一种刚柔混合三维力感知机构的制作方法

本发明属于传感器领域，涉及有关空间三维力传感器装置，特别是兼具刚性和柔性的三维力感知机构。

背景技术：

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静态和动态受力情况，在工业生产、康复医疗及航空航天等领域应用广泛。近年来，对该领域的研究取得了部分成果，如并联式解耦结构三维力传感器，三维力测量装置等等。在传感器测量三维动态力的研究领域，中国专利cn201010236908.4中公开了一种并联式解耦结构三维力传感器，通过在力敏感元件处粘贴应变片或连以标准单维力传感器等方式实现力信号检测；中国专利cn203216659u中公开了一种三维力测量装置，实现三维力的静态测量、动态同步测量，同时测量直角坐标系中相互垂直的三个分力及任意方向的合力。以上专利虽都实现了三维力测量，但在传感器应用过程中，传感器本身是不可以发生变形的。随着传感器在机器人、医疗康复和生物力学等领域的推广应用，对能够产生变形的多维力传感器的需求也在不断增加，即要求传感器不仅能够实现三维力测量，同时还需兼具变形的能力。

在可变形传感器研究领域，中国专利cn201520891419.0中公开了一种配有弧形面接触触头的横向变形传感器，可测定岩石单轴压缩实验横向变形量，但不能对三维力进行感知测量，且测定对象仅适用于实验室力学性质待测的岩石试件；中国专利cn101925793a中公开了一种具有柔性的变形传感器，由非水系高分子固体电解质和至少一对电极构成薄片，可检测出变形位置和压力分布，但仅局限于感应三维空间的位移和位置以及二维平面上的压力分布，且精确测量环境也只限于干燥条件下。中国专利cn201010236908.4中公开的并联式解耦结构三维力传感器，各维力间相互无耦合。以上传感器专利虽可以发生变形，但不能保持传感器的输入输出间映射关系保持不变。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以测量三维力，在测量时可产生变形，且在变形的过程中其输入输出的映射关系始终保持恒定不变的刚柔混合的三维力感知机构。

本机构主要包括上平台，下平台和连接上、下平台的三条可变形测力分支。下平台为固定平台，其边缘附近设有三个呈等边三角形分布的等高边缘支撑柱，其内侧支撑面与竖直面夹角在0-90°之间(不包括90°)，平台中心设有一中心支撑柱，最好该中心支撑柱有三个支撑面，三对平行导轨设在三个边缘支撑柱与中心支撑柱之间,它们各与一条可变形测力分支相连，以便对其进行支撑。所述三条测力分支由传感器组件、第一移动副，第一转动副，第二转动副和第一万向绞组成。在两平行导轨间设有传感器组件，其主要包括：传感器、传感器连接件、传感器固定连接架、传感器固定支撑架、导轨连接架和弹簧。其中，传感器为拉压式单维力传感器，该传感器与一个两侧带有套环的连接件通过锁紧螺钉相连，该传感器连接件的两套环分别套在两导轨上。传感器朝向中心支撑柱的一侧设有传感器固定支撑架，其中部的螺杆与传感器内螺孔相啮合并穿过传感器内螺孔，端部和传感器另一侧的传感器固定连接架一端中部的内螺孔螺纹连接。在该传感器固定连接架另一侧与导轨连接架之间设有两根套在导轨上的弹簧，该两根弹簧与传感器固定连接架和导轨连接架两侧通孔同轴线；传感器固定支撑架与导轨连接架之间也设有两根套在导轨上的弹簧，该两根弹簧与传感器固定支撑架和导轨连接架两侧通孔同轴线。所述传感器连接件、传感器固定连接架、传感器固定支撑架、导轨连接架和弹簧构成第一移动副，它们沿导轨做区域直线运动。该传感器组件两端的两个导轨连接架与两者之间的部件一起置于分支连接支撑杆下叉之间，并且下叉上的两个通孔分别与导轨连接架中部的通孔相对应，两者构成第一转动副.分支连接支撑杆上端与连杆一端构成第二转动副，连杆另一端与上平台之间由第一万向铰连接。所述三个第一万向铰各自中心点的连线构成一个正三角形。每条分支上第一移动副、第一转动副、第二转动副的中心轴线相互平行。

