一种结构解耦六维力传感器
阅读说明：本技术 一种结构解耦六维力传感器 (Structure decoupling six-dimensional force sensor ) 是由 姚裕 周民权 李先影 赵彪 吴洪涛 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明提出了结构解耦六维力传感器,包括固定框、浮动框、测力组件。测力组件两端配有柔性球铰,保证测力组件均为二力杆。浮动框通过12个测力组件与固定框相连接。当该六维力传感器承载某方向力/力矩时,由于X元、Y元和Z元测力组件两两对称布置,其余分量上的作用力被相互抵消,故对其余分量没有干扰。本发明能够实现力与力之间相互解耦,力与力矩之间相互解耦,力矩与力矩之间相互解耦,具有结构解耦更彻底、标定方便、精度高、结构简单、使用方便等优点。(The invention provides a structural decoupling six-dimensional force sensor which comprises a fixed frame, a floating frame and a force measuring assembly. And flexible spherical hinges are arranged at two ends of the force measuring component to ensure that the force measuring component is a two-force rod. The floating frame is connected with the fixed frame through 12 force measuring assemblies. When the six-dimensional force sensor bears force/moment in a certain direction, the X-element force measuring assembly, the Y-element force measuring assembly and the Z-element force measuring assembly are symmetrically arranged in pairs, and acting forces on other components are mutually counteracted, so that no interference is caused on the other components. The invention can realize mutual decoupling between force and force, mutual decoupling between force and moment, mutual decoupling between moment and moment, it has more thorough structure decoupling, convenient calibration, high precision, simple structure, convenient use, etc.)
技术领域
本发明属于力学传感器领域，尤其涉及结构解耦六维力传感器。
背景技术
六维力传感器一般由弹性敏感元件、应变计、惠斯顿电桥组成。它的基本原理是当构件受到外部载荷作用，被测量对象表面产生微小机械变形，变形与外力成正比关系。粘贴在表面的应变计随之发生相同的形变，使其电阻值有一个增量，通过惠斯顿电桥把电阻增量转化为电压增量，该电压增量与传感器所受外力也成正比。将电压信号通过数据采集与信号处理系统的处理，得到作用的外部载荷。目前，传统的六维力传感器很难完全实现结构解耦。
故，需要一种新的技术方案以解决上述技术问题。
发明内容
本发明提供了一种结构解耦六维力传感器，目的是完全实现或者近似完全实现结构解耦。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种结构解耦六维力传感器，包括固定框、位于固定框上方的浮动框；所述固定框与浮动框之间的空间中设置若干测力组件；所述浮动框具有水平面的对称中心；
所述若干测力组件包括设置在水平第一方向的四个X测力组件、设置在水平第二方向的四个Z测力组件、设置在竖直方向的四个Y测力组件；所述水平第一方向与水平第二方向在水平面内相互垂直，竖直方向同时与水平面内的水平第一方向、水平第二方向垂直；
四个X测力组件两两一组对称的设置于对称中心两侧，所述浮动框设有位于每一组的两个X测力组件两端的X上立柱；所述固定框设有位于每一组的两个X测力组件之间的X下立柱；每一组中的两个X测力组件同轴设置，且每个X测力组件的两端均连接在一个X上立柱与X下立柱之间；
四个Z测力组件两两一组对称的设置于对称中心另外两侧，所述浮动框设有位于每一组的两个Z测力组件两端的Z上立柱；所述固定框设有位于每一组的两个Z测力组件之间的Z下立柱；每一组中的两个Z测力组件同轴设置，且每个Z测力组件的两端均连接在一个Z上立柱与Z下立柱之间；
四个Y测力组件位于浮动框的四角位置，四个Y测力组件中两两相对对称中心对称设置，每个Y测力组件的上端连接浮动框而下端连接固定框。
进一步的，每个测力组件均为二力杆。
进一步的，每个测力组件的结构相同，包括测力元件、位于测力元件两端的拉杆、分别位于拉杆外端的柔性球铰，所述柔性球铰用于和固定框或浮动框连接。
进一步的，当在对称中心对浮动框施加力或者力矩时，12个测力组件同时施力于浮动框。
进一步的，所述浮动框包括浮动平台，所述X上立柱、Z上立柱自浮动平台的底面向下延伸；且浮动平台为中心对称且大平面为正方形面的扁平方体；所述X上立柱、Z上立柱与浮动平台共同形成的结构仍然是中心对称结构。
本发明技术方案的有益效果如下：
本发明能够实现力与力之间相互解耦；力与力矩之间相互解耦力矩与力矩之间相互解耦，具有结构解耦彻底、标定方便、精度高、结构简单、使用方便等优点。
附图说明
图1为本发明结构解耦六维力传感器的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的侧视图；
图4为固定框的结构示意图；
图5为浮动框的结构示意图；
图6为测力组件的结构示意图；
图7为测力组件的正视图。
具体实施方式
请参阅图1至图7所示，本发明公开以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图7所示，本发明的结构解耦六维力传感器，包括固定框1，浮动框2，4个X测力组件3、4、5、6，4个Y测力组件7、8、9、10，4个Z测力组件11、12、13、14。其中，12个测力组件结构相同，均包括测力元件19、位于测力元件19两端的拉杆20、分别位于拉杆20外端的柔性球铰18，所述柔性球铰18用于和固定框1或浮动框2连接。拉杆20两端配有柔性球铰18，使测力组件均为二力杆。
