CN101233414B - 传感器部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有基准底座的传感器部件。以所述基准底座的底面和一个侧面作为基准面，将加速度传感器块状物和角速度传感器支撑杆设置在所述基准底座上。检测在X轴、Y轴和Z轴延伸的方向上作用的加速度的三个加速度传感器，分别安装到所述加速度传感器块状物的三个面上。检测关于所述X轴、Y轴和Z轴的角速度的三个角速度传感器安装到板上，所述板分别用螺钉通过用作防振橡胶部件的橡胶衬套安装到所述角速度传感器支撑杆上。

Description

传感器部件

技术领域

本发明涉及一种传感器部件，更具体地，涉及一种包括加速度传感器和角速度传感器的传感器部件，所述传感器部件被用于，例如，控制机器人的姿态。

现有技术

加速度传感器和角速度传感器被用于控制例如机器人的活动体的姿态。机器人的三个彼此正交的轴被称为X轴、Y轴和Z轴。在X轴、Y轴和Z轴延伸的方向上作用的加速度由相应的三个加速度传感器检测。关于X轴、Y轴和Z轴的角速度由相应的三个角速度传感器检测。对来自角速度传感器的输出进行时间积分获取关于轴的角度或姿态角，并计算俯仰角、侧倾角和横摆角。

日本专利申请公开号为JP-A-2004-268730的日本专利申请说明一种利用由陀螺仪传感器传输的加速度有关的数据和姿态有关的数据来执行姿态控制的技术。

例如，当在机器人中使用加速度传感器时，需要精确地设定加速度传感器的方位，从而使作用在加速度传感器上的以及加速度传感器应该检测的加速度的方向，分别与机器人的X轴、Y轴和Z轴延伸的方向精确地匹配。因此，可以减小在其它轴延伸的方向上作用的加速度对每个加速度传感器的影响(例如，在检测在X轴延伸的方向上作用的加速度的加速度传感器的情况中，可以减小在Y轴和Z轴延伸的方向上作用的加速度对这个加速度传感器的影响)。当将加速度传感器安装到传感器部件时，或当用新的加速度传感器进行替代时，需要将加速度传感器精确地设置在适当的位置上。同样需要修正和补偿加速度传感器内产生的温度漂移。

当例如在机器人中使用角速度传感器时，需要减小外部振动的影响，特别是例如电动机伺服的振动的高频振动以保持姿态角的精确性。

发明内容

本发明提供一种传感器部件，在该传感器部件中加速度传感器和角速度传感器被精确地固定在适当的位置上。

本发明的第一方案涉及包括加速度传感器的传感器部件。所述传感器部件包括基准底座、加速度传感器块状物以及加速度传感器。从上方看时基准底座是具有矩形形状的平板，基准底座具有用于将加速度传感器固定在适当的位置的基准面。加速度传感器块状物具有矩形棱镜形状。加速度传感器块状物至少以基准底座的底面和一个侧面作为基准面来定位。加速度传感器块状物被设置在基准底座上以相对于基准底座保持垂直。加速度传感器被安装到加速度传感器块状物的表面。加速度传感器被安装到加速度传感器块状物的三个面，即，平行于基准底座的底面的面，与基准底座的一个侧面有特定位置关系并与基准底座的底面正交的面，以及分别与所述三个面中的另外两个面正交的面，并且所述三个面相对于基准底座是固定的。加速度传感器分别检测在X轴、Y轴和Z轴延伸的方向上作用的加速度。X轴、Y轴和Z轴彼此正交。

根据第一方案，基准底座设置在传感器部件中，并且至少以基准底座的两个面作为基准面对加速度传感器定位。其上安装有加速度传感器的加速度传感器块状物，设置在基准底座上以相对于所述基准底座保持垂直。加速度传感器块状物设置在基准底座上，从而使加速度传感器块状物的上面平行于基准底座的底面，并且加速度传感器块状物的两个侧面与基准底座的底面正交。通过将加速度传感器安装到加速度传感器块状物的上面和两个侧面，容易并精确地对三个加速度传感器定位。当基准底座构成X-Y平面时，加速度传感器块状物在Z轴延伸的方向上延伸，并且加速度传感器块状物的上面和两个侧面分别限定出X轴、Y轴和Z轴。安装到加速度传感器块状物的三个面上的三个加速度传感器，分别检测在X轴、Y轴和Z轴延伸的方向上作用的加速度。精确地对基准底座定位使得基准底座的X轴和Y轴分别与机器人的X轴和Y轴相匹配，可以精确地对加速度传感器相对于机器人的方位定位。

