CN106932123B - 一种手腕传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及力传感器领域，尤其涉及应用于机器人手腕部位的一种手腕传感器。传感器包括受力环、检测环、支撑环、固定件、连接件、检测感应片和检测电路；固定件将检测环固定在支撑环上方，连接件将检测环和受力环固定连接在一起，且固定件和连接件都是设有检测感应片的。当传感器安装固定后，传感器受力时，视作支撑换相当于固定，受力环直接收到外部作用力，设置在对应位置的连接件和固定件上的检测感应片可分别对检测环弹性变形情况进行检测；从而使得所述传感器结构简单、厚度小且能同时快速实时检测检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩。

Description

一种手腕传感器

技术领域

本发明涉及力传感器领域，尤其涉及应用于机器人手腕部位的一种手腕传感器。

背景技术

在机器人设计制造领域，为了让机器人能精准灵活的运动，且便于操控者对机器人、工业机械的动作进行控制，各种类型的力传感器被利用。尤其机器人的各个关节处，受力复杂，对力检测如果不实时、精准，操控者不能及时对机器人进行相应的调整和控制，很容易导致机器人出现故障甚至损坏。

现有技术中，小型力传感器被装入作为电子设备输入装置的人机接口。对于用于这种用途的力传感器。为了实现小型化以及降低成本，要求尽量使结构简化的同时，还能够分别独立检测出关于三维空间内的各坐标轴的力。通常所利用的多轴力传感器分类为如下类型：将对机械结构部作用的力的指定的方向成分检测作为在指定的部分产生的位移的类型、以及检测为在指定的部分产生的机械形变的类型、第三类采用变形安装构件，安装于机器上体内，在安装构件内设有多个点位的感应片对力或力矩进行检测。

上述第一类的传感器，检测位移类型的代表例为静电电容元件式力传感器，其由一对电极构成电容元件，并根据电容元件的静电电容值检测由作用的力在其中一个电极上产生的位移。例如，日本特开2004-325367号公报(美国专利第7219561号公报)、日本特开2004-354049号公报(美国专利第6915709号公报)中公开有这种静电电容式多轴力传感器。上述第二种类型的传感器，检测机械形变类型的代表例为应变式力传感器，其是将由作用的力产生的机械形变检测为应变片(strain gauge)等的电阻变化的传感器。例如，日本特开平8-122178号公报(美国专利第5490427号公报)中公开有这种应变式多轴力传感器。但是，上述各专利文献所公开的多轴力传感器中的任一种的机械结构部的厚度都不可避免地增大，装置整体难以薄型化。与其相反，在机器人、工业机械、电子设备用输入装置等领域，希望开发出更薄型的力传感器。因此上述的一类和第二类传感器的应用范围及其有限。

上述第三类类型的传感器，安装构件上设置的感应片或感应点只能对特定作用点的作用力进行检测，如果作用力发生偏移，检测的精准度将收到很大影响，而且该传感器因为感应片的设置位置不合理，在某一个时刻其只能检测当时受力的大小或者力矩的大小，不能同时检测一个力的大小和力矩大小，导致该传感器检测到的数值信息并不完整，而且精准度极其不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、尺寸小巧，能同时精准的检测安装位置受到的作用力，在多个方向上力的大小，和单一方向上力和力矩的大小。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种手腕传感器，所述传感器检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩；