固定框1包括固定平台15；浮动框2包括浮动平台17。浮动平台17为中心对称且大平面为正方形面的扁平方体。所述浮动框2通过12个测力组件与固定框1相连接。浮动框2具有水平面的对称中心。所述若干测力组件包括设置在水平第一方向的四个X测力组件3、4、5、6，及设置在水平第二方向的四个Z测力组件11、12、13、14，以及设置在竖直方向的四个Y测力组件7、8、9、10。所述水平第一方向与水平第二方向在水平面内相互垂直，竖直方向同时与水平面内的水平第一方向、水平第二方向垂直。在本实施方式中，为方便对浮动框2的对称中心、水平第一方向、水平第二方向、竖直方向的理解，可以参照图1至图3中所示，其中浮动框2的对称中心为O点，水平第一方向、水平第二方向、竖直方向可以理解为以O点为原点的三维直角坐标的三个方向，其中X方向为水平第一方向，Z方向为水平第二方向，Y方向为竖直方向。四个X测力组件3、4、5、6两两一组(X测力组件3、4一组；X测力组件5、6一组)对称的设置于对称中心O两侧。所述浮动框2设有位于每一组的两个X测力组件两端的X上立柱21。所述固定框1设有位于每一组的两个X测力组件之间的X下立柱16；每一组中的两个X测力组件同轴设置，且每个X测力组件的两端均连接在一个X上立柱与X下立柱16之间。四个Z测力组件11、12、13、14两两一组对称的设置于对称中心O另外两侧。所述浮动框2设有位于每一组的两个Z测力组件两端的Z上立柱22；所述固定框设有位于每一组的两个Z测力组件之间的Z下立柱17；每一组中的两个Z测力组件同轴设置，且每个Z测力组件的两端均连接在一个Z上立柱22与Z下立柱17之间。四个Y测力组件7、8、9、10位于浮动框2的四角位置，四个Y测力组件中两两相对对称中心对称O设置，每个Y测力组件的上端连接浮动框2而下端连接固定框1。
在以XYZ三维直角坐标系的基础上，其中4个X测力组件3、4、5、6的轴线垂直于纵向面YZ，并且关于纵向面XY及YZ两两对称布置；4个Z测力组件11、12、13、14的轴线垂直于浮动框2所在平面和垂直于固定框1所在平面，并且关于纵向面XY及YZ两两对称布置；4个Y测力组件7、8、9、10的轴线垂直于纵向面XY，并且关于纵向面XY及YZ两两对称布置。
本发明结构解耦六维力传感器的使用原理为：
当在点O施加X方向力时，不会产生力矩，但会导致12个测力组件同时施力于浮动框，此12个拉杆组件对浮动框2既有X方向的作用力，同时有Y、Z方向的作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6，4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置，各拉杆组件对浮动框2产生的Z方向作用力相互抵消，4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2产生的四个Y方向作用力和4组X测力组件3、4、5、6与4组Z测力组件11、12、13、14对浮动框2产生的八个Y方向作用力大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O施加X方向力时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个X测力组件3、4、5、6上的测力元件导出所测得的X方向力数据。
当在点O施加X方向力时，不会产生力矩，但会导致12个测力组件同时施力于浮动框，此12个拉杆组件对浮动框2既有X方向的作用力，同时有Y、Z方向的作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6，4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置，各拉杆组件对浮动框2产生的Z方向作用力相互抵消，4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2产生的四个Y方向作用力和4组X测力组件3、4、5、6与4组Z测力组件11、12、13、14对浮动框2产生的八个Y方向作用力大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O施加X方向力时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个Y测力组件7、8、9、10上的测力元件导出所测得的Y方向力数据。
当在点O施加Z方向力时，与在点O施加X方向力时同理。
当在点O作用Mx力矩时，12个测力组件同时施力于浮动框2,4个X测力组件3、4、5、6对浮动框2有X、Y方向作用力，4个Z测力组件11、12、13、14对浮动框2有Z、Y方向作用力,4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2有Z、Y方向作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6、4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置,12个测力组件3～14对浮动框2的作用力在O点产生的My、Mz力矩分别两两大小相等方向相反，相互抵消；12个测力组件3～14对浮动框2产生的X、Y和Z方向作用力分别两两大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O作用Mx力矩时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个X测力组件3、4、5、6上的测力元件导出所测得的Mx力矩数据。
当在点O作用My力矩时，12个测力组件同时施力于浮动框2，并且分别有X、Y和Z方向作用力。由于4个X测力组件3、4、5、6、4个Y测力组件7、8、9、10和4个Z测力组件11、12、13、14分别关于纵向面XY及YZ两两对称布置，12个测力组件3～14对浮动框2有Y方向作用力，在O点产生的Mx、Mz力矩分别两两大小相等方向相反，相互抵消；12个测力组件3～14对浮动框2产生的X方向作用力和Z方向作用力分别两两大小相等方向相反，相互抵消；4个Y测力组件7、8、9、10对浮动框2产生的四个Y方向作用力和4组X测力组件3、4、5、6与4组Z测力组件11、12、13、14对浮动框2产生的八个Y方向作用力大小相等方向相反，相互抵消。故当在点O作用My力矩时，对其它五个分量没有干扰。此时直接通过4个Y测力组件7、8、9、10上的测力元件导出所测得的My力矩数据。
当在点O作用Mz力矩时，与在点O作用Mx力矩时同理。
综上所述，本发明结构解耦六维力传感器在任意方向施加载荷时，对其它五个分量没有干扰，实现六维力传感器结构完全解耦。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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