在本发明的第一方案中，温度传感器可以被固定到加速度传感器块状物上的靠近加速度传感器的位置上。由温度传感器检测到的温度用于修正或补偿来自加速度传感器的输出。因此，通过补偿在加速度传感器内产生的温度漂移可以精确地检测加速度。尽管加速度传感器块状物可以用任何材料形成，但是为了能用温度传感器精确地测量加速度传感器的温度，可以利用具有高导热率的材料。

根据第一方案的传感器部件可进一步包括：第一支撑构件、第二支撑构件、角速度传感器安装块状物及第三支撑构件，其中所述第一支撑构件和所述第二支撑构件以基准底座的底面作为基准面设置在基准底座上以使它们相对于基准底座保持垂直，所述角速度传感器安装块状物是平板且以所述基准底座的底面作为基准面相对于所述基准底座保持垂直，所述第三支撑构件相对于所述角速度传感器安装块状物的与所述基准面正交的一个侧面保持垂直；第一角速度传感器，其固定到板的表面上，所述板通过相应的防振弹性构件安装到第一支撑构件上，从而使第一角速度传感器平行于基准底座的底面并检测关于X轴的角速度；第二角速度传感器，其固定到板的表面上，所述板通过相应的防振弹性构件安装到第二支撑构件上，从而使第二角速度传感器平行于基准底座的底面并检测关于Y轴的角速度；及第三角速度传感器，其固定到板的表面上，所述板通过相应的防振弹性构件安装到所述第三支撑构件上，从而使第三角速度传感器与基准底座的底面和一个侧面正交并检测关于Z轴的角速度。由于角速度传感器固定到板上，而所述板安装到用基准底座的底面作为基准面设置的支撑构件上，与加速度传感器的情况一样，角速度传感器被容易并精确地固定在适当的位置上。此外，角速度传感器固定到板上，所述板通过防振弹性构件安装到支撑构件上。因此，可以抑制外部振动的影响。

本发明的上述方案可以使加速度传感器或角速度传感器精确地固定在适当的位置上。因此，机械地确保了安装加速度传感器的精确性。

附图说明

将下文中示例性实施例与附图相结合，本发明上述和另外的目的、特征和优点将变得明显，其中相同或相应的部分将由相同的附图标记表示，并且其中：

图1所示为根据本发明实施例的传感器部件的平面图；

图2所示为根据本发明实施例的传感器部件的侧视图和

图3所示为部分地示出了根据本发明实施例的传感器部件的分解立体图。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明进行详述。

图1所示为根据本发明实施例的传感器部件10的平面图。图2所示为根据本发明实施例的传感器部件10的侧视图。尽管传感器部件10被实际容纳在箱子内(未示出)，图1和图2中的每一个均表示没有箱子的传感器部件10(即，图1和图2中的每一个均表示箱子内部的结构)。

传感器部件10在其底部具有基准底座12。从上方看时，基准底座12是具有矩形形状的平板。当加速度传感器和角速度传感器设置在基准底座12上时，基准底座12提供用作基准面的安装基准面。更具体地，基准底座12的底面12A和侧面12B被用作基准面。基准底座12由诸如铝的材料制成。

使用基准底座12的两个基准面12A和12B作为定位用的基准，加速度传感器块状物14在预定位置相对于基准底座保持垂直。加速度传感器块状物14是矩形棱镜。定位加速度传感器块状物14使其上面平行于基准面12A，并且其侧面与基准面12A正交。同样，定位加速度传感器块状物14使其两个彼此正交的侧面中的一个平行于基准面12B，并且另一个侧面与基准面12B正交。加速度传感器块状物14可以与基准底座12分开形成。另一种选择是，加速度传感器块状物14可以与基准底座12整体形成。加速度传感器块状物14由具有高导热率的材料制成，例如，铝。这是因为加速度传感器的温度是通过安装到加速度传感器块状物14上的温度传感器测量得到，如下文详述。加速度传感器块状物14的彼此正交的三个面，即上面和两个侧面，限定了直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴。加速度传感器块状物14的上面的标准矢量平行于Z轴。加速度传感器块状物14的彼此正交的两个侧面的标准矢量分别平行于X轴和Y轴。

