CN103654802B - 多自由度手腕力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三自由度手腕力矩测量装置，包括三维旋转机构，机架，传感机构；其中，三维旋转机构通过轴承与机架连接，传感机构与三维旋转机构连接。机架包括后座套、底座、前支座、后支座。本发明通过传感机构与外部的三维旋转机构、机架共同作用进行测量，每一个传感器负责测量一个自由度的力矩，维旋转机构、机架起到支持和服务的作用，传感器的三根测量轴的延长线焦点在手腕中心，减少了误差；三个传感器分别对应一个轴，手腕在用力的时候，会在三个轴中各加一定的力矩，传感器分别进行测量。三个传感器互不干涉，不存在耦合的问题，测量出的数值能直接的反映出手腕的力矩。

Description

多自由度手腕力矩测量装置

技术领域

本发明涉及力矩测量，具体地，涉及一种多自由度手腕力矩测量装置。

背景技术

工业领域的力或力矩传感器种类繁多，但是能应用于人体关节的力或力矩传感器还比较匮乏，尤其是针对腕部这种灵活的关节，给测量机构设计带来了比较大的困难，再加上手腕力矩信息的独特性，目前国内相关专利较为少见。

经文献检索发现，中国专利公开号为CN202355418U，专利名称为：手操作力测量仪，申请日为2011年11月15日。该设备主要功能在于测量手部推力、拉力、扭力、手指捏力、拔力。该设备仅能反映手腕绕手臂旋转时扭力，无法采集手腕多个方向的力矩，且各传感器相互独立，无法同步采集多种测量数值。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多自由度手腕力矩测量装置。

根据本发明的一个方面，提供的一种多自由度手腕力矩测量装置包括三维旋转机构、机架、传感机构；

其中，三维旋转机构通过轴承与机架连接，传感机构与三维旋转机构连接。

优选地，所述机架包括后座套、底座、前支座、后支座；

其中，底座通过下方的凹槽与前支座的凸起连接，用于实现定位功能，底座同时与后支座连接；前支座设置有带有凹层的第一法兰，后座套设置有第一法兰相匹配的第二法兰，前支座通过第一法兰和第二法兰与后座套相连接，前支座同时与底座相连。

优选地，所述三维旋转机构包括中心环、连接轴Z1、连接轴Z2、连接轴X1、连接轴X2、中间套以及把手；其中，中心环与连接轴Z1、连接轴Z2、连接轴X1、连接轴X2以及把手相连，连接轴Z1、连接轴Z2、连接轴X1、连接轴X2分别通过轴承与中间套连接。

优选地，所述把手包括第一把手边、第二把手边、把手杆；

其中，第一把手边通过把手杆和第二把手边连接。

优选地，所述传感机构包括：X向传感器、Y向传感器、Z向传感器、X向法兰、Y向法兰、Z向法兰、X向联轴器、Z向联轴器、X向连杆、Y向连杆以及Z向连杆；

其中，X向传感器一端与X向法兰连接，另一端通过X向联轴器与连接轴X1连接；Y向传感器一端与后支座连接，另一端与Y向法兰连接；Z向传感器一端与Z向法兰连接，另一端通过Z向联轴器与连接轴Z1连接；X向连杆一端与X向法兰连接，另一端与第一把手边连接；Y向连杆将Y向法兰与所述中间套连接在一起；Z向连杆一端与Z向法兰连接，另一端与中间套连接。

优选地，所述X向连杆包括第一X向连杆、第二X向连杆以及第三X向连杆；

其中，第一X向连杆、第二X向连杆以及第三X向连杆均一端与X向法兰连接，另一端与第一把手边连接。

优选地，所述Y向连杆包括第一Y向连杆、第二Y向连杆以及第三Y向连杆；

其中，第一Y向连杆、第二Y向连杆以及第三Y向连杆均一端与Y向法兰连接，另一端与所述中间套连接在一起。

优选地，所述Z向连杆包括第一Z向连杆、第二Z向连杆以及第三Z向连杆；

其中，第一Z向连杆、第二Z向连杆以及第三Z向连杆均一端与Z向法兰连接，另一端与中间套连接。

优选地，所述X向传感器、Y向传感器以及X向传感器均采用TL302单轴力矩传感器，其中，X向传感器和Z向传感器为单轴单法兰，Y向传感器为双法兰传感器。

优选地，底座设有长孔，用于调节后支座的相对位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过传感机构与外部的三维旋转机构、机架共同作用进行测量，每一个传感器负责测量一个自由度的力矩，维旋转机构、机架起到支持和服务的作用，有以下优点