具体的，所述传感器包括受力环、检测环、支撑环、固定件、连接件、检测感应片和检测电路；所述受力环在XY平面上设置成以Z轴为中心轴，所述受力环受到作为检测对象的力或者力矩的作用；所述检测环在XY平面上设置成以Z轴为中心轴，且设置在所述受力环的内侧或外侧，由于作为检测对象的力或者力矩的作用而在至少一部分产生弹性变形；所述支撑环具有与XY平面平行的上表面，间隔着规定间隔地设置在所述受力环及所述检测环的下方；所述受力环与所述检测环通过所述连接件连接固定；所述检测环通过所述固定件与所述支撑环连接固定，且所述检测环于所述支撑环上表面平行；所述连接件至少由一对Z轴弯折件和一对Z轴扭向件组成，且每对所述Z轴弯折件分别设于所述检测环相对的两侧，每对所述Z轴扭向件分别设于所述检测环相对的两侧；所述感应片电检测所述检测环的弹性变形，其设于每个所述连接件和每个所述固定件，并与所述检测电路电联接，所述检测电路根据所述检测感应片的检测结果，在固定了所述支撑环的状态下，输出对所述受力环作用的规定的坐标轴方向的力或绕规定的坐标轴的力矩的检测值。

更优的，所述Z轴弯折件向XY平面的投影图像与所述Z轴扭向件向XY平面的投影图像形成于不同的位置。

更优的，每对所述Z轴弯折件正对设于所述检测环两侧且二者连线方向与所述检测环的径向重合；每对所述Z轴扭向件正对设于所述检测环两侧且二者连线方向与所述检测环的径向重合；每对所述Z轴扭向件的连线与每对所述Z轴弯折件的连线互相垂直。

更优的，所述固定件有四个，且四个所述固定件等间距设置与所述支撑环上表面和所述检测环下表面之间。

更优的，相对的两个所述固定件的连线向XY平面的投影图像分别与X轴、Y轴重合。

更优的，所述连接件向XY平面的投影图像与所述固定件向XY平面的投影图像不重合，且沿着圆环区域等间距分布。

更优的，所述检测环设置于所述受力环内侧，所述支撑环与所述检测环在XY平面上投影图像相同。

更优的，所述检测环于所述受力环在Z轴方向上的厚度相等。

本发明根据上述内容，提出一种手腕传感器，其设有的所述固定件将所述检测环固定在所述支撑环上方，所述连接件将所述检测环和所述受力环固定连接在一起，且所述固定件和连接件都是设有检测感应片的。当所述传感器安装固定后，所述传感器受力时，视作所述支撑换相当于固定，只有所述受力环直接收到外部作用力。当所述受力环受到外部作用力后，相对于所述检测环发生偏移后，连接固定所述检测环和所述受力环的连接件会受到力的作用，所述检测环为了维持整个所述传感器结构的整体性，自身会发生一定的弹性形变，进而使得连接在所述检测环和所述支撑环的所述固定件也会受到力的作用。设置在对应位置的所述连接件和所述固定件上的所述检测感应片可分别对所述传感器在X轴、Y轴、Z轴方向上受力情况进行检测，进而将所述传感器安装位置受力或力矩的情况检测并以数值形式输出。因为所述传感器结构简单、厚度小且能同时快速实时检测检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的俯视结构示意图；

图2是图1中实施例在A-A平面上的剖视图。

其中：受力环100，检测环200，支撑环300，固定件400，Z轴弯折件510，Z轴扭向件520，固定件的设置位置1、2、3、4，连接件的设置位置5、6、7、8。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1和2所示，一种手腕传感器，所述传感器检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩；所述传感器包括受力环100、检测环200、支撑环300、固定件400、连接件、检测感应片和检测电路；所述受力环100在XY平面上设置成以Z轴为中心轴，所述受力环100受到作为检测对象的力或者力矩的作用；所述检测环200在XY平面上设置成以Z轴为中心轴，且设置在所述受力环100的内侧或外侧，由于作为检测对象的力或者力矩的作用而在至少一部分产生弹性变形；所述支撑环300具有与XY平面平行的上表面，间隔着规定间隔地设置在所述受力环100及所述检测环200的下方；所述受力环100与所述检测环200通过所述连接件连接固定；所述检测环200通过所述固定件400与所述支撑环300连接固定，且所述检测环200于所述支撑环300上表面平行；