三个加速度传感器16，即第一加速度传感器，第二加速度传感器及第三加速度传感器，与加速度传感器块状物14相应的三个面相结合。第一加速度传感器与彼此正交的两个侧面中的一个相结合。第二加速度传感器与彼此正交的两个侧面中的另一个相结合。第三加速度传感器与上面相结合。相对于基准底座12的基准面精确地对加速度传感器块状物14的每个面定位。因此，如果使用，例如夹具，将每个加速度传感器16与加速度传感器块状物14相结合，使得用于测量加速度的加速度传感器16的表面平行于结合有该加速度传感器16的传感器块状物14的表面，则将获得如下效果。加速度传感器16的方位可以容易地设定，从而使作用在加速度传感器16上并且加速度传感器16应该检测的加速度的方向，分别与机器人的X轴、Y轴和Z轴延伸的方向精确地匹配。由于基准底座12或包括基准底座12的传感器部件10在机器人中精确地定位和固定，加速度传感器16应该检测的加速度的方向，分别与机器人的X轴、Y轴和Z轴精确地匹配。当用新的加速度传感器进行替代时，通过将新的加速度传感器16精确地结合到传感器块状物14的相应表面，可以获得上述效果。

温度传感器17设置在加速度传感器块状物14的一个侧面上靠近加速度传感器16的位置。在图2中，温度传感器17设置在加速度传感器16下方的位置。然而，温度传感器17的位置不局限于图2中的位置。温度传感器17可以设置在加速度传感器16上方的位置。加速度传感器块状物14由具有高导热率的材料制成，例如，铝。因此，将温度传感器17靠近加速度传感器16设置，可以精确地检测加速度传感器16的温度。可以基于温度传感器17和加速度传感器16之间的距离，来修正由温度传感器17获取的数据。由温度传感器17获取的与加速度传感器16的温度有关的数据，用于修正或补偿在加速度传感器16内产生的温度漂移。主处理器基于来自温度传感器17的输出，根据预先设定并存储在存储器中的修正表或修正公式，来修正来自加速度传感器16的输出。

四个用作支撑构件的角速度传感器支撑杆18组成一组。每组中的四个角速度传感器支撑杆18相对于基准底座12的上面保持垂直，从而使其定位在矩形的四个角。在图1中，两组角速度传感器支撑杆18，即八个角速度传感器支撑杆18相对于基准底座12的上面保持垂直以安装两个角速度传感器24，即，第一角速度传感器24和第二角速度传感器24。八个角速度传感器支撑杆18分组为第一组中的四个角速度传感器支撑杆18和第二组中的另外四个角速度传感器支撑杆18。第一组中的角速度传感器支撑杆18比第二组中的角速度传感器支撑杆18短。由第一组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边与由第二组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边正交。由第一组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边与基准面12B正交。由第二组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边与基准面12B平行。由第一组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边与Y轴平行，而其短边与X轴平行。由第二组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边与X轴平行，而其短边与Y轴平行。“矩形”意味着四个角速度传感器支撑杆18定位在其相应的四个角上的矩形。第一组和第二组中的角速度传感器支撑杆18相对于基准底座12的底面12A保持垂直。每个角速度传感器支撑杆18的上端部大体形成为倒锥形，以用作防振橡胶衬套座。

角速度传感器安装块状物19在靠近角速度传感器支撑杆18的位置，相对于基准底座12保持垂直。角速度传感器安装块状物19是平板。第三组中的四个角速度传感器支撑杆18相对于角速度传感器安装块状物19的一个侧面保持垂直。设置所述四个角速度传感器支撑杆18以使其在X轴延伸的方向上延伸。第三组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的长边平行于Y轴延伸。第三组中的四个角速度传感器支撑杆18限定的矩形的短边与X轴和Y轴中的每一个均正交，并且平行于Z轴。