本发明在具体使用时，弹簧用来传递上平台承重后通过可变形测力分支传递的三维力，并最终传递给每条分支的单个拉压式单维力传感器。之后传感器实时检测出三条分支在导轨方向上的输出信号，再采用并联机构学映射算法即可求出三维力的大小与方向。通过这三条可变形测力分支，实现了空间三维力感知与测量。在测量过程中，各分支的运动副组成和布置形式决定了该感知机构输入输出间的映射关系始终保持不变。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明不仅可以在三维力感知测量过程中能够产生变形，且在变形的过程中，由于该感知机构的特殊结构设计，使得该三维力感知机构其输入、输出间的映射关系始终保持恒定不变，因此可以便捷地感知与测量动态变形条件下的空间三维力信息。

2、本感知机构的三条可变形测力分支对称分布在固定平台上，每条分支两平行导轨间布置有一个拉压式单维力传感器，具有结构简单、对称，制造方便，便于系列化生产等优势。

附图说明

图1是本发明立体示意图。

图2是本发明测力分支立体示意图。

图3是本发明测力分支传感器组件剖面示意简图。

图中：1.下平台，2.上平台，3.边缘支撑柱，4.导轨连接架，5.弹簧，6.传感器固定连接架，7.传感器固定支撑架，8.第一移动副，9.导轨，10.中心支撑柱，11.拉压式单维力传感器，12.第一转动副，13.分支连接支撑杆，14.第二转动副，15.连杆，16.第一万向绞，17.锁紧螺钉，18.传感器连接件。

具体实施方式

在图1所示的刚柔混合三维力感知机构的立体示意图中，本机构主要包括上平台2，下平台1和连接上、下平台的三条可变形测力分支。下平台为固定平台，其边缘附近设有三个呈等边三角形分布的等高边缘支撑柱，其内侧支撑面与竖直面可为15°，平台中心设有一中心支撑柱10，三对平行导轨9设在三个边缘支撑柱3与中心支撑柱之间,它们各与一条可变形测力分支相连。所述三条测力分支由传感器组件、第一移动副8，第一转动副12，第二转动副14和第一万向绞16组成，如图2所示。在两平行导轨间设有传感器组件，其主要包括：传感器、传感器连接件18、传感器固定连接架6、传感器固定支撑架7、导轨连接架4和弹簧5。其中，传感器为拉压式单维力传感器11，该传感器与一个两侧带有套环的传感器连接件通过锁紧螺钉相连，该传感器连接件的两套环分别套在两导轨上。传感器朝向中心支撑柱的一侧设有传感器固定支撑架7，其中部的螺杆与传感器内螺孔相啮合并穿过传感器内螺孔，端部和传感器另一侧的传感器固定连接架6一端中部的内螺孔螺纹连接，如图3所示。在该传感器固定连接架另一侧与导轨连接架4之间设有两根套在导轨上的弹簧，该两根弹簧与传感器固定连接架和导轨连接架两侧通孔同轴线；传感器固定支撑架7与导轨连接架4之间也设有两根套在导轨上的弹簧，该两根弹簧与传感器固定支撑架和导轨连接架两侧通孔同轴线。所述传感器连接件、传感器固定连接架6、传感器固定支撑架7、导轨连接架4和弹簧5构成第一移动副8，它们沿导轨做区域直线运动。该传感器组件两端的两个导轨连接架与两者之间的部件一起置于分支连接支撑杆下叉之间，并且下叉上的两个通孔分别与导轨连接架中部的通孔相对应，两者构成第一转动副12.分支连接支撑杆13上端与连杆15一端构成第二转动副14，连杆另一端与上平台2之间由第一万向绞16连接。所述三个第一万向铰各自中心点的连线构成一个正三角形。每条分支上第一移动副、第一转动副、第二转动副的中心轴线相互平行。