基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统的制作方法

本发明属于多维力的测量，具体涉及一种轻量化结构的大尺寸高精度多维力传感系统。

背景技术：

1、多维力传感器能检测力在空间作用的信息。在航天机械臂、航天对接、协作机器人、仿生机械、医疗辅助器械、步行机器人、风洞测力、航空航天发动机推力测试、螺旋桨推力测试、汽车碰撞测试、微创手术机器人、打磨抛光器械、搅拌摩擦焊、机床加工力测量等众多领域，多维力传感器发挥着重要作用，其获得的多维力的准确性直接影响着系统的工作性能和控制精度。

2、在风洞测试和喷力发动机测试站中，大尺寸多维力传感器(传感系统)是其极为重要的组成部分。申请号为201910882361.6和201910883333.6等发明提出了冗余并联杆式多维力传感器及其计算方法，可以实现高精度的多维力传测量。申请号为201911341094.8的发明提出了分布式多维力测力系统及测力方法，申请号为202210563928.5的发明提出了冗余并联杆式多维力传感器的精度空间问题，并提出了采用虚拟杠杆提高最佳精度空间测量精度的技术方案，同时202210576017.6提出了采用双测量系统实现远端测力时转矩高精度测量的技术方案。

3、对于冗余并联杆式分布式多维力传感器，为了提高测量精度，在外界负载力变化时，在负载颈处的应力变化需要足够小，而为了达到该目的，需要一个高相对刚度比结构，即在一个单独的mafs的负载颈处，沿其主轴(main axis)方向的相对刚度(单独的mafs的自身刚度与整体结构的刚度的相对刚度)与所有沿/绕其它方向(除了沿主轴方向的其它五个方向)的相对刚度的比值要非常大。这种高相对刚度比结构的一个重要条件就是需要负载框架(loading frame)和支撑框架(supporting frame)的各向刚度非常大，而这意味着需要采用一个长、宽、高尺寸近似的实心金属块。这对于小尺寸多维力传感系统而言并不困难，而对于风洞测试和喷力发动机测试站等使用的大尺寸多维力传感器，其受力部分(负载框架)的单维长度通常都要超过数米，而为了达到目的，其它维度的尺寸也必须同样大，且整体结构需要基本为一个实心体，进而令其结构重量过大，在实际工程中比较难以满足这种情况，且即使可以满足，不仅需要花费非常大的制造成本，而且制造、运输、安装也非常困难。本发明的目的是解决大尺寸的多维力传感系统实现高精度测量时，负载框架和支撑框架的结构重量过大的问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决大尺寸的多维力传感系统实现高精度测量时，负载框架和支撑框架的结构重量过大的问题。

2、基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，所述系统包括若干个局部高相对刚度比结构，每一个局部高相对刚度比结构包括一个负载框架、一个支撑框架和若干个单独的多维力传感器，单独的多维力传感器为具有两个细负载颈的多维力传感器，单独的多维力传感器并列设置在负载框架和支撑框架之间；所有的局部高相对刚度比结构的负载框架和/或支撑框架通过轻量化框架以并联的方式连接；

3、所述高相对刚度比是指最大化相对刚度比rsr；所述相对刚度比如下：

4、将结构中任意单个单独的多维力传感器从负载颈处切断并拿出，将单个单独的多维力传感器从负载颈处切断并拿出之前的整体结构沿主轴的刚度记为sm_structure，并将绕主轴和沿/绕其它轴的刚度记为so_mafs；将单个单独的多维力传感器从负载颈处切断并拿出后单个单独的多维力传感器沿其主轴的刚度记为sm_mafs，并将绕主轴和沿/绕其它轴的刚度记为so_structure；

5、沿主轴的相对刚度为

6、绕主轴和沿/绕其它轴的相对刚度为

7、负载颈处相对刚度比为

8、进一步地，所述基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统还包括参考框架，参考框架与负载框架和支撑框架进行力学隔离，参考框架上布置有多个位移传感器，用于单个单独的多维力传感器的空间位姿。

9、进一步地，每个局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器轴线不能都平行且不能都汇聚于一点。

10、进一步地，单独的多维力传感器的负载颈为柔性铰链或者机械铰链。

11、进一步地，每个局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器负载颈处的应力曲线都要保证接近u形。

12、基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，所述系统包括至少一个轻量化负载框架、至少一个轻量化支撑框架和若干个单独的多维力传感器，轻量化负载框架、轻量化支撑框架为采用轻量化结构的负载框架、支撑框架；

