CN104215372A - 一种机械臂关节扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有力感知作业机器人关节扭矩传感器，具体地说是一种机械臂关节扭矩测量装置，可适用于作业机器人轻型机械臂柔性关节及其相关的领域，包括弹性体、测头及位移检测器件，其中弹性体分为外环及内环，所述内环与外环之间通过弹性筋连接；所述位移检测器件安装在外环上，所述测头安装在弹性筋靠近内环的一端、并与所述位移检测器件相对应，可沿所述弹性体的周向、相对位移检测器件的检测方向运动。本发明结构简单、紧凑，尺寸小、重量小，易于安装，可靠实用，且检测灵敏度高，刚度好，测量实时性好、精度高，满足了轻型机械臂关节设计要求。

Description

一种机械臂关节扭矩测量装置

技术领域

本发明涉及具有力感知作业机器人关节扭矩传感器，具体地说是一种机械臂关节扭矩测量装置，可适用于作业机器人轻型机械臂柔性关节及其相关的领域。

背景技术

轻型机械臂在过去的二十几年里得到了迅速发展，在工业领域、军事领域、服务领域及医疗保健领域均具有广阔的发展前景，其地位与作用引起人们的高度重视。轻型机械臂中最为关键的组成部分为一体化柔性关节，为了提高轻型机械臂执行任务的灵活性以及与环境接触交互的能力，提高其作业过程中柔顺性，除了准确地获得关节位置速度信息外，精确反馈关节扭矩信息也至关重要。

轻型机械臂关节的设计要求大负载、小空间、低重量，因此，要求扭矩测量装置具有体积小、宽度小、重量轻，制造简单，能够避免温度、湿度、电磁噪声等影响的特点。

目前，扭矩测量装置主要包括接触式与非接触式，接触式主要为应变片式，也是最为常用的扭矩测量方式；这种测量方式受轴的材料、形状，粘胶剂、温度及湿度等影响较大。非接触式主要包括磁电式与光电式两大类。磁电式是在扭转轴的两侧安装齿轮、铁心、线圈等，导致其结构复杂，相应的传感器尺寸和质量较大，低速时信号小。光电式扭矩传感器主要是，在固定轴与转轴分别固定盘型光栅，通过光栅交错提供测量信号，该方式结构复杂、制造困难、标定困难，难以推广。因此，由于现有扭矩测量装置的弊端，使得其很难在轻型机械臂关节中得到很好的应用。

发明内容

针对现在扭矩测量装置存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种机械臂关节扭矩测量装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括弹性体、测头及位移检测器件，其中弹性体分为外环及内环，所述内环与外环之间通过弹性筋连接；所述位移检测器件安装在外环上，所述测头安装在弹性筋靠近内环的一端、并与所述位移检测器件相对应，可沿所述弹性体的周向、相对位移检测器件的检测方向运动。

其中：所述弹性筋为两条，以所述内环的中心对称设置；所述弹性筋为两条以上，在内环与外环之间沿圆周方向均布；所述弹性筋为样条曲线闭合形成，该样条曲线的一端连接在内环上，所述样条曲线的另一端连接在外环上；

所述外环上沿圆周方向均布有多个外环安装孔，该外环与机械臂关节的径向支撑连接；所述内环的中部开有供关节电缆在关节内部走线的走线孔，该走线孔的外围沿圆周方向均布有多个内环安装孔，所述内环与机械臂关节的关节驱动单元中的驱动输出轴相连；所述外环与内环同心设置。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明结构简单、紧凑，尺寸小、重量小，易于安装，可靠实用，且检测灵敏度高，刚度好，能够满足轻型机械臂关节设计的要求。

2．本发明测量实时性好，本发明采用光电测微原理，其系统响应速度快，动态性能好。

3．本发明测量精度高，本发明不受电磁、温度、湿度等噪声的影响，尤其是该装置将安装在关节内部，光噪声对其也无影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明弹性体的结构示意图；

图3为本发明安装在机械臂关节部分的结构示意图；

其中：1为关节外壳，2为关节驱动单元，3为扭矩检测装置，4为轴承端盖，5为关节输出件，6为关节轴承，7为径向支撑，8为驱动输出轴，9为测头，10为位移检测器件，11为弹性体，12为外环，13为外环安装孔，14为第一弹性筋，15为第二弹性筋，16为内环，17为内环安装孔，18为走线孔，19为关节电缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明的扭矩测量装置包括弹性体11、测头9及位移检测器件10，其中弹性体11分为外环12及内环16，在内环16与外环12之间通过弹性筋进行连接；位移检测器件10安装在外环12上，测头9安装在弹性筋靠近内环16的一端、并与位移检测器件10相对应，可沿弹性体11的周向、相对位移检测器件10的检测方向运动。

