CN101337355B - 具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器 - Google Patents

Abstract

具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器，本发明涉及一种关节力矩传感器。本发明解决了现有的关节力矩传感器的过载保护机构存在加工装配工艺复杂、要求较高的机械加工精度、无法实现在线调整间隙、难以实现精确的过载保护等问题。四框形芯体水平设置在加载体内，四个杆件均布水平设置在四框形芯体和加载体之间，加载体和四框形芯体通过四个杆件连接，四框形芯体和四个杆件形成十字形，加载体两侧的下端设有楔形凸台，所述楔形凸台的斜面与过渡板平行；加载体位于固定体的上方，所述四框形芯体套装在固定体上设有的凸台上。本发明中所述的力矩过载保护机构能够实现在线间隙的调整，而且具有间隙调整方便、能够实现精确的力矩保护等优点。

Description

具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器

技术领域

本发明涉及一种关节力矩传感器，具体涉及一种具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器。

背景技术

机器人灵巧手作为机器人与环境相互作用的末端操作器，其灵活性、传感器等对机器人的操作具有重要的影响。灵巧手技术已经成为机器人领域的一个重要研究方向，许多国家都在从事灵巧手的研究，也相继研制出了一些有代表性的灵巧手，技术进步主要体现在机械结构、驱动、传感、集成度以及控制等方面。灵巧手的力感知能力是实现灵巧手力控制、柔顺控制的基本前提，对于提高灵巧手的职能水平和作业水平具有重要的影响。在己研制成功的灵巧手系统中，广泛配置和应用的是基于弹性体应变原理的关节力矩传感器，除此以外，还有指尖多维力/力矩、触觉等力传感器。

为增强关节力矩传感器的可靠性，避免过载过程和冲击过程传感器应变体产生塑性变形、对传感器造成破坏，在关节力矩传感器的设计中，常采用两种方法：一、增加弹性体的尺寸、提高其强度，上述方法的缺点是降低了传感器的灵敏度；二、增加机械过载保护机构，当过载或冲击、施加于传感器弹性体上的力矩超过了传感器的测量范围时，过载保护机构开始起作用、传递力矩、保护应变梁。

在关节力矩传感器的过载保护机构中，通常采用限位块、限位孔等具有固定间隙的保护结构。基于有限元等理论分析，确定弹性体的应变和变形，并以此为依据加工、装配弹性体的变形间隙，因此，现有的关节力矩传感器的过载保护机构存在加工装配工艺复杂、要求较高的机械加工精度、无法实现在线调整间隙，难以实现精确的过载保护等问题。

发明内容

本发明为了解决现有的关节力矩传感器的过载保护机构存在加工装配工艺复杂、要求较高的机械加工精度、无法实现在线调整间隙、难以实现精确的过载保护等问题，进而提供了一种具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：本发明所述具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器由固定体、弹性体、加载体和力矩过载保护机构组成，所述固定体通过弹性体与加载体连接，所述力矩过载保护机构从固定体的下端穿过固定体，且所述力矩过载保护机构穿出端的顶端面与加载体的相对应端面之间留有间隙，或所述力矩过载保护机构从加载体的上端穿过加载体，且所述力矩过载保护机构穿出端的顶端面与固定体的相对应端面之间留有间隙；所述固定体由第一圆环体、第二圆环体、两个过渡板和中间板构成，所述中间板水平设置，第一圆环体和第二圆环体都竖直设置且二者同轴，第一圆环体的上端面和第二圆环体的上端面分别通过过渡板与中间板的两端固接，所述中间板的上端面上设有凸台，所述加载体的外形为四框体；所述弹性体由四框形芯体和四个杆件构成，四框形芯体水平设置在加载体内，所述四个杆件均布水平设置在四框形芯体和加载体之间，加载体和四框形芯体通过四个杆件连接，所述四框形芯体和四个杆件形成十字形，所述加载体两侧的下端设有楔形凸台，所述楔形凸台的斜面与过渡板平行；所述加载体位于固定体的上方，所述四框形芯体套装在固定体上设有的凸台上，所述力矩过载保护机构由两个螺钉构成，每个过渡板上开有螺孔，所述每个螺钉的一端穿出相应的螺孔，所述每个螺钉的穿出端的顶端面与加载体上的楔形凸台的斜面之间的距离为L1。

