刚度可调式测力分支及相应的并联多维力传感器的制作方法

1.本发明属于力传感器技术领域，涉及刚度可调式测力分支,具体地说是一种刚度可调式测力分支及相应的并联多维力传感器。


背景技术：

2.传感器为被测量按一定的规律转换为另一种参量的器件或测量装置。传感器是获取自然界以及生产领域中所需要信息的主要途径。在生产实践中用于测量力值的力传感器是最基本的一种传感器。六维力传感器因其能够测量空间六维力的大小和方向，特别适用于机器人腕力的测量中。
3.现有技术中虽然具有用于测量六维力的传感器，但大多存在测力分支只能承受压力而无法承受拉力、对其它测量方向有耦合作用、采用球铰关节间摩擦较大、结构较为复杂的问题，从而造成六维力传感器测量精度低、结构安装困难。
4.在六维力传感器的研制中，并联机构因其刚度大、力映射关系简明，成为了六维力传感器结构构型的理想选择。当前对并联六维力传感器的研究一大趋势为采用新型测力分支及新传感器构型以提高并联六维力传感器测量性能，同时通过增加冗余分支以提高六维力传感器的量程及容错能力。然而，由于并联六维力传感器各测力分支间刚度差异，容易造成各测力分支受力不均，从而产生以下缺陷：其一是传感器测量精度低。一方面，测力分支刚度无法调节，影响传感器广义外力与测力分支力之间映射，造成传感器精度降低；另一方面，并联六维力传感器不但需要进行所受广义外力力值大小测量，还需要通过各分支受力解算出受力位置（如传感器中心受到垂向力时理论上各分支受力应相同），各分支受力因刚度差异产生不同影响对受力位置精度的测量。
5.其二是造成量程损失。各分支的受力不均，某一分支会比其它分支先达到单分支最大量程，此时其它分支未达到单分支最大量程，使得六维力传感器整体无法达到理论测量量程，进而限制了过约束并联六维力传感器的量程，造成量程损失。
6.因此，在对并联六维力传感器的研究中需克服各测力分支间刚度差异造成各测力分支受力不均的技术难题。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的以上不足，本发明旨在提供一种刚度可调式测力分支及相应的并联多维力传感器，解决测量受分支刚度差异造成各测力分支受力不均的问题，以实现测力分支刚度可变换调节、测力分支受力均匀的目的。
8.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种刚度可调式测力分支，包括用于将受力解耦的解耦机构、装配在解耦机构底端的用于调节分支刚度的刚度调节机构、装配在刚度调节机构底端的力传感器以及装配在力传感器底端的用于补偿分支长度的长度补偿机构。
9.作为本发明的限定，解耦机构包括壳体、连接柱以及嵌套块；连接柱，底端穿入壳体并与置于壳体内部的嵌套块固定相连；嵌套块，上端、下端及侧壁上均开设有放置钢球的凹槽，嵌套块上端、下端及侧壁通过钢球与壳体内壁相接触。
10.作为本发明的另一种限定，刚度调节机构由四组刚度调节组件通过连杆依次相连而成，每组刚度调节组件包括与外壳、固定在外壳上用于对连杆位置进行调整的调节总成以及固定在外壳上用于对连杆位置进行锁定的至少一个锁定总成。
11.作为本发明的进一步限定，调节总成，包括与外壳转动相连的棘轮轴，棘轮轴上固装有扭动开关、棘轮以及大齿轮；每个连杆的一端与一个刚度调节组件的外壳固定相连、另一端与另一个刚度调节组件的棘轮轴固定相连。
12.作为本发明的再进一步限定，锁定总成，包括转动连接在外壳上的凸轮轴以及两个通过弹簧固装在外壳上的柔性支撑块，凸轮轴上固装有凸轮及与大齿轮相啮合的小齿轮，凸轮置于两个柔性支撑块中间；扭动开关的打开位与每个柔性支撑块脱离棘轮的解锁位相对应，扭动开关的关闭位与每个柔性支撑块锁定棘轮的锁定位相对应。
13.作为本发明的第三种限定，长度补偿机构包括底座、上楔形块以及下楔形块；上楔形块，与力传感器固定相连，上楔形块上固装有定位凸起；下楔形块，上下倾斜设置有楔形槽，上楔形块滑动连接在楔形槽内；底座，与下楔形块滑动连接，底座上固定连接有具有通槽的定位耳，定位凸起上下滑动连接在通槽内。