本发明的弹性筋可为两条或两条以上，当弹性筋为两条时，以内环16的中心对称设置；当弹性筋为两条以上时，在内环16与外环12之间沿圆周方向均布。本实施例的弹性筋为两条，分别为第一弹性筋14及第二弹性筋15，外环12与内环16即通过第一弹性筋14及第二弹性筋15连在一起，第一弹性筋14及第二弹性筋15以内环16中心对称设置；第一弹性筋14及第二弹性筋15均由两条样条曲线闭合形成，样条曲线的一端连到外环12上、另一端连到内环16上，宽度均匀变化，使结构受力均匀。外环12与内环16同心设置，在外环12上沿圆周方向均布有多个外环安装孔13，内环16的中部开有供关节电缆19在关节内部走线的走线孔18，该走线孔18的外围沿圆周方向均布有多个内环安装孔17。

本实施例的位移检测器件10固接在外环12上，测头9（为一遮光片）固接在第二弹性筋15上、并靠近与内环16连接的另一端。位移检测器件10为市购产品，购置于日本ROHM公司，型号为RPI243；该位移检测器件10上开有一豁口，该豁口与测头9相对应。

如图3所示，机械臂关节包括关节外壳1、关节驱动单元2、驱动输出轴8、扭矩检测装置3、径向支撑7、关节轴承6、轴承端盖4、关节输出件5及关节电缆19，其中，关节外壳1与关节驱动单元2通过螺钉固定连接，关节外壳1的端部设有关节轴承6的安装孔，用于安装关节轴承6，关节驱动单元2连接驱动输出轴8。本发明扭矩检测装置3中弹性体11的内环16通过螺钉穿入内环安装孔17与驱动输出轴8固接，弹性体11的外环12通过螺钉穿入外环安装孔13与径向支撑7固接，径向支撑7的外部安装有关节轴承6，轴承端盖4用于关节轴承6的轴向及径向的承载及限位，轴承端盖4通过螺纹连接将关节轴承6与关节外壳1紧固连接，关节输出件5有轴承安装孔，用于与关节轴承6配合连接，关节输出件5端面与径向支撑7端面固定连接。

本发明的工作原理为：

关节输出件5的负载中，除了关节扭矩外，所有力、力矩均通过关节输出件5、关节轴承6、轴承端盖4传递到关节外壳1上，关节扭矩通过关节输出件5、径向支撑7、扭矩检测装置3中的外环12、第一弹性筋14、第二弹性筋15、内环16、驱动输出轴8、关节驱动2传递到关节外壳1上。由于弹性体11中的第一弹性筋14及第二弹性筋15的弹性变形，使扭矩检测装置3中的测头9相对位移检测器件10沿扭矩检测装置3周向运动，产生位移信号；由于弹性体11的扭转刚度，不同大小的关节扭矩会产生不同大小的位移，通过位移检测器件产生模拟信号，通过放大、滤波、A/D采集、信号处理计算出扭矩大小，实现机械臂关节扭矩测量。

本发明的弹性体11的材料为高强度钢，如40Cr，20CrMnTi。

Claims (6)

1.一种机械臂关节扭矩测量装置，其特征在于：包括弹性体（11）、测头（9）及位移检测器件（10），其中弹性体（11）分为外环（12）及内环（16），所述内环（16）与外环（12）之间通过弹性筋连接；所述位移检测器件（10）安装在外环（12）上，所述测头（9）安装在弹性筋靠近内环（16）的一端、并与所述位移检测器件（10）相对应，可沿所述弹性体（11）的周向、相对位移检测器件（10）的检测方向运动。

2.按权利要求1所述的机械臂关节扭矩测量装置，其特征在于：所述弹性筋为两条，以所述内环（16）的中心对称设置。

3.按权利要求1所述的机械臂关节扭矩测量装置，其特征在于：所述弹性筋为两条以上，在内环（16）与外环（12）之间沿圆周方向均布。

4.按权利要求1至3任一权利要求所述的机械臂关节扭矩测量装置，其特征在于：所述弹性筋为样条曲线闭合形成，该样条曲线的一端连接在内环（16）上，所述样条曲线的另一端连接在外环（12）上。

5.按权利要求1所述的机械臂关节扭矩测量装置，其特征在于：所述外环（12）上沿圆周方向均布有多个外环安装孔（13），该外环（12）与机械臂关节的径向支撑（7）连接；所述内环（16）的中部开有供关节电缆（19）在关节内部走线的走线孔（18），该走线孔（18）的外围沿圆周方向均布有多个内环安装孔（17），所述内环（16）与机械臂关节的关节驱动单元（2）中的驱动输出轴（8）相连。

6.按权利要求1或5所述的机械臂关节扭矩测量装置，其特征在于：所述外环（12）与内环（16）同心设置。