刚柔软混合动态可变形六维力感知机构的制作方法

本发明属于传感器领域，涉及有关空间六维力传感器装置，特别是兼具刚性和柔性的软接触条件下的六维力感知机构。

背景技术：

多维力传感器指的是一种能够同时测量两个方向以上力及力矩分量的力传感器，在笛卡尔坐标系中力和力矩可以各自分解为三个分量，因此，多维力最完整的形式是六维力/力矩传感器，即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的传感器，目前广泛使用的多维力传感器就是这种传感器。近年来，对该领域的研究取得了部分成果，如一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，用于空间六维力的测量的传感器等等。在传感器测量六维动态力的研究领域，公开号cn102353482a的中国专利公开的一种能够实现六维空间力测量的力矩传感器，通过九个一维力传感器的输出力信息，并根据一维力输出与六维空间力的关系式得到空间六维力的大小；公告号cn201181246y的中国专利公开的用于空间六维力的测量的传感器，为三个两两垂直的矩形梁组成的正交串联结构，通过三个矩形截面梁上的应变片测量空间六维力的大小；公开号cn102323000a的中国专利公开的一种安全型无力耦合六维力传感器，其机构主要包括上下两板，通过多个支撑块和粘贴有应变片的弹性体来实时、精确检测六维力信息。上述专利技术虽均可对六维力进行测量，但在传感器应用过程中，传感器结构本身不可以发生变形。随着传感器在航空航天、机器人和生物力学等多领域的推广应用，对能够产生变形的多维力传感器的需求持续增加，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特点。

在可变形传感器研究领域，公开号cn204346630u的中国专利公开的一种六维力传感器，运用弹性梁的微小形变和侧梁上的应变片实现力的感知，从而得出六维力的大小，但仅能产生微小形变；公开号cn101925793a的中国专利公开的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。公开号cn103674385a的中国专利公开的一种新型六维力传感器装置，通过螺杆上的感应片感应螺杆的形变来实现测力，特别适用于空间两飞行器在接触、碰撞过程中的测力，但只能产生微小形变。以上传感器虽可以发生变形，但不能保证在软接触条件下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：

本发明旨在提供一种在软接触条件下，可以测量六维力，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软混合的动态可变形六维力感知机构。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种刚柔软混合动态可变形六维力感知机构，包括上平台，下平台，连接上、下平台的三条可变形测力分支，及置于上平台之上的三轴转台，所述下平台为固定平台，其边缘附近设有三组结构相同、分布均匀的边缘支撑柱，每组边缘支撑柱分别包括两个不等高的支撑柱，两支撑柱中心轴线的公垂线与下平台边线平行，且两支撑面对应平行，其内侧支撑面与竖直面呈夹角α，两支撑柱间设有一根导轨，导轨与两支撑柱的内侧支撑面呈相同的夹角α，每根导轨各与一条可变形测力分支相连，每条可变形测力分支包括激光式位移传感器、激光接收杆、连杆及两根弹簧，所述激光式位移传感器安装在导轨上接近较低支撑柱一侧，所述激光接收杆套在导轨上，导轨与激光接收杆内孔构成圆柱副，激光接收杆的厚度应足以接收激光式位移传感器的信号并反射，从而实现激光式位移传感器的位移测量，所述两根弹簧分别套在导轨上，其外侧通过弹簧座固定在两支撑柱上，其内侧通过弹簧座固定在激光接收杆上，所述连杆下端横杆与激光接收杆上的凸耳两端孔构成第一转动副，上端横杆与上平台的凸耳两端孔构成第二转动副，所述可变形测力分支依次通过圆柱副、与连杆相连的第一转动副、第二转动副固定在上平台的凸耳上，所述三轴转台包括z轴转台、y轴转台和x轴转台，其中，z轴转台与上平台转动连接，构成第三转动副，z轴转台与y轴转台转动连接，构成第四转动副，y轴转台与x轴转台转动连接，构成第五转动副，第三转动副、第四转动副和第五转动副轴线交于一点，所述上平台上安装一个角度传感器一，角度传感器一的转轴与z轴转台相连接，所述z轴转台两侧各安装一个角度传感器二，两个角度传感器二与y轴转台的两侧相连，所述y轴转台另外两侧各安装一个角度传感器三，两个角度传感器三与x轴转台两端相连，所述x轴转台中心延伸出一圆柱并在圆柱顶部向外延展成一覆盖整个机构的包裹软膜，悬挂在固定平台之上，所述包裹软膜用于与外部的空间动态六维待测力相接触，将六维待测力传递到内部感知机构。

本发明在具体使用时，对激光接收杆或三轴转台采用了弹簧或扭簧预紧。其中，扭簧的作用是实现受力后对应转轴转台的双向扭转和外力卸载后的双向复位，弹簧的作用是实现激光接收杆的双向移动和复位。通过内外扭簧不同程度和不同方向的扭转，转轴转台相对扭簧另一端的元件进行双向转动，外力卸载后在扭簧作用力下实现转台自动复位。工作过程中转轴转台的旋转角度由其转轴中心安装的成对扭簧的扭转力和挠度决定。此外，本机构的刚度由预紧弹簧和预紧扭簧刚度决定，从而为实现软体大变形测量奠定了基础。

