[发明专利]一种并联分载式六维力传感器结构优化方法

摘要

本发明公开了一种并联分载式六维力传感器的结构优化方法，并联分载式六维力传感器以中心承载梁作为载荷辅助支撑，能够实现传感器承载能力的大幅提升。该结构优化方法基于并联六维力传感器中并联支链力固定不变的条件，研究传感器量程与结构参数的相互影响规律。该方法以各支链处于安全工作状态下的最大支链承载力为条件，以此时六维力传感器的量程作为基础值，改变中心承载梁及支链参数得到传感器新的量程，通过建立传感器综合增量量程模型，优选出传感器结构参数；相比传统的传感器结构优化方法，该方法一方面便于进行中心承载梁的参数设计以满足传感器的承载需求，另一方面便于针对承载需求适当调整传感器的支链参数进行优化。

主权项

1.一种并联分载式六维力传感器的结构优化方法，应用的并联分载式六维力传感器包括上平台、下平台、n条并联机构支链、中心承载梁；所述中心承载梁位于上平台与下平台之间，且中心承载梁的两端分别连接上平台与下平台的中心处；所述支链并联于上、下平台之间，与上、下平台构成Stewart并联结构；其特征在于，该方法的步骤如下：步骤一、固定支链力获取根据传感器各支链的强度极限，保证各个支链均处于安全工作状态，确定传感器的固定支链力容许的最大值为：f＝[f₁ f₂ … f_n]^T其中，f为支链力矢量，f₁～f_n分别为1～n支链的轴向力，该轴向力利用每个支链中间串联单维拉压力传感器获得，传感器支链数目为n，n取6～8；步骤二、基准量程获取设没有中心承载梁时，利用并联六维力传感器的负载力与支链反力之间的雅克比矩阵映射关系，确定传感器的基准量程为：F₀＝J₁₀·f＝[F_x0 F_y0 F_z0 M_x0 M_y0 M_z0]^T其中，F₀为基准量程，F_x0、F_y0、F_z0分别为六维力传感器在x、y、z三方向所受外负载力，M_x0、M_y0、M_z0分别为六维力传感器在x、y、z三方向所受外负载力矩，J₁₀为六维力传感器Stewart并联结构的雅克比矩阵；步骤三、分载式六维力传感器的量程获取当设置中心承载梁后，分载式六维力传感器的负载力F由两部分构成，分别为：Stewart并联结构分载部分力F_s和中心承载梁分载部分力F_c；F_s可由并联机构力雅可比矩阵映射关系得到：F_s＝J₁₀·fF_c可由中心承载梁的负载力与支链力之间的映射关系得到：F_c＝J₂₀·f其中，J₂₀为中心承载梁的力映射矩阵；由F_s和F_c得到分载式六维力传感器的总负载力即总量程为：F＝F_c+F_s步骤四、J₂₀的获取通过正向运动学分析可以求得传感器各支链变形△l与传感器上平台中心点的微位移△x之间的关系：△l＝J₁₀^T·△x其中，△l＝[△l₁ △l₂ … △l_n]^T；△x＝[△d₁ △d₂ △d₃ △w₁ △w₂ △w₃]^T；l₁～l_n分别为1～n支链的变形量；d₁～d₃分别为上平台中心点的x、y、z方向的平动位移；w₁—～w₃分别为上平台中心点的x、y、z方向的转动位移；其中，通过胡克定律可以求得传感器各支链变形量△l：其中，K_s为传感器支链的刚度向量；中心承载梁顶端变形量与传感器上平台的变形量一致，因此中心承载梁的变形量△x与支链力f之间的关系：通过传感器受力与变形之间关系求得传感器中心承载梁分载的部分力F_c：其中，K_c为中心梁的刚度矩阵；由此，中心承载梁的力映射矩阵J₂₀的可表示为：步骤五、量程影响参数影响传感器量程的参数包括：中心承载梁的半径r_c，中心承载梁的弹性模量E_c，并联结构支链的半径r_s，通过对并联分载式六维力传感器中中心承载梁与支链的实际测量获取；步骤六、分载后对比量程值获取将分载式六维力传感器的量程值与基准量程值做差，得到分载后的对比量程值△F：△F＝F‑F₀＝J₂₀·f步骤七、传感器结构参数优选基于步骤六中△F的关系式建立传感器综合增量量程模型△FM_sum，给定传感器中心承载梁的半径r_c，中心承载梁的弹性模量E_c，并联结构支链的半径r_s的范围，就可以得到对应最大增量量程的参数；其中，△FM_sum为传感器综合增量量程，k₁～k₆为传感器增量量程六维分量的比率系数，一般取为1/6，△F_x、△F_y、△F_z、△M_x、△M_y、△M_z分别为传感器量程值△F的六维分量。