专利名称：3-spr并联解耦结构六维测力平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种力和力矩传感器及机器人领域，特别是涉及一种3-SPR 并联解耦结构六维测力平台。
技术背景测量六维力传感器不仅是机器人智能化的必要手段，也是许多工程、 机电、军事和医疗等装备智能化控制的主要环节。测量六维力的关键是要 将三个力分量和三个力矩分量转化成六路电信号输出。对此人们已研制出 多种结构的六维力传感器，诸如筒形结构，双环结构，三、四、八个垂 直筋结构，十字结构，非径向梁结构，T形杆结构等。这些传感器结构各具 特点，但大多难以将六维力影射成六个解耦测力信号，有些还存在刚度低、 应变灵敏度低、结构相对复杂等问题。用六自由度6-SPS并联机构，可以 将作用平台的六维力影射成六个沿SPS腿的解耦驱动力。基于6-SPS并联 机构，人们已设计或研制了多种六维测力平台，得到六个解耦测力信号输 出。为便于说明，用"("=3, 6)表示腿数，用S、 U、 P和R分别表示腿运 动链中的球铰、万向副、移动副和转动副，它们的组合表示腿运动链结构。 Ranganath， Dwarakanath和Kang等分别研制出不同形式的6-SPS并联六维 力传感器。相应的中国专利有六自由度力与力矩传感器(CN2165435Y)、 机器人用六维力与力矩传感器(CN2066134U)、并联解耦结构六维力与力 矩传感器(CN1267822)、 一种具有弹性铰链六维力与力矩传感器(CN1229915)、十二维力/加速度机器人腕传感器(CN1385677)、整体预 紧平台式六维力传感器(ZL99102526.1)和并联6-UPUR六维测力平台(CN1828248A)等不同结构形式的六维力传感器。由于这类六维测力平台 有六个测力腿和十二个球铰，所以结构相对复杂，制造难度较大，导致测 试精度降低。 发明内容为了克服现有技术存在的结构相对复杂、制造难度较大和测试精度降 低等不足，本发明提供一种3-SPR并联解耦结构六维测力平台，3-SPR并联机构构造六维测力平台，可以将作用平台的六维力影射到三个SPR型二 维测力腿上，得到彼此解耦的三个驱动力和三个约束力以及相应的六路电 信号输出。这种3-SPR并联解耦结构六维测力平台包括基座、三个球铰、三个结 构相同的二维测力腿、三个转动副和加载平台，每个二维测力腿通过球铰 和转动副与基座和加载平台联接。二维测力腿包括本体、第一调整螺钉、 第一传感器、第二调整螺钉和第二传感器。三个球铰的中心分别与基座正 三角形的三个顶点重合，三个转动副的轴线分别与加载平台的三个边重合。每个二维测力腿的本体由上架、中架、下架、四个结构相同的弹性臂 连接成一体，上架与转动副输入轴联接，下架与球铰输入轴连接。由上架 和两个弹性臂及中架构成一个弹性平行四边形结构，实现二维测力腿沿约 束力的变形。由中架和两个弹性臂及下架构成另一个弹性平行四边形结构， 实现二维测力腿沿驱动力的变形。由于每个弹性臂两端截面骤然减小，使 得每个弹性平行四边形结构垂直弹性臂的刚度远小于沿弹性臂的刚度，实 现了驱动力与约束力的解耦与测试。所述二维测力腿上安装两个传感器和两个螺钉。第一传感器固定在上 架上，其轴线平行于转动副轴线。第一调整螺钉与中架可调式联接，并预 先与第一传感器测头轴向接触。第二传感器固定在下架上，其轴线与过球 铰中心和转动副轴线且垂直于转动副的直线平行。第二调整螺钉与中架可 调式联接，并预先与第二传感器测头轴向接触。当六维力引起二维测力腿 的两个弹性平行四边形结构变形时，两个传感器将输出测力或位移信号。 