另外，本机构中应用了激光式位移传感器实时检测出三条分支在导轨方向上的输出信号，应用了角度传感器实时检测出三轴转台在轴线方向上的输出信号，再采用并联机构学映射算法即可求出六维力的大小与方向。通过这三条可变形测力分支和三轴转台，实现了空间六维力感知与测量。在测量过程中，各分支及转轴转台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、本感知机构外侧包裹有一层软膜，空间动态六维待测力从外部与软膜相接触，将六维力传递到内部感知机构，实现了软接触条件下空间动态六维力的感知，从而保证了空间任意方向待测力的测量值的连续性、准确性。

2、本感知机构由于采用了弹簧和扭簧预紧，因此可实现测量外力卸载后自动回复原位，此外，本机构的刚度由预紧弹簧和预紧扭簧刚度决定，从而为实现软体大变形测量奠定了基础。

3、本感知机构不仅可以在六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，使得该六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六维力信息。

4、本感知机构底部的三条可变形测力分支对称分布在下平台上，每条分支的导轨端部布置有一个激光式位移传感器，顶部三轴转台轴线汇交于一点，具有结构对称，制造方便，便于系列化生产等优点。

附图说明

图1是刚柔软混合动态可变形六维力感知机构结构示意图。

图2是图1所示机构的测力分支结构示意图。

图3是图1所示机构的z轴转台扭簧连接处剖面示意图。

图中：1-导轨，2-下平台，3-激光接收杆，4-弹簧座，5-高支撑柱，6-第一转动副，7-连杆，8-第二转动副，9-上平台，10-第五转动副，11-x轴转台，12-第四转动副，13-y轴转台，14a、b、c-角度传感器一、二、三，15-z轴转台，16-扭簧，17-第三转动副，18-激光式位移传感器，19-圆柱副，20-低支撑柱，21-弹簧，22-包裹软膜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1～3所示，本发明实施例的刚柔软混合动态可变形六维力感知机构，主要包括上平台9，下平台2、连接上下平台的三条可变形测力分支及置于上平台之上的三轴转台。下平台2为固定平台，其边缘附近设有三组结构相同、分布均匀的边缘支撑柱，每组分别包括一个低支撑柱20和一个高支撑柱5，两支撑柱中心轴线的公垂线与下平台边线平行，且两支撑面对应平行，其内侧支撑面与竖直面夹角范围为0°≤α＜90°，两个支撑柱间设有一根导轨1，导轨1与两支撑柱的内侧支撑面呈相同的夹角α，每根导轨各与一条可变形测力分支相连，每条测力分支均包括激光接收杆3、圆柱副19、第一转动副6、连杆7、第二转动副8、激光式位移传感器18及两根弹簧21。激光式位移传感器18安装在导轨上的低支撑柱20一侧，该传感器通过螺纹紧固在导轨一端的方形部分。导轨1上套有两根弹簧21，其外侧通过弹簧座4固定在高、低支撑柱5、20上，内侧通过弹簧座4固定在激光接收杆3上。两弹簧的两端以设定的预紧力连接在对应的两个弹簧座上。激光接收杆3也套在导轨1上，构成圆柱副19。激光接收杆3具有设定的厚度，用以接收激光式位移传感器的信号并反射，实现位移测量。激光接收杆3通过第一转动副6和连杆7相连，连杆7的另一端和上平台边缘的凸耳相连接构成第二转动副8。三条可变形测力分支和上平台边缘的三只凸耳相连接。上平台9边缘高中间低，三只凸耳呈等边三角形分布在上平台边缘。三轴平台包括z轴转台15、y轴转台13和x轴转台11，z轴转台15上竖有两根支撑板，支撑板上端为空心环形，于边缘对称分布且支撑面平行，y轴转台13为一方形框，方形框的其中一组平行边框外伸有凸台，在方形框外侧对应分布，x轴转台11为一两端带有凸耳的平台。上平台1中心凹台处安装有一个角度传感器一14a，角度传感器一顶部的转轴与z轴转台15相连。z轴转台15与上平台的中心凹台转动连接，构成第三转动副17，且在z轴转台与上平台中心凹台间安装有一组半径不同轴线相同的扭簧16，内外分布，旋向相反，两扭簧一端安装入z轴转台底部中心轴内，另一端安装在上平台的中心凹台内，可使z轴转台和上平台间扭簧以设定的预紧力相连接。z轴转台两支撑板空心环外侧各安装一个角度传感器二14b，用锁紧螺钉固定，两侧角度传感器二14b穿过空心环内侧与y轴转台13方形框外侧的两凸台相连，z轴转台15空心环与y轴转台13转动连接，构成第四转动副12，且两侧空心环与y轴转台之间各安装有一组半径不同轴线相同的扭簧，内外分布，旋向相反。y轴转台方形框的另一组平行边框外侧各安装一个角度传感器三14c，角度传感器三穿过方形框的中空部分，内侧与x轴转台11两端的凸耳相连，y轴转台13与x轴转台11转动连接，构成第五转动副10，且在y轴转台与x轴转台相连的两侧各安装有一组半径不同轴线相同的扭簧，内外分布，旋向相反。x轴转台11中心延伸出一圆柱并在圆柱顶部向外延展成一覆盖整个机构的包裹软膜22，悬挂在固定平台2之上，包裹软膜22用于与外部的空间动态六维待测力相接触，将六维待测力传递到内部感知机构。