上述传感器的结构都具备刚度高、结构紧凑等优点,这类结构称为一体式结构,但其力敏元件的测量都存有一定程度上的耦合,即力敏元件的输出信号与空间六维力的每个力/力矩分量有关无法实现完全解耦,这就对其测量精度有一定的影响,所以上述结构的弹性体设计适用的测量对象范围较窄。

Stewart并联机构凭借其特有的结构优点,如刚度较大、承载力强、无误差积累等[26],在设计中得到了良好效果。基于Stewart并联结构的六维力传感器测量分支杆采用球铰结构与本体连接,敏感元件设计在分支杆上,对传感器机构进行静力学分析可得,其受空间外力时各分支上的敏感元件间没有应力耦合,所以不需利用改变贴片方式进行解耦。因此,由于结构上的这些优势,许多学者都基于Stewart平台演变研制出不同形式的六维力传感器,并以此作为基础对其进行参数优化、测量性能分析等方面进行了深入的研究。

Dwarakanath[27～29]设计了环形敏感元件及基于点接触式和梁式六分支两种结构的六维力传感器,分别如图1-10所示。

图1-10　Dwarakanath等的六维力传感器

(a)环形敏感元件及基于点接触式;(b)梁式六分支

Ranganath[30]和Krouglicof等[31]也对Stewart并联结构六维力传感器进行了研究,如图1-11所示。Zhen Gao等[32]研制了一种三维加速度传感器,其敏感元件采用铝合金材质,以3RRPRR形式布置,能够实现完全解耦,如图1-12所示,利用人体动作实验研究确定了其测量可行性。Mura[33]研制了一种基于Stewart并联结构的六维位移传感器。该传感器以单维位移传感器作为测量分支,将待测物体放在上下平台之间,依据并联机构运动学求解空间内的三维移动和三维转动。

图1-11　Ranganath等的六维力传感器(www.daowen.com)

图1-12　Zhen Gao等的三维加速度传感器

在国内,熊有伦[34]研究了各向同性的定义和相关性质,同时提出了机器人传感器优化设计原则。王航等[35]对任务模型又进行了进一步的研究,通过优化结构参数使传感器数学模型能够满足任务椭球,从而适应实际测量需求。赵永生等[36,37]提出了一种预紧式六维力传感器,设计了该样机同时进行了实验研究,如图1-13所示。在之后的研究中,燕山大学王志军提出并设计出双层预紧式六维力传感器,如图1-14所示,同时对其基础理论及静态、动态标定实验进行了研究。2013年,赵延治[38]等提出了一种12分支结构的并联六维力传感器,如图1-15所示,并进行了受力及仿真分析。

图1-13　预紧式六维力传感器

图1-14　双层预紧式六维力传感器

图1-15　12分支并联六维力传感器