如图1和2所示，所述连接件由一对Z轴弯折件510和一对Z轴扭向件520组成，且每对所述Z轴弯折件510分别设于所述检测环200相对的两侧，每对所述Z轴扭向件520分别设于所述检测环200相对的两侧；所述感应片电检测所述检测环200的弹性变形，其设于每个所述连接件和每个所述固定件400，并与所述检测电路电联接，所述检测电路根据所述检测感应片的检测结果，在固定了所述支撑环300的状态下，输出对所述受力环100作用的规定的坐标轴方向的力或绕规定的坐标轴的力矩的检测值。

所述Z轴弯折件510向XY平面的投影图像与所述Z轴扭向件520向XY平面的投影图像形成于不同的位置。所述传感器受到外部作用力时，如果该作用力有沿Z轴的分力和绕Z轴的力矩，将所述Z轴弯折件510和所述Z轴扭向件520分散设置在不同位置，使得所述Z轴弯折件510更快的检测到沿Z轴方向的分力的作用，使得Z轴扭向件520更快速检测到绕Z轴的力矩的作用，进而使得所述连接件按照规定检测目的，设置在不同位置，在检测过程中各自分开检测且不会相互干扰，达到的增加所述传感器的检测精度和灵敏度。

每对所述Z轴弯折件510正对设于所述检测环200两侧且二者连线方向与所述检测环200的径向重合；每对所述Z轴扭向件520正对设于所述检测环200两侧且二者连线方向与所述检测环200的径向重合；每对所述Z轴扭向件520的连线与每对所述Z轴弯折件510的连线互相垂直。具体的如图1所示，设置在5和6位置的Z轴弯折件510正对，设置在7和8位置的Z轴扭向件520也正好相对，且5和6连线与7和8连线时相互垂直，使得所述Z轴弯折件510和所述Z轴扭向件520最大间距且等间距设置。尽可能的减小了所述Z轴弯折件510和所述Z轴扭向件520在检测时相互干扰，进而使得二者分开检测了Z轴方向的受力FZ和Z轴的力矩MZ。

所述固定件400有四个，且四个所述固定件400等间距设置与所述支撑环300上表面和所述检测环200下表面之间。使得所述固定件400彼此最大间距且等间距设置。尽可能的减小了所述固定件400在检测时相互干扰，进而使得四个所述固定件400分为两组分开检测Y轴方向的受力FY和X轴方向的力矩MX，和X轴方向的受力FX和Y轴方向的力矩MY。

相对的两个所述固定件400的连线向XY平面的投影图像分别与X轴、Y轴重合。如图1和2所示，设置在1和3位置处的所述固定件400正对，且位于X轴正上方，这两者构成一组用于检测检测Y轴方向的受力FY和X轴方向的力矩MX；同理，设置在2和4位置处的所述固定件400正对，且位于Y轴正上方，这两者构成一组用于检测检测X轴方向的受力FX和Y轴方向的力矩MY。将所述固定件400分别按照X轴和Y轴分布进行设置，进而使得所述传感器的检测精度进一步提高。

所述连接件向XY平面的投影图像与所述固定件400向XY平面的投影图像不重合，且沿着圆环区域等间距分布。如图1所示，安装位置1-8向XY平面的投影图像是均匀分布的且不重合，这种特定的要求的设置方案，使得所述Z轴检测位置X轴和Y轴之间的检测位置都不相互干扰，使得所述传感器的检测精度更高，灵敏度更高。

所述检测环200设置于所述受力环100内侧，所述支撑环300与所述检测环200在XY平面上投影图像相同。使得所述支撑环300在保证了所述传感器正常工作的前提下，尽可能的减小尺寸，进而使得所述传感器的安装空间随之变小，为所述传感器的安装节省了空间，让其使用范围更广。