第一角速度传感器24安装到印刷电路板23上，所述印刷电路板23用螺钉22通过用作防振弹性构件的橡胶衬套20固定到第一组中的角速度传感器支撑杆18上。同样地，第二角速度传感器24安装到另一个印刷电路板23上，所述印刷电路板23用其它螺钉22通过其它橡胶衬套20固定到第二组中的角速度传感器支撑杆18上。第一角速度传感器24检测关于X轴的角速度。第二角速度传感器24检测关于Y轴的角速度。另一个角速度传感器24，即第三角速度传感器24安装到另一个印刷电路板23上。该印刷电路板23用其它螺钉22通过其它橡胶衬套20固定到第三组中的角速度传感器支撑杆18上。所述第三组中的角速度传感器支撑杆18相对于角速度传感器安装块状物19的一个侧面保持垂直。此侧面与基准面12B正交。第三角速度传感器24检测关于Z轴的角速度。

图3为检测关于X轴的角速度的第一角速度传感器24的分解立体图。四个角速度传感器支撑杆18相对于基准底座12的底面12A保持垂直。印刷电路板23用螺钉22通过橡胶衬套20固定到角速度传感器支撑杆18上。第一角速度传感器24连接到印刷电路板23中的电路。每个橡胶衬套20均具有通孔。每个橡胶衬套20形成为两端的横截面均大于其它部分的横截面。橡胶衬套20安装到的缺口23a形成在印刷电路板23上橡胶衬套20接触印刷电路板23的位置上。印刷电路板23由角速度传感器支撑杆18通过橡胶衬套20支撑。橡胶衬套20用作防振橡胶构件，从而抑制例如由电动机伺服引起的外部振动传递到第一角速度传感器24。当用螺钉22将印刷电路板23固定到角速度传感器支撑杆18上时，橡胶衬套20在橡胶衬套20的拉紧力和弹簧常数的作用下变形。然而，由于每个角速度传感器支撑杆18的橡胶衬套座按照与橡胶衬套20相接触的表面足够宽和平的方式形成，橡胶衬套20实质上均匀地变形。这抑制了用螺钉22将印刷电路板23固定到角速度传感器支撑杆18上时，由于橡胶衬套20的不均匀形变产生的第一角速度传感器24的倾斜。对其他角速度传感器24应用相似的说明。

根据至此对本发明的说明，基准底座12设置在传感器部件10中，将基准底座12的两个面用作基准对加速度传感器16和角速度传感器24定位和固定。因此，可以进行精确地测量，并且当用新的传感器进行替代时，可以容易地将传感器设置在适当的位置上。

根据本发明的实施例，温度传感器17与加速度传感器16一起，固定到用于定位的、具有高导热率的加速度传感器块状物14上。因此，可以精确地测量加速度传感器16的温度，并且补偿在加速度传感器16内产生的温度漂移。

根据本发明的实施例，角速度传感器24固定到相应的印刷电路板上，所述印刷电路板通过橡胶衬套20固定到角速度传感器支撑杆18上。因此可以避免外部振动的影响，从而精确地测量角速度。此外，可以通过对角速度进行时间积分来检测关于每个轴的姿态角。角速度传感器24的共振频率取决于印刷电路板23的质量“m”和橡胶衬套20的弹簧常数“ k”。因此，质量“m”和弹簧常数“k”应被调节到适当值。

任何类型的加速度传感器和角速度传感器可以用作本发明实施例中的加速度传感器16和角速度传感器24。例如，角速度传感器24可以由晶体、多晶硅、单晶硅、金属薄膜、压电物质、金属和压电物质等制成。

根据本发明的实施例，加速度传感器16和角速度传感器24均设置在基准底座12上。然而，只有加速度传感器块状物14和加速度传感器16可以设置在基准底座12上。

根据本发明的实施例，加速度传感器16，检测关于X轴和Y轴的角速度的角速度传感器24，以及检测关于Z轴的角速度的角速度传感器24，按照这个顺序在图1中从左至右排列在基准底座12上。然而，这些传感器的排列顺序可以改变。例如，加速度传感器16，检测关于Z轴的角速度的角速度传感器24，以及检测关于X轴和Y轴的角速度的角速度传感器24，可以按照这个顺序在图中从左至右排列在基准底座12上。还有一种选择是，检测关于X轴和Y轴的角速度的角速度传感器24，加速度传感器16，以及检测关于Z轴的角速度的角速度传感器24，可以按照这个顺序在图中从左至右排列在基准底座12上。