1.测量误差小

考虑到了阿贝误差，即测量仪器的轴线与待测弓箭轴线若不在同直线上就会产生误差，为了减少误差，传感器的三根测量轴的延长线焦点在手腕中心，与轴焦点重合。

2.自由度互不干扰

三个传感器分别对应一个轴，手腕在用力的时候，会在三个轴中各加一定的力矩，传感器分别进行测量。三个传感器互不干涉，不存在耦合的问题，测量出的数值能直接的反映出手腕的力矩。

3.结构简单方便操作

本发明结构简单，无需训练或教学即可测试，传感器采用模拟量输出，可通过数据采集卡方便采集实时手腕力矩值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构正二侧视图；

图2为本发明的中间套装配示意图；

图3为本发明的中Y向传感器的剖视图；

图4为本发明的中X向传感器的剖视图。

图中：

2为连接轴X1，3为连接轴X2，4为连接轴Z1，5为连接轴Z2。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供的多自由度手腕力矩测试装置包括三维旋转机构、机架、传感机构。其中三维旋转机构通过轴承与机架连接，传感机构的固定装置与三维旋转机构连接。定义手腕的三个旋转自由度为X、Y和Z，以手背向上位标准，其中X轴对应的旋转是上下翻，Z轴对应的旋转式左右转，Y轴对应的旋转是手臂的旋转。每个自由度通过一个力矩传感器来实现力矩的测量。

如图1、图2所示，三维旋转机构主要包括中心环1、连接轴X1、连接轴X2、连接轴Z1、连接轴Z2、中间套7、第一把手边10、第二把手边11、把手杆12、第一轴承6、第二轴承8。其中第一把手边10与连接轴X1固定连接，第二把手边11与连接轴X2固定连接。中心环1与连接轴X1、连接轴X2、连接轴Z1、连接轴Z2以螺栓固定连接。把手杆12与第一把手边10及第二把手边11固定连接；连接轴X2通过第一轴承6与中间套7连接，连接轴Z2通过第二轴承8与中间套7连接。

机架主要包括前支座20、底座21、后支座22和后座套9。其中，后座套9通过轴承与中间套7连接，另一方面通过第二法兰与机架相连，从而实现Ｙ向旋转力矩的测量；底座21通过凹槽与前支座的20凸起连接，实现定位功能，同时通过螺栓与后支座22连接；前支座20的主要部分是带有凹层部分的第一法兰，其中的凹层是为了使后座套9的第二法兰能够安装，实现一定的定位功能，并支撑一定的重力，同时前支座20通过螺栓与底座21相连；后支座22与Y向传感器24通过螺栓连接，下部通过螺栓与底座21连接。如图3，可以看到Y向传感器。

传感机构包括X向连杆13、X向法兰14、连轴器15、Y向法兰19、Y向连杆18、Z向连杆16、Z向法兰17、X向传感器25、Y向传感器24、Z向传感器23。其中，X向传感器25一端通过螺栓与X向法兰14连接，另一端通过X向联轴器与连接轴X1连接，X向连杆13包括第一X向连杆、第二X向连杆、第三X向连杆，其中，第一X向连杆、二X向连杆、三X向连杆两端都有螺纹孔，一端与X向法兰14连接，另一端与第一把手边10连接。Y向传感器24一端与后支座22连接，另一端与Y向法兰19连接，Y向连杆18包括第一Y向连杆、第二Y向连杆以及第三Y向连杆，Y向法兰19另一端通过Y向连杆18与中间套7连接。Z向传感器一端通过螺栓与Z向法兰连接，另一端通过Z向联轴器与中心环连接轴Z1连接。Z向连杆16包括第一Z向连杆、第二Z向连杆以及第三Z向连杆，第一Z向连杆、第二Z向连杆以及第三Z向连杆通过螺栓与中间套7连接。传感器采用的是TL302单轴力矩传感器。根据需要一共有三个传感器，其中X向和Z向传感器为单轴单法兰传感器，Y向传感器为双法兰传感器。图3、图4分别是Y向传感器的剖视图和X向传感器的剖视图。

