从式(2-7)可以看出,当G的列向量中部分项为零时,可实现空间正交平面内力或力矩的部分测量解耦,我们从这一特点出发提出了一种正交并联六维传感器。正交并联六维力传感器由固定平台、测力平台、支撑立柱以及测量分支组成,图2-3所示为正交并联六维力传感器六分支结构。测量分支分为两组,分别水平和竖直布置于测力平台和固定平台之间。每个测量分支的中部均贴有应变片,用于检测分支所受轴向力。竖直测量分支和水平测量分支均关于固定平台中心轴线呈圆周对称分布。竖直测量分支两端通过弹性球铰与固定平台和测力平台相连接。水平测量分支两端通过弹性球铰与固定平台和测力平台上的支撑立柱连接,且分支轴线不交于同一点。

图2-3　正交并联六维力传感器六分支结构(www.daowen.com)

该六维力传感器的测量分支两端为弹性球铰,理想情况下可以看作二力杆,故只承受轴向拉压力。由于测量分支在空间呈水平和竖直正交布置,因此当作用力为x和y方向力、z方向力矩时,可分别由三个水平布置的测量分支来测量。当作用力为z方向力、x和y方向力矩时,可分别由三个竖直测量分支来测量。这样不仅从原理上实现了六维外力的准确测量,而且在一定程度上是解耦的。

为分别推导正交并联结构六维力传感器的数学模型,下面提出六分支和八分支两种结构的正交并联六维力传感器,并对其进行详细的分析。