调整螺钉的位置可以调整传感器的预压縮量，以便消除测力过零误差，克 服整体预紧平台式六维力传感器预紧儒变问题，避免因贴应变片工艺误差 造成的测试精度下降。本发明的有益效果是用三自由度3-SPR并联机构，可将作用其平台 的六维力影射成三个过球铰中心和转动副轴线且垂直于转动副的驱动力和 三个过球铰中心且平行转动副的约束力，且六个力彼此解耦。所以用3-SPR 并联机构构造六维测力平台，也可以将作用平台的六维力影射到三个测力 腿上，得到解耦的三个驱动力和三个约束力以及相应的六路电信号输出。由于这种测力平台仅有三个测力腿、三个转动副和三个球铰，故所得3-SPR 并联解耦结构六维测力平台具有测试力解耦、结构简单、易于制造、测试 精度高和刚度高等优点。
图1是3-SPR并联解耦结构六维测力平台； 图2是二维测力腿本体的结构主视图； 图3是二维测力腿本体结构的轴侧图。在图l、图2、图3中，l.基座，2.球铰，2-l.球铰输入轴，3二维测力 腿，3-1.上架，3-2.中架，3-3.下架;3-4、 3-5、 3-6、 3-7.弹性臂，4.转动副， 5.加载平台，6.第一调整螺钉，8.第二调整螺钉，7.第一传感器，9.第二传感 器°具体实施例图1是本发明公开的一个实施例，这种具有组装测力腿的3-SPR并联 解耦结构六维测力平台包括基座1、三个球铰2、三个组装式二维测力腿3、 三个转动副4和加载平台5。每个组装式二维测力腿3由球铰2和转动副4 分别与基座l和加载平台5联接。二维测力腿3的本体由上架3-l、中架3-2、 下架3-3和四个结构相同的弹性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)连接成一体；所 述上架3-1有一个光孔和一个螺纹孔，两个孔的轴线相互平行；所述中架 3-2有上、下两个轴线相互垂直的螺纹孔，其中上螺纹孔与上架3-l螺纹孔 的轴线共线；所述下架3-3有一个螺纹孔和一个与其平行的光 L，其中螺纹 孔与中架3-2下螺纹孔的轴线共线；上架3-1光孔与转动副4轴配合连接， 下架3-3光孔与球铰2输入轴配合联接；下架3-3光孔轴线与上架3-1光孔 轴线的中垂线重合；所述四个弹性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)共面，每个弹 性臂截面为矩形且两端截面骤然减小，弹性臂(3-4， 3-5)垂直于上架3-1 光孔的轴线，弹性臂(3-6， 3-7)平行于上架3-l光孔的轴线。上架3-l和 弹性臂(3-4， 3-5)及中架3-2构成一个平行四边形结构，中架3-2和弹性 臂(3-6， 3-7)及下架3-3构成另一个平行四边形结构。每个组装式二维测力腿3上装有两个力传感器(7， 9)和两个调整螺 钉(6， 8)，第一力传感器7固定在上架3-l上，其轴线与转动副轴线平行;第一调整螺钉6与中架3-2可调式联接，并预先与第一传感器7测头轴向接 触。第二力传感器9固定在下架3-3上，其轴线与过球铰中心和转动副轴线 且垂直于转动副的直线平行。第二调整螺钉8与中架3-2可调式联接，并预 先与第一力传感器9测头轴向接触。当六维力引起每个二维测力腿的两个 弹性平行四边形结构变形时，两个力传感器(7， 9)将输出测力信号。调 整螺钉(6， 8)位置可以调整传感器的预压縮量，以便消除测力过零误差， 克服整体预紧儒变问题，避免因贴应变片工艺误差造成的测试精度下降。第一、第二传感器(7， 9)也使用位移传感器，通过标定，可根据位 移传感器输出的位移信号折算出相应的测力值。这种3-SPR并联解耦结构六维测力平台具有测试力解耦、算法简单、 测试精度高、无测力过零误差、无预紧儒变、结构简单、易于制造、刚度 高等优点，可应用到机器人各关节及其它六维力与力矩传感器的场合之中。