13、当采用1个轻量化负载框架和/或1个轻量化支撑框架时，即轻量化负载框架为一个整体，和/或，轻量化支撑框架为一个整体；当轻量化负载框架至少为两个时，和/或，轻量化支撑框架至少为两个时，至少两个轻量化负载框架通过轻量化框架以并联的方式连接，和/或，至少两个轻量化支撑框架通过轻量化框架以并联的方式连接；

14、单独的多维力传感器为具有两个细负载颈的多维力传感器，单独的多维力传感器并列设置在轻量化负载框架和轻量化支撑框架之间；

15、每个单独的多维力传感器与其附近的几个单独的多维力传感器构成局部高相对刚度比结构，所述高相对刚度比是指最大化相对刚度比rsr；所述相对刚度比如下：

16、将结构中任意单个单独的多维力传感器从负载颈处切断并拿出，将单个单独的多维力传感器从负载颈处切断并拿出之前的整体结构沿主轴的刚度记为sm_structure，并将绕主轴和沿/绕其它轴的刚度记为so_mafs；将单个单独的多维力传感器从负载颈处切断并拿出后单个单独的多维力传感器沿其主轴的刚度记为sm_mafs，并将绕主轴和沿/绕其它轴的刚度记为so_structure；

17、沿主轴的相对刚度为

18、绕主轴和沿/绕其它轴的相对刚度为

19、负载颈处相对刚度比为

20、进一步地，所述基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统还包括参考框架，参考框架与轻量化负载框架和轻量化支撑框架进行力学隔离，参考框架上布置有多个位移传感器，用于单个单独的多维力传感器的空间位姿。

21、进一步地，局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器轴线不能都平行且不能都汇聚于一点。

22、进一步地，单独的多维力传感器的负载颈为柔性铰链或者机械铰链。

23、进一步地，局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器负载颈处的应力曲线都要保证接近u形。

24、本发明具有以下有益效果：

25、在保持多维力测量精度不变的条件下，将一个整体的负载框架和支撑框架分为若干个局部的负载框架和支撑框架，进而令多维力测量系统的总体重量大幅降低。采用该结构，可以大幅度降低大尺寸多维力传感系统的结构重量，且可以保持测量精度不发生改变。

技术特征：

1.基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，所述系统包括若干个局部高相对刚度比结构，每一个局部高相对刚度比结构包括一个负载框架、一个支撑框架和若干个单独的多维力传感器，单独的多维力传感器为具有两个细负载颈的多维力传感器，单独的多维力传感器并列设置在负载框架和支撑框架之间；所有的局部高相对刚度比结构的负载框架和/或支撑框架通过轻量化框架以并联的方式连接；

2.根据权利要求1所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，所述基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统还包括参考框架，参考框架与负载框架和支撑框架进行力学隔离，参考框架上布置有多个位移传感器，用于单个单独的多维力传感器的空间位姿。

3.根据权利要求1或2所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，每个局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器轴线不能都平行且不能都汇聚于一点。

4.根据权利要求3所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，单独的多维力传感器的负载颈为柔性铰链或者机械铰链。

5.根据权利要求4所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，每个局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器负载颈处的应力曲线都要保证接近u形。

6.基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，所述系统包括至少一个轻量化负载框架、至少一个轻量化支撑框架和若干个单独的多维力传感器，轻量化负载框架、轻量化支撑框架为采用轻量化结构的负载框架、支撑框架；

7.根据权利要求6所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，所述基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统还包括参考框架，参考框架与轻量化负载框架和轻量化支撑框架进行力学隔离，参考框架上布置有多个位移传感器，用于单个单独的多维力传感器的空间位姿。

8.根据权利要求6或7所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器轴线不能都平行且不能都汇聚于一点。

9.根据权利要求8所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，单独的多维力传感器的负载颈为柔性铰链或者机械铰链。

10.根据权利要求9所述的基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，其特征在于，局部高相对刚度比结构中所有的单独的多维力传感器负载颈处的应力曲线都要保证接近u形。

技术总结
基于局部高相对刚度比结构的多维力传感系统，属于多维力的测量技术领域。本发明为了解决大尺寸的多维力传感系统实现高精度测量时，负载框架和支撑框架的结构重量过大的问题。本发明所述系统中的一种系统包括若干个局部高相对刚度比结构，每一个局部高相对刚度比结构包括一个负载框架、一个支撑框架和若干个单独的多维力传感器，单独的多维力传感器为具有两个细负载颈的多维力传感器，单独的多维力传感器并列设置在负载框架和支撑框架之间；所有的局部高相对刚度比结构的负载框架和/或支撑框架通过轻量化框架以并联的方式连接；所述高相对刚度比是指尽量最大化相对刚度比rsr。

技术研发人员：马洪文,邢宇卓
受保护的技术使用者：马洪文
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15