14.本发明还提供了一种利用上述刚度可调式测力分支所实现的刚度可调式并联多维力传感器，其技术方案如下：一种刚度可调式并联多维力传感器，包括受力平台、固定平台以及并联设置的至少一组刚度可调式测力分支，解耦机构的顶端固装在受力平台上，长度补偿机构的底端固装在固定平台上。
15.由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，所取得的有益效果是：（1)测力分支刚度可调。本发明是对现有多维力传感器测力分支的一种改进发明，其主要改进是将测力分支改进为刚度可调式。即通过刚度调节机构改变连杆间的角度，调整柔性支撑块的刚度与该测力分支轴线方向变形之间的关系，结合长度补偿机构补偿刚度调节机构造成的测力分支长度变化，实现测力分支刚度可变换调节。
16.（2)测力分支受力均匀。本发明通过调整各测力分支间受力分配关系，能够使各测力分支受力均匀，解决了现有技术中过约束并联六维力传感器测力分支因刚度差异影响测量性能的问题，提升了测量精度并解决了量程损失的问题。
17.（3)明确力输入输出关系。本发明的多维力传感器通过受力平台将所受外力映射至各测力分支，各测力分支解耦机构又将测力分支所受力解耦分解成三个互相正交的力进行测量，简化了映射关系，具有明确的力的输入输出关系，保证测量精准度。
18.（4）提升测量精准度。本发明的解耦机构采用钢球与壳体内壁相接触，减少了关节摩擦耦合，有效保证测量精度；并且，本发明的长度补偿机构能够使得测力分支在进行刚度调节时整体长度保持不变，尽可能减小对多维力传感器测量精度影响。
19.（5）测力分支既能承受压力又可承受拉力。本发明的受力平台受拉力时，上连接件
通过连接柱带动嵌套块受向上拉力，嵌套块上端通过钢球与壳体内壁接触受力，由壳体将受力传递至固定平台，提供反向拉力；本发明的受力平台受压力时，嵌套块下端通过钢球与壳体内壁接触受力，钢球通过下连接件将受力传递至固定平台，提供反向压力。
20.（6）测力分支结构模块化，安装调试便捷。
21.本发明适用于并联多维力测量中使用，特别适用于机器人腕力的六维力测量中使用。
附图说明
22.下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
23.图1为本发明实施例1的结构示意图；图2为本发明实施例1的解耦机构结构示意图；图3为图2中a-a剖面图；图4为本发明实施例1的刚度调节机构结构示意图；图5为本发明实施例1的锁定总成中大齿轮与小齿轮结构示意图；图6为本发明实施例1的刚度调节机构的棘轮处于解锁位的结构示意图；图7为本发明实施例1的刚度调节机构的棘轮处于锁定位的结构示意图；图8为本发明实施例1的长度补偿机构结构示意图；图9为本发明实施例2的结构示意图。
24.图中：1、受力平台；2、刚度可调式测力分支；3、固定平台；4、解耦机构；5、刚度调节机构；6、力传感器；7、长度补偿机构；8、上连接件；9、连接柱；11、钢球；12、嵌套块；14、壳体；15、下连接件；16、外壳；17、连杆；18、棘轮；19、柔性支撑块；20、扭动开关；21、大齿轮；22、小齿轮；23、凸轮；24、底座；25、上楔形块；26、下楔形块；27、定位耳；28、定位凸起；29、楔形槽；30、棘轮轴；31、凸轮轴。
具体实施方式
25.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理解本发明，并不用于限定本发明。
26.实施例1一种刚度可调式测力分支本实施例是对现有多维力传感器6测力分支的一种改进发明，其主要改进是将测力分支改进为刚度可调的控制方式。即通过解耦机构4将所受到的力解耦成三个正交力，经刚度调节机构5调节该测力分支受力分配关系，配合长度补偿机构7来弥补刚度调节机构5中长度变化的位移量，使该测力分支整体长度保持不变，最终实现测力分支刚度可变换调节的目的。如图1至图8所示，本实施例包括解耦机构4、刚度调节机构5、力传感器6以及长度补偿机构7。以下对各个部分的结构进行具体阐述。
27.一、解耦机构4解耦机构4用于将所受到的力解耦成三个方向的正交力。解耦机构4包括壳体14、置于壳体14内的嵌套块12、用于连接嵌套块12的连接柱9、用于连接连接柱9的上连接件8以及用于连接刚度调节机构5的下连接件15。