权利要求
1.一种3-SPR并联解耦结构六维测力平台，包括基座(1)、三个球铰(2)、三个结构相同的二维测力腿(3)、三个转动副(4)和加载平台(5)，其特征是每个二维测力腿(3)通过球铰(2)和转动副(4)与基座(1)和加载平台(5)联接，二维测力腿(3)包括本体、第一调整螺钉(6)、第一传感器(7)、第二调整螺钉(8)和第二传感器(9)；三个球铰(2)的中心分别与基座(1)正三角形的三个顶点重合，三个转动副(4)的轴线分别与加载平台(5)正三角形的三个边重合。
2. 根据权利要求1所述的3-SPR并联解耦结构六维测力平台，其特征 是二维测力腿(3)的本体由上架(3-1)、中架(3-2)、下架(3-3)和四 个结构相同的弹性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)连接成一体；所述上架(3-1) 有一个光孔和一个螺纹孔，两个孔的轴线相互平行；所述中架(3-2)有上、 下两个轴线相互垂直的螺纹孔，其中上螺纹孔与上架(3-1)螺纹孔的轴线 共线；所述下架(3-3)有一个螺纹孔和一个与其平行的光孔，其中螺纹孔 与中架(3-2)下螺纹孔的轴线共线；上架(3-1)光孔与转动副(4)轴配 合连接，下架(3-3)光孔与球铰(2)输入轴配合联接；下架(3-3)光孔 轴线与上架(3-1)光孔轴线的中垂线重合；所述四个弹性臂(3-4， 3-5， 3-6， 3-7)共面，每个弹性臂截面为矩形且两端截面骤然减小，弹性臂(3-4， 3-5)垂直于上架(3-1)光孔的轴线，弹性臂(3-6， 3-7)平行于上架(3-1) 光孔的轴线。
3. 根据权利要求1或2所述的3-SPR并联解耦结构六维测力平台，其 特征是第一传感器(7)固定在上架(3-1)螺纹孔中，第一螺钉(6)与 中架(3-2)上螺纹孔联接，并预先与第一传感器(7)测头轴向接触；第二 传感器(9)固定在下架(3-3)螺纹孔中，第二螺钉(8)与中架(3-2)下 螺纹孔联接，并预先与第二传感器(9)测头轴向接触。
4. 根据权利要求3所述的3-SPR并联解耦结构六维测力平台，其特征 是第一、第二传感器(7， 9)为力传感器或者为位移传感器。
全文摘要
本发明公开一种3-SPR并联解耦结构六维测力平台。其特征是每个二维测力腿(3)通过球铰(2)和转动副(4)与基座(1)和加载平台(5)联接，三个球铰(2)中心分别与基座(1)正三角形的三个顶点重合，三个转动副(4)轴线分别与加载平台(5)正三角形的三个边重合。本发明基于三自由度3-SPR并联机构的原理和力学性能，实现了六维力向三个SPR型二维测力腿上的影射，在每个二维测力腿(3)上得到一个驱动力和一个约束力。利用每个SPR腿上的两个弹性平行四边形结构与第一、第二传感器(7，9)及第一、第二调整螺钉(6，8)组合，获得了一种测力精度高、结构简单的二维解耦测力腿。这种3-SPR并联解耦结构六维测力平台具有测试力解耦、算法简单、测试精度高、无测力过零误差、无预紧儒变、结构简单、易于制造、刚度高等优点，可应用到机器人各关节及其它六维力与力矩传感器的场合之中。
文档编号G01L1/00GK101246062SQ20081005463
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月15日 优先权日2008年3月15日
发明者毛秉毅, 懿 路 申请人:燕山大学