CN101907502B - 并联式解耦结构三维力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，涉及一种并联式解耦结构三维力传感器。该传感器由固定基座、测力平台和连接固定基座与测力平台的三个结构相同的分支组成，三个分支均由一个力敏感应元件和依次相连的三个转动副组成；力敏感应元件一端与固定基座固连，另一端则依次通过三个转动副与测力平台相连接；组成同一分支的三个转动副轴线相互平行，不同分支间转动副轴线在空间相互垂直；各分支力敏感应元件所检测力信号与该分支转动副轴线方向一致。本传感器能够感知空间三维力信息，结构对称、制造简单、维间解耦，由分离元件组装而成，便于实现系列化，可应用于机器人、航空航天以及体育运动等各种需要三维力测量的领域。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种并联式解耦结构三维力传感器，可用于测试空间三个相互垂直方向力分量信息。
背景技术
传感器在工业生产、国防建设和科学技术领域发挥着重要作用，传感器技术是现代信息技术的三大支柱之一。三维力传感器可用于监测方向和大小不断变化的空间三个相互垂直方向分力信息，是非常重要的一类传感器，广泛应用于精密装配、自动磨削、双手协调、零力示教等作业中，同时在机器人、航空、航天、汽车及体育运动测试等领域中也有重要的应用价值。
按测力原理，三维力传感器可分为电阻应变式、电容式、压电式(专利200610054314.5，刘俊等)和光电式等。在三维力传感器研究中，力敏感应元件的结构设计是其中的关键核心问题。力敏感应元件的结构将影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等最关键的因素，在很大程度上决定着传感器性能的优劣。目前，三维力传感器弹性体主要采用梁式结构(专利200510123188.X，吴仲城等；专利200610041133.9，吉爱红等；专利200810124424.3，王卫英等)、筒式结构(专利200610016178.0，刘波等)、框架式结构(专利98251146.9，王国泰等)，且多为整体式结构，在设计、计算及制造方面都较为复杂，各维力间耦合难于排除，精度较低。
并联机构以其结构紧凑、对称性好、刚度高、承载能力强、累积误差影响小、力映射关系简单明了等特点，特别适合于作为多维力传感器结构，如高峰的发明专利99102421.4、赵永生的发明专利99102526.1、200710061521.8、200710061531.1等，这些专利均为可检测空间全力信息的六维力与力矩传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种并联式三维力传感器，该三维力传感器为组合式结构，具有结构简单对称、加工容易、装配简便、维间解耦等特点，可用于空间三维力分量的检测，便于实现系列化。
此并联式解耦结构三维力传感器，包括固定基座、测力平台和连接固定基座与测力平台的三个分支，其特征在于：三个分支结构相同，均由一个力敏感应元件和依次相连的三个转动副组成；力敏感应元件一端与固定基座固连，另一端则依次串联三个转动副；测力平台与各分支均通过转动副相连接；组成同一分支的三个转动副轴线相互平行，不同分支间转动副轴线在空间相互垂直；可通过在力敏感应元件处粘贴应变片或连以标准单维力传感器的方式实现力信号的检测，各分支所检测力信号与该分支转动副轴线方向一致。
本发明的工作原理为：当测力平台受到三维力时，在不同维力的作用下，与固定基座固连的相应方向力敏感应元件将随之发生变形，各维间无耦合；力敏元件可选择应变式、压电式等，由检测电路获得各分支输出信号，而后采用并联机构学映射算法即可得到三维力大小和方向。
本发明与现有三维力传感器相比有如下优点：
1.本发明的三维力传感器结构简单、工作原理清晰、加工方便、经济可行；
2.本发明的三维力传感器为并联式结构，各分支运动副组成及布置形式决定了其各维力间相互无耦合；
3.本发明的三维力传感器由各分离元件组合而成，从微小型到大量程三维力检测均可由同一结构实现，便于形成系列化。
附图说明
图1为本发明并联式解耦结构三维力传感器示意图。
在图1中，标号1～14分别为1-固定基座，2-测力平台，3-转动副，4-转动副，5-转动副，6-力敏感应元件，7-转动副，8-转动副，9-转动副，10-力敏感应元件，11-转动副，12-转动副，13-转动副，14-力敏感应元件。
具体实施方式
并联式解耦结构三维力传感器(见图1)，包括固定基座1、测力平台2以及连接固定基座1和测力平台2的三个结构相同的分支，三个分支均由一个力敏感应元件和依次相连的三个转动副组成；各分支中力敏感应元件6、10、14一端与该分支的第一转动副3、7、11相连，另一端与固定基座1固连；各分支与测力平台2以分支中第三转动副5、9、13相连接；组成各分支的第一转动副3、7、11，第二转动副4、8、12及第三转动副5、9、13轴线相互平行，不同分支间转动副轴线相互垂直；可通过在力敏感应元件处粘贴应变片或连以标准单维力传感器的方式检测力信号，与固定基座1固连的力敏感应元件6、10、14所检测力信号与各自分支转动副轴线方向一致。
本发明的并联式解耦结构三维力传感器，具有结构对称、制造简单、维间解耦等特点，由分离元件组装而成，易于形成系列化，从微型传感器到大型的测试平台都可以用同样的结构实现，可应用于机器人、航空航天等各种需要三维力测量的领域。
Claims (2)
1.一种并联式解耦结构三维力传感器，包括固定基座(1)、测力平台(2)以及连接固定基座(1)和测力平台(2)的三个结构相同的分支，其特征在于：三个分支均由一个力敏感应元件和依次相连的三个转动副组成；各分支中力敏感应元件(6、10、14)一端与该分支的第一转动副(3、7、11)相连，另一端与固定基座(1)固连；各分支与测力平台(2)以分支中第三转动副(5、9、13)相连接；组成各分支的第一转动副(3、7、11)，第二转动副(4、8、12)及第三转动副(5、9、13)轴线相互平行，不同分支间转动副轴线相互垂直。
2.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于：与固定基座(1)固连的力敏感应元件(6、10、14)所检测力信号与各自分支转动副轴线方向一致，各维间无耦合，可通过在力敏感应元件处粘贴应变片或连以标准单维力传感器的方式实现力信号检测。
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