本发明使用过程如下：将手臂伸入中间套7，手腕通过中心环1，手握住把手杆12，当手腕上下运动时带动X向法兰14绕X轴转动，通过联轴器15带动X向传感器产生扭矩；当手腕左右扭动时，手腕带动Z向法兰17绕Z轴转动，带动Z向传感器产生扭矩；当手腕绕Y轴旋转，带动中间套7及Y向法兰19运动，对Y向传感器产生扭矩。

最后通过数据采集卡读取X向传感器、Y向传感器以及Z向传感器输出的模拟量，得到力矩数值。X向传感器、Y向传感器以及Z向传感器的测量范围相同，都是25Nm，采用0-5V电压输出信号

本发明考虑了阿贝误差，即测量仪器的轴线与待测弓箭轴线若不在同直线上就会产生误差，为了减少误差，传感器的三根测量轴的延长线焦点在手腕中心，与轴焦点重合。因此，本发明是一种测量人手腕三个自由度力矩并实时采集信号的装置。根据人手生理结构，将人体手腕内部近似建模成三根相交于一点的轴，每根轴带着一个旋转力矩。这种模型从结构上与三轴的机器人手腕一样，所以测量人手腕的力矩可以理解成测量某个手腕是三根轴的机器人手腕的力矩。以此设计了三轴交于同一中心的多自由度手腕运动机构。通过采用三个单轴静态力矩传感器，完成了能够进行测量的实体装置，可进行实时力矩信号显示采集及记录，满足误差小、测量简便、自由度互相独立不耦合的要求，同时有助于与其他相关信号进行整合。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，包括三维旋转机构、机架、传感机构；

其中，三维旋转机构通过一轴承与机架连接，传感机构与三维旋转机构连接；

所述三维旋转机构包括中心环、连接轴Z1、连接轴Z2、连接轴X1、连接轴X2、中间套以及把手；其中，中心环与连接轴Z1、连接轴Z2、连接轴X1、连接轴X2以及把手相连，连接轴Z1、连接轴Z2、连接轴X1、连接轴X2分别通过另一轴承与中间套连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述机架包括后座套、底座、前支座、后支座；

其中，底座通过下方的凹槽与前支座的凸起连接，用于实现定位功能，底座同时与后支座连接；前支座设置有带有凹层的第一法兰，后座套设置有第一法兰相匹配的第二法兰，前支座通过第一法兰和第二法兰与后座套相连接，前支座同时与底座相连。

3.根据权利要求1所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述把手包括第一把手边、第二把手边、把手杆；

其中，第一把手边通过把手杆和第二把手边连接。

4.根据权利要求3所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述传感机构包括：X向传感器、Y向传感器、Z向传感器、X向法兰、Y向法兰、Z向法兰、X向联轴器、Z向联轴器、X向连杆、Y向连杆以及Z向连杆；

其中，X向传感器一端与X向法兰连接，另一端通过X向联轴器与连接轴X1连接；Y向传感器一端与后支座连接，另一端与Y向法兰连接；Z向传感器一端与Z向法兰连接，另一端通过Z向联轴器与连接轴Z1连接；X向连杆一端与X向法兰连接，另一端与第一把手边连接；Y向连杆将Y向法兰与所述中间套连接在一起；Z向连杆一端与Z向法兰连接，另一端与中间套连接。

5.根据权利要求4所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述X向连杆包括第一X向连杆、第二X向连杆以及第三X向连杆；

其中，第一X向连杆、第二X向连杆以及第三X向连杆均一端与X向法兰连接，另一端与第一把手边连接。

6.根据权利要求4所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述Y向连杆包括第一Y向连杆、第二Y向连杆以及第三Y向连杆；

其中，第一Y向连杆、第二Y向连杆以及第三Y向连杆均一端与Y向法兰连接，另一端与所述中间套连接在一起。

7.根据权利要求4所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述Z向连杆包括第一Z向连杆、第二Z向连杆以及第三Z向连杆；

其中，第一Z向连杆、第二Z向连杆以及第三Z向连杆均一端与Z向法兰连接，另一端与中间套连接。

8.根据权利要求4所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，所述X向传感器、Y向传感器以及X向传感器均采用TL302单轴力矩传感器，其中，X向传感器和Z向传感器为单轴单法兰，Y向传感器为双法兰传感器。

9.根据权利要求2所述的多自由度手腕力矩测量装置，其特征在于，底座设有长孔，用于调节后支座的相对位置。