28.上连接件8置于壳体14外，上连接件8底端与连接柱9固定相连。壳体14为具有空腔
的长方体状，壳体14上部开设有与连接柱9相对应的光孔，连接柱9底端通过光孔穿入壳体14内，连接柱9底端与置于壳体14内部的嵌套块12固定相连。嵌套块12的上端面、下端面及侧壁上均开设有放置钢球11的凹槽，嵌套块12上端、下端及侧壁皆通过钢球11与壳体14内壁相接触。下连接件15固装在壳体14底端。
29.二、刚度调节机构5刚度调节机构5用于调节测力分支刚度。刚度调节机构5为四组刚度调节组件通过连杆17依次首尾相连形成的四连杆17结构。每组刚度调节组件包括外壳16以及固装在外壳16上的调节总成、至少一个锁定总成。
30.调节总成用于对连杆17位置进行调节。调节总成包括与外壳16转动相连的棘轮轴30，棘轮轴30上固装有扭动开关20、棘轮18以及大齿轮21。连接两相邻刚度调节组件的连杆17，一端与其中一个刚度调节组件的外壳16固定相连，另一端与另一个刚度调节组件的棘轮轴30固定相连。扭动开关20、连杆17置于外壳16外，棘轮18以及大齿轮21置于外壳16内。转动扭动开关20，棘轮轴30带动棘轮18、大齿轮21、连杆17一同转动。
31.锁定总成用于对棘轮18的转动位置进行锁定。本实施例中沿棘轮18周向均匀设置有四个锁定总成。锁定总成固装在外壳16内，每个锁定总成包括凸轮轴31、两个柔性支撑块19。凸轮轴31转动连接在外壳16上，凸轮轴31上固装有凸轮23以及与大齿轮21相啮合的小齿轮22，凸轮23置于两个柔性支撑块19中间。每个柔性支撑块19通过弹簧固装在外壳16上。
32.该锁定总成中，扭动开关20的打开位与每个柔性支撑块19脱离棘轮18的解锁位相对应，扭动开关20的关闭位与每个柔性支撑块19锁定棘轮18的锁定位相对应。即转动扭动开关20，带动大齿轮21与棘轮18同轴转动，大齿轮21带动该锁定总成中所有小齿轮22转动，小齿轮22带动凸轮23同轴转动，凸轮23的转动使得相应的两柔性支撑块19之间间隙发生变化，从而控制柔性支撑块19卡置在棘轮18上对棘轮18进行锁定或者脱离对棘轮18的卡置对棘轮18进行解锁。
33.刚度调节机构5通过上部一个刚度调节组件的棘轮轴30与下连接件15铰接相连，通过下部一个刚度调节组件的棘轮轴30与力传感器6的安装支杆铰接相连。
34.三、力传感器6力传感器6装配在刚度调节机构5底端，采用现有技术中用于测量力的元件，如s型力传感器、轮辐式力传感器。
35.四、长度补偿机构7长度补偿机构7用于补偿刚度调节机构5的长度变化，使测力分支整体长度保持不变。长度补偿机构7包括底座24、上楔形块25、下楔形块26。
36.上楔形块25与力传感器6底端固定相连，上楔形块25的两侧对称固装有定位凸起28。下楔形块26与上楔形块25通过上下倾斜设置的楔形槽29滑动相连，下楔形块26滑动时，上楔形块25在楔形槽29内产生相对滑动，从而带动力传感器6上下移动。底座24与下楔形块26滑动连接，为了使力传感器6的轴线与上楔形块25的滑动方向相垂直，底座24与下楔形块26的接触面为垂直于力传感器6轴线的斜面。底座24上对称固定连接有具有u形通槽的定位耳27，定位凸起28可上下滑动连接在通槽内。
37.实施例2一种刚度可调式并联多维力传感器如图9所示，本实施例包括受力平台1、固定平台3以及并联设置的至少一组实施例
1中的刚度可调式测力分支2。固定平台3可用于与机器人主体相连。受力平台1上可用于安装道具、手抓等机器人需要测量受力部分。解耦机构4的上连接件8顶端固装在受力平台1上，长度补偿机构7底座24的底端固装在固定平台3上。
38.使用本实施例测量多维力时，受力平台1受力，会将受力映射至各刚度可调式测力分支2上，通过各刚度可调式测力分支2上的力传感器6读出各刚度可调式测力分支2受力，通过受力平衡关系解算出所受外力。
39.使用本实施例在各刚度可调式测力分支2受力不均或需要调整各刚度可调式测力分支2整体刚度时，按照以下步骤进行：s1.解锁刚度调节机构5转动扭动开关20，使柔性支撑块19脱离对棘轮18的卡置，柔性支撑块19处于解锁位。此时四组刚度调节组件与连杆17形成的四连杆17结构可以转动调节，通过改变连接连杆17间的角度以调整该刚度可调式测力分支2的刚度。