所述检测环200于所述受力环100在Z轴方向上的厚度相等。在保证了所述传感器正常工作的前提下，使得所述传感器的厚度尽可能的小，使其安装应用范围更广。

为了便于理解不同位置所述连接件和所述固定件的检测和效果，将该对应关系以下表所示(其中：FX为X轴方向的受到的力，MY为Y轴方向受到的力矩，FY为Y轴方向的受到的力，MZ为Z轴方向受到的力矩，FZ为Z轴方向的受到的力，MZ为Z轴方向受到的力矩)：

所述固定件400将所述检测环200固定在所述支撑环300上方，所述连接件将所述检测环200和所述受力环100固定连接在一起，且所述固定件400和连接件都是设有检测感应片的。当所述传感器安装固定后，所述传感器受力时，视作所述支撑换相当于固定，只有所述受力环100直接收到外部作用力。当所述受力环100受到外部作用力后，相对于所述检测环200发生偏移后，连接固定所述检测环200和所述受力环100的连接件会受到力的作用，所述检测环200为了维持整个所述传感器结构的整体性，自身会发生一定的弹性形变，进而使得连接在所述检测环200和所述支撑环的所述固定件400也会受到力的作用。设置在对应位置的所述连接件和所述固定件400上的所述检测感应片可分别对所述传感器在X轴、Y轴、Z轴方向上受力情况进行检测，进而将所述传感器安装位置受力或力矩的情况检测并以数值形式输出。根据上述内容可以看出，所述传感器结构简单、厚度小且能同时快速实时检测检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种手腕传感器，所述传感器检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩；

所述传感器的特征在于，包括受力环、检测环、支撑环、固定件、连接件、检测感应片和检测电路；所述受力环在XY平面上设置成以Z轴为中心轴，所述受力环受到作为检测对象的力或者力矩的作用；所述检测环在XY平面上设置成以Z轴为中心轴，且设置在所述受力环的内侧或外侧，由于作为检测对象的力或者力矩的作用而在至少一部分产生弹性变形；所述支撑环具有与XY平面平行的上表面，间隔着规定间隔地设置在所述受力环及所述检测环的下方；所述受力环与所述检测环通过所述连接件连接固定；所述检测环通过所述固定件与所述支撑环连接固定，且所述检测环与所述支撑环上表面平行；所述连接件至少由一对Z轴弯折件和一对Z轴扭向件组成，且每对所述Z轴弯折件分别设于所述检测环相对的两侧，每对所述Z轴扭向件分别设于所述检测环相对的两侧；

所述感应片电检测所述检测环的弹性变形，其设于每个所述连接件和每个所述固定件，并与所述检测电路电联接，所述检测电路根据所述检测感应片的检测结果，在固定了所述支撑环的状态下，输出对所述受力环作用的规定的坐标轴方向的力或绕规定的坐标轴的力矩的检测值；

所述Z轴弯折件向XY平面的投影图像与所述Z轴扭向件向XY平面的投影图像形成于不同的位置；

每对所述Z轴弯折件正对设于所述检测环两侧且二者连线与所述检测环的径向重合；每对所述Z轴扭向件正对设于所述检测环两侧且二者连线方向与所述检测环的径向重合；每对所述Z轴扭向件的连线与每对所述Z轴弯折件的连线互相垂直。

2.根据权利要求1所述的一种手腕传感器，其特征在于，所述固定件有四个，且四个所述固定件等间距设置与所述支撑环上表面和所述检测环下表面之间。

3.根据权利要求2所述的一种手腕传感器，其特征在于，相对的两个所述固定件的连线向XY平面的投影图像分别与X轴、Y轴重合。

4.根据权利要求1所述的一种手腕传感器，其特征在于，所述连接件向XY平面的投影图像与所述固定件向XY平面的投影图像不重合，且沿着圆环区域等间距分布。

5.根据权利要求1所述的一种手腕传感器，其特征在于，所述检测环设置于所述受力环内侧，所述支撑环与所述检测环在XY平面上投影图像相同。

6.根据权利要求1或5所述的一种手腕传感器，其特征在于，所述检测环于所述受力环在Z轴方向上的厚度相等。