本发明具有以下有益效果：本发明中所述的力矩过载保护机构能够实现在线间隙的调整，而且具有结构简单、间隙调整方便、能够实现精确的力矩保护、占用空间小、易于实现等突出优点。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图(立体图)，图2是图1的主剖视图，图3是力矩过载保护机构4的端部与加载体3之间的间隙调整后的结构示意图，图4是本发明的主视图(所述力矩过载保护机构4从加载体3的上端穿过加载体3)，图5是在载荷T的作用下力矩过载保护机构起保护作用的状态图，图6是本发明具体实施方式二的主剖视图，图7是图6的左视图，图8是本发明具体实施方式二的立体图，图9是本发明具体实施方式三的主剖视图，图10是图9的左视图，图11是本发明具体实施方式三的立体图，图12是将本发明所述安装在机器人灵巧手关节上的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式所述力矩传感器由固定体1、弹性体2、加载体3和力矩过载保护机构4组成，所述固定体1通过弹性体2与加载体3连接，所述力矩过载保护机构4从固定体1的下端穿过固定体1，且所述力矩过载保护机构4穿出端的顶端面与加载体3的相对应端面之间留有间隙L，或所述力矩过载保护机构4从加载体3的上端穿过加载体3，且所述力矩过载保护机构4穿出端的顶端面与固定体1的相对应端面之间留有间隙L。

本具体实施方式所述的力矩传感器在使用时，固定体1固定，在加载体3施加额定最大力矩(保护力矩)T，弹性体2作为传递力(或力矩)的唯一通道、将有稳定输出；拧动、调整相应的力矩过载保护机构4，实现力矩过载保护机构4端面与加载体3(或固定体1)的接触，并使传感器的输出将有明显的变化。卸去载荷T，此时力矩过载保护机构4端面与加载体3(或固定体1)的间隙即为该传感器的工作范围。在此范围内，弹性体2作为传递力(或力矩)的唯一通道，在其弹性工作范围内，载荷与输出成线形关系；当载荷超过保护力矩时，力矩过载保护机构4将固定体1与加载体3连接、并传递力矩，弹性体2将不再继续发生变形，从而对弹性体起到力矩过载保护的作用。保证传感器在工作范围内的自由变形，当所述力矩传感器在工作范围内时，因存在间隙，力矩过载保护机构4不起作用；当加载体3的加载超过所述力矩传感器的工作范围时，力矩过载保护机构4与加载体3的下端面接触(或力矩过载保护机构4与固定体1的上端面接触)，力矩由加载体3通过力矩过载保护机构4传递到固定体1，限制弹性体2继续变形，起到力矩过载保护的作用。所述固定体1和加载体3相于弹性体2具有更高的强度，加载过程视为刚体。有效解决现有的过载保护机构存在间隙固定、结构复杂、难以实现精确力矩保护的问题。所述固定体1、弹性体2和加载体3三者可以采用分体加工后固接，也可采用一体结构加工；在传感器的工作范围内，固定体与加载体不接触，弹性体2作为传递力的唯一构件。

具体实施方式二：如图6～8所示，本实施方式所述固定体1由第一圆环体1-1、第二圆环体1-2、两个过渡板1-3和中间板1-4构成，所述中间板1-4水平设置，第一圆环体1-1和第二圆环体1-2平行设置且二者同轴，第一圆环体1-1的上端面和第二圆环体1-2的上端面分别通过过渡板1-3与中间板1-4的两端固接，所述中间板1-4的上端面上设有凸台1-4-1，所述加载体3的外形为四框体；所述弹性体2由四框形芯体2-1和四个杆件2-2构成，四框形芯体2-1水平设置在加载体3内，所述四个杆件2-2均布水平设置在四框形芯体2-1和加载体3之间，加载体3和四框形芯体2-1通过四个杆件2-2连接，所述四框形芯体2-1和四个杆件2-2形成十字形，所述加载体3两侧的下端设有楔形凸台3-1，所述楔形凸台3-1的斜面与过渡板1-3平行；所述加载体3位于固定体1的上方，所述四框形芯体2-1套装在固定体1上设有的凸台1-4-1上，所述力矩过载保护机构4由两个螺钉4-1构成，每个过渡板1-3上开有螺孔1-3-1，所述每个螺钉4-1的一端穿出相应的螺孔1-3-1，所述每个螺钉4-1的穿出端的顶端面与加载体3上的楔形凸台3-1的斜面之间的距离为L1。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式所述关节力矩传感器安装在机器人灵巧手的手指的基关节5上，其加载体3连接至中间关节6，可测量俯仰方向、侧摆方向的力矩，在俯仰方向，设有力矩过载保护机构。当基关节5受到的俯仰方向力矩超过额定载荷时，由于弹性体2的塑性应变使加载体3的变形大于L1时，两个螺钉4-1的端面与加载体3的楔形凸台3-1的斜面接触，限制弹性体继续发生变形，起到力矩过载保护作用。