40.s2.调整长度补偿机构7下楔形块26滑动在底座24上滑动，上楔形块25在楔形槽29内产生相对滑动，从而带动力传感器6上下移动。同时，定位凸起28在定位耳27的通槽内上下滑动，以补偿刚度调节机构5造成的长度变化，使整个刚度可调式测力分支2的长度保持不变。
41.s3.锁定刚度调节机构5刚度可调式测力分支2的刚度调节完成后，转动扭动开关20，每个柔性支撑块19锁定棘轮18，柔性支撑块19处于锁定位。
42.需要说明的是，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，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对上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。

技术特征：
1.一种刚度可调式测力分支，其特征在于：包括用于将受力解耦的解耦机构、装配在解耦机构底端的用于调节分支刚度的刚度调节机构、装配在刚度调节机构底端的力传感器以及装配在力传感器底端的用于补偿分支长度的长度补偿机构。2.根据权利要求1所述的刚度可调式测力分支，其特征在于：解耦机构包括壳体、连接柱以及嵌套块；连接柱，底端穿入壳体并与置于壳体内部的嵌套块固定相连；嵌套块，上端、下端及侧壁上均开设有放置钢球的凹槽，嵌套块上端、下端及侧壁通过钢球与壳体内壁相接触。3.根据权利要求1或2所述的刚度可调式测力分支，其特征在于：刚度调节机构由四组刚度调节组件通过连杆依次相连而成，每组刚度调节组件包括与外壳、固定在外壳上用于对连杆位置进行调整的调节总成以及固定在外壳上用于对连杆位置进行锁定的至少一个锁定总成。4.根据权利要求3所述的刚度可调式测力分支，其特征在于：调节总成，包括与外壳转动相连的棘轮轴，棘轮轴上固装有扭动开关、棘轮以及大齿轮；每个连杆的一端与一个刚度调节组件的外壳固定相连、另一端与另一个刚度调节组件的棘轮轴固定相连。5.根据权利要求4所述的刚度可调式测力分支，其特征在于：锁定总成，包括转动连接在外壳上的凸轮轴以及两个通过弹簧固装在外壳上的柔性支撑块，凸轮轴上固装有凸轮及与大齿轮相啮合的小齿轮，凸轮置于两个柔性支撑块中间；扭动开关的打开位与每个柔性支撑块脱离棘轮的解锁位相对应，扭动开关的关闭位与每个柔性支撑块锁定棘轮的锁定位相对应。6.根据权利要求1、2、4、5中任意一项所述的刚度可调式测力分支，其特征在于：长度补偿机构包括底座、上楔形块以及下楔形块；上楔形块，与力传感器固定相连，上楔形块上固装有定位凸起；下楔形块，上下倾斜设置有楔形槽，上楔形块滑动连接在楔形槽内；底座，与下楔形块滑动连接，底座上固定连接有具有通槽的定位耳，定位凸起上下滑动连接在通槽内。7.一种刚度可调式并联多维力传感器，其特征在于：包括受力平台、固定平台以及并联设置的至少一组权利要求1-6中所述的刚度可调式测力分支，解耦机构的顶端固装在受力平台上，长度补偿机构的底端固装在固定平台上。

技术总结
本发明公开了一种刚度可调式测力分支及相应的并联多维力传感器，其中的刚度可调式测力分支，包括用于将受力解耦的解耦机构、装配在测力分支解耦机构底端的用于调节分支刚度的刚度调节机构、装配在刚度调节机构底端的力传感器以及装配在力传感器底端的用于补偿分支长度的长度补偿机构；所述的刚度可调式并联多维力传感器，包括受力平台、固定平台以及并联设置的至少一组刚度可调式测力分支，解耦机构的顶端固装在受力平台上，长度补偿机构的底端固装在固定平台上。本发明能够实现测力分支刚度可变换调节、测力分支受力均匀。本发明适用于并联多维力测量中使用，特别适用于机器人腕力的六维力测量中使用。腕力的六维力测量中使用。腕力的六维力测量中使用。


技术研发人员：牛智 张丙言 张浩 周京博 杜仁杰 纪运广 李洪涛
受保护的技术使用者：河北博柯莱机器人自动化有限公司
技术研发日：2021.12.09
技术公布日：2022/3/8