根据本发明的实施例，以基准底座12的底面12A和侧面12B作为基准面对加速度传感器16和角速度传感器24定位。然而，基准底座12的另一个侧面可以作为基准面。

根据本发明的实施例，传感器部件10被安装到机器人上以控制机器人的姿态角。然而，本发明不局限于上述实施例。根据本发明的传感器部件10可以安装到任何类型的活动体，所述活动体在X轴、Y轴和Z轴延伸的方向上可自由移动，并且可关于X轴、Y轴和Z轴自由转动。

Claims (5)

1.一种传感器部件，其包括：

基准底座(12)，从上方看时所述基准底座(12)是具有矩形形状的平板；

块状物(14)，其具有矩形棱镜形状，所述块状物(14)至少以所述基准底座的底面(12A)和一个侧面(12B)作为基准面来定位，并设置在所述基准底座上以相对于所述基准底座保持垂直，其中所述块状物具有平行于所述基准底座的底面的第一面，与所述基准底座的一个侧面有特定位置关系并与所述基准底座的底面正交的第二面，以及与所述第一面和所述第二面中的每个均正交的第三面，并且所述第一面、第二面和第三面相对于所述基准底座是固定的；

第一加速度传感器(16)，其安装到所述第一面并检测在Z轴延伸的方向上作用的加速度；

第二加速度传感器(16)，其安装到所述第二面并检测在X轴延伸的方向上作用的加速度；和

第三加速度传感器(16)，其安装到所述第三面并检测在Y轴延伸的方向上作用的加速度，其中

所述X轴、Y轴和Z轴彼此正交。

2.如权利要求1所述的传感器部件，其中

所述块状物(14)的定位使所述第二面平行于所述基准底座的一个侧面(12B)。

3.如权利要求1或2所述的传感器部件，进一步包括：

温度传感器(17)，其安装到所述块状物(14)上并靠近所述加速度传感器(16)设置；及

处理器，其基于由所述温度传感器检测到的温度修正来自所述加速度传感器的输出。

4.如权利要求1或2所述的传感器部件，进一步包括：

第一支撑构件(18)、第二支撑构件(18)、角速度传感器安装块状物(19)及第三支撑构件(18)，所述第一支撑构件(18)和所述第二支撑构件(18)以所述基准底座的底面作为基准面设置在所述基准底座上以使它们相对于所述基准底座(12)保持垂直，所述角速度传感器安装块状物(19)是平板且以所述基准底座的底面作为基准面相对于所述基准底座(12)保持垂直，所述第三支撑构件(18)相对于所述角速度传感器安装块状物(19)的与所述基准面(12B)正交的一个侧面保持垂直；

第一角速度传感器(24)，其固定到板的表面上，所述板通过相应的防振弹性构件(20)安装到所述第一支撑构件上，从而使所述第一角速度传感器平行于所述基准底座的底面并检测关于X轴的角速度；

第二角速度传感器(24)，其固定到板的表面上，所述板通过相应的防振弹性构件(20)安装到所述第二支撑构件上，从而使所述第二角速度传感器平行于所述基准底座的底面并检测关于Y轴的角速度；及

第三角速度传感器(24)，其固定到板的表面上，所述板通过相应的防振弹性构件(20)安装到所述第三支撑构件上，从而使所述第三角速度传感器与所述基准底座的底面和所述一个侧面正交并检测关于Z轴的角速度。

5.如权利要求4所述的传感器部件，其中

所述防振弹性构件(20)是橡胶衬套，

所述第一支撑构件(18)、所述第二支撑构件(18)和所述第三支撑构件(19)形成为支撑杆；及

橡胶衬套座形成在所述第一支撑构件(18)、所述第二支撑构件(18)和所述第三支撑构件(18)的端部，所述端部与所述橡胶衬套接触，从而当安装有所述第一角速度传感器、所述第二角速度传感器和所述第三角速度传感器的所述板分别用螺钉经由所述橡胶衬套安装到所述第一支撑构件、所述第二支撑构件和所述第三支撑构件上时，所述橡胶衬套实质上均匀地变形。

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