具体实施方式三：如图9～11所示，本实施方式所述固定体1由两个夹板1-5和弹性体连接板1-6构成，所述两个夹板1-5相对平行设置且同轴，所述弹性体连接板1-6水平设置，两个夹板1-5的上端平面通过弹性体连接板1-6连接，所述两个夹板1-5分别开有通孔1-5-1；加载体3的外形轮廓与指尖的轮廓形状一致；所述弹性体2是截面为矩形的四棱柱体；所述力矩过载保护机构4由两个螺钉4-1构成；所述弹性体连接板1-6的两端沿其垂直方向开有两个螺孔1-6-1，所述加载体3位于固定体1的上方，所述弹性体2位于加载体3和固定体1之间且与二者固接，所述每个螺钉4-1的一端穿出相应的螺孔1-6-1，且所述每个螺钉4-1的穿出端的顶端面与加载体3的下端面之间的距离为L2。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

本实施方式所述关节力矩传感器安装在机器人灵巧手的手指的末端关节7上，其固定体1安装在手指的末端关节7内，通过指尖10加载；当手指关节受到的俯仰方向力矩超过额定载荷时，由于弹性体2的塑性应变使加载体3的变形大于L2时，两个螺钉4-1端面与加载体3的相对应面接触，限制弹性体继续发生变形，起到力矩过载保护作用。两个螺钉4-1实现传感器在测量维度上正、反两个方向的力矩过载保护。

如图12所示，机器人灵巧手的手指由三个指节(即第一指节8、中间指节9和末端指节10)以及三个关节(即基关节5、中间关节6和末端关节7)构成；机器人灵巧手的手指配置有两个关节力矩传感器，分别为基关节二维力矩传感器11(即具体实施方式二所述的力矩传感器)和手指关节一维力矩传感器12(即具体实施方式三所述的力矩传感器)，基关节二维力矩传感器11和手指关节一维力矩传感器12分别置于手指的第一指节8的基关节5上和末端指节10的末端关节7。

Claims (1)

1.一种具有力矩过载保护功能的机器人灵巧手关节力矩传感器，所述力矩传感器由固定体(1)、弹性体(2)、加载体(3)和力矩过载保护机构(4)组成，所述固定体(1)通过弹性体(2)与加载体(3)连接，所述力矩过载保护机构(4)从固定体(1)的下端穿过固定体(1)，且所述力矩过载保护机构(4)穿出端的顶端面与加载体(3)的相对应端面之间留有间隙，或所述力矩过载保护机构(4)从加载体(3)的上端穿过加载体(3)，且所述力矩过载保护机构(4)穿出端的顶端面与固定体(1)的相对应端面之间留有间隙；其特征在于：所述固定体(1)由第一圆环体(1-1)、第二圆环体(1-2)、两个过渡板(1-3)和中间板(1-4)构成，所述中间板(1-4)水平设置，第一圆环体(1-1)和第二圆环体(1-2)都竖直设置且二者同轴，第一圆环体(1-1)的上端面和第二圆环体(1-2)的上端面分别通过过渡板(1-3)与中间板(1-4)的两端固接，所述中间板(1-4)的上端面上设有凸台(1-4-1)，所述加载体(3)的外形为四框体；所述弹性体(2)由四框形芯体(2-1)和四个杆件(2-2)构成，四框形芯体(2-1)水平设置在加载体(3)内，所述四个杆件(2-2)均布水平设置在四框形芯体(2-1)和加载体(3)之间，加载体(3)和四框形芯体(2-1)通过四个杆件(2-2)连接，所述四框形芯体(2-1)和四个杆件(2-2)形成十字形，所述加载体(3)两侧的下端设有楔形凸台(3-1)，所述楔形凸台(3-1)的斜面与过渡板(1-3)平行；所述加载体(3)位于固定体(1)的上方，所述四框形芯体(2-1)套装在固定体(1)上设有的凸台(1-4-1)上，所述力矩过载保护机构(4)由两个螺钉(4-1)构成，每个过渡板(1-3)上开有螺孔(1-3-1)，所述每个螺钉(4-1)的一端穿出相应的螺孔(1-3-1)，所述每个螺钉(4-1)的穿出端的顶端面与加载体(3)上的楔形凸台(3-1)的斜面之间的距离为L1。

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