部貼有應(yīng)變片，檢測分支兩端通過彈性球鉸與測力圓環(huán)和固定圓環(huán)相聯(lián)接。測 力圓環(huán)或固定圓環(huán)可根據(jù)不同的應(yīng)用場合，在其內(nèi)表面或外表面加工螺紋，以方便于外界 載荷相連接。通過加入冗余分支提高了整體剛度，并且當(dāng)某個(gè)檢測分支測量失效時(shí)，傳感器 仍能對外力進(jìn)行精確的測量，使得傳感器具有容錯(cuò)能力。同時(shí)，將上、下平臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)為內(nèi)、 外環(huán)使得傳感器更方便與外界連接，且其結(jié)構(gòu)尺寸也更加適合多種應(yīng)用場合。本發(fā)明的有益效果是該傳感器的分支數(shù)目多于六個(gè)，使得該傳感器中的一個(gè)或 多個(gè)分支發(fā)生故障或錯(cuò)誤時(shí)，其能夠通過軟件自動(dòng)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)，即具有容錯(cuò)功能。具有冗余容錯(cuò)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(cuò)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。同時(shí)，內(nèi)、外環(huán)結(jié)構(gòu)使得傳感器方便做成薄形結(jié)構(gòu)，更方便與外界連接，解決了由 于上、下平臺(tái)結(jié)構(gòu)高度尺寸比較大限制了在某些領(lǐng)域的應(yīng)用的問題，其結(jié)構(gòu)也更加適合多 種應(yīng)用場合。


圖1是II-I型輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是I-II型輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是II-II型輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1、2、3中，1.固定圓環(huán)，2.彈性球鉸，3.檢測分支，4.測力圓環(huán)。
具體實(shí)施例方式圖1、2、3是本發(fā)明公開的三個(gè)實(shí)施例，其中圖1為II-I型結(jié)構(gòu)，圖2為I-II型結(jié) 構(gòu)，圖3為II-II型結(jié)構(gòu)。圖1中所述傳感器由固定圓環(huán)1、測力圓環(huán)4、彈性球鉸2和檢測分支3組成。固 定圓環(huán)1和測力圓環(huán)4之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支3，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變 片，檢測分支3兩端通過彈性球鉸2與固定圓環(huán)1和測力圓環(huán)4相聯(lián)接。檢測分支3與測 力圓環(huán)4相聯(lián)接的鉸點(diǎn)分布在兩個(gè)圓周上，檢測分支3與固定圓環(huán)1相聯(lián)接的鉸點(diǎn)分布在 一個(gè)圓周上。固定圓環(huán)1或測力圓環(huán)4可根據(jù)不同的應(yīng)用場合，在其內(nèi)表面或外表面加工 螺紋，以方便于外界載荷相連接。圖2中所述傳感器也由固定圓環(huán)1、測力圓環(huán)4、彈性球鉸2和檢測分支3組成。固 定圓環(huán)1和測力圓環(huán)4之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支3，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片，檢測分支3兩端通過彈性球鉸2與固定圓環(huán)1和測力圓環(huán)4相聯(lián)接。檢測分支3與測 力圓環(huán)4相聯(lián)接的鉸點(diǎn)分布在一個(gè)圓周上，檢測分支3與固定圓環(huán)1相聯(lián)接的鉸點(diǎn)分布在 兩個(gè)圓周上。圖3中所述傳感器由固定圓環(huán)1、測力圓環(huán)4、彈性球鉸2、和檢測分支3組成。固 定圓環(huán)1和測力圓環(huán)4之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支3，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變 片，檢測分支3兩端通過彈性球鉸2與固定圓環(huán)1和測力圓環(huán)4相聯(lián)接。檢測分支3與測 力圓環(huán)4相聯(lián)接的鉸點(diǎn)分布在兩個(gè)圓周上，檢測分支3與固定圓環(huán)1相聯(lián)接的鉸點(diǎn)分布在 一個(gè)圓周上。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)、汽車輪力測量等多種需要高可 靠性六維力測量的領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，其特征是傳感器為內(nèi)外環(huán)型結(jié)構(gòu)，固 定圓環(huán)(1)和測力圓環(huán)(4)之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支(3)，每個(gè)檢測分支的中部貼有 應(yīng)變片，檢測分支兩端通過彈性球鉸O)與固定圓環(huán)(1)和測力圓環(huán)(4)相聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，其特征是固定圓環(huán) ⑴和測力圓環(huán)⑷之間安裝有七個(gè)以上(含七個(gè))檢測分支。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器，其特征是檢測分支 (3)在固定圓環(huán)⑴和測力圓環(huán)⑷之間呈輪輻式結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種輪輻式容錯(cuò)型并聯(lián)結(jié)構(gòu)六維力傳感器。其特征是傳感器為內(nèi)外環(huán)型結(jié)構(gòu)，固定圓環(huán)(1)和測力圓環(huán)(4)之間安裝有六個(gè)以上的檢測分支(3)，每個(gè)檢測分支的中部貼有應(yīng)變片，檢測分支(3)兩端通過彈性球鉸(2)與固定圓環(huán)(1)和測力圓環(huán)(4)相聯(lián)接。該并聯(lián)結(jié)構(gòu)傳感器具有六個(gè)以上檢測分支，具有容錯(cuò)能力；該傳感器為一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、測量原理簡便，可應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天領(lǐng)域、汽車輪力測量等多種需要高可靠性六維力測量的場合。
文檔編號G01L3/00GK102087153SQ20101053551
公開日2011年6月8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, 王志軍, 趙永生 申請人:燕山大學(xué)