CN108972601A - 一种可感知三维力的末端执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种可感知三维力的末端执行器，包括固定架、沿y轴设置的弹性构件，固定架滑动连接有动架，弹性构件的两端分别与固定架滑动、动架连接，还包括用于感应固定架和动架之间的相对位移的位移感应器，位移感应器固定在固定架或动架上，动架上设有应变段，应变段的在x方向上的所述两个外侧面、在z方向上的所述两个外侧面上均设有应变片组，所应变片组均包括沿y方向间隔设置的两个应变片。位移感应器感知动架和固定架之间的位移量，根据弹性构件的弹力系数计算出y方向的力Fy，然后根据在x、z方向上设置的应变片组的电阻信号，分别计算出Fz、τz，从而让本发明能感知三维力。本发明用于机器人。

Description

一种可感知三维力的末端执行器
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别涉及一种可感知三维力的末端执行器。
背景技术
贴胶带，打磨，表面清理等方面的专用机器人末端执行器，在作业过程中，与待加工表面有接触力的控制要求，因此感知末端执行器与工件表面的接触力，在此类接触式机器人作业中是非常有必要的；与此同时，作业任务往往需要机器人末端执行器有柔顺性位置补偿及力适应功能以实现柔顺的接触式作业。比如在机器人对曲面贴胶带或进行曲面的表面清理时，需要末端执行器有一定的柔顺性以与表面保持良好的接触，避免钢性冲击。现有的多维力传感器产品基于复杂的结构设计，价格较高，而且没有柔性构件来适应接触过程中的力与位置的误差补偿。本项专利申请，提出一种基于应变片和位置传感器的用于机器人末端执行器的三维力感知及单轴柔性位置补偿的传感末端执行器装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种可感知三维力的末端执行器。
本发明解决其技术问题的解决方案是：
一种可感知三维力的末端执行器，包括固定架、具有两端的沿y轴设置的弹性构件、在固定架上设有沿y轴滑动的动架，固定架设在固定基座上，弹性构件的两端分别与固定架、动架连接，还包括用于感应固定架和动架之间的相对位移的位移感应器，位移感应器固定在固定架或动架上，动架上设有应变段，所述应变段的在x方向上的两个外侧面相互平行设置，所述应变段的在z方向上的两个外侧面相互平行设置，应变段的在x方向上的所述两个外侧面、在z方向上的所述两个外侧面上均设有应变片组，所述应变片组均包括沿y方向间隔设置的两个应变片。
作为上述方案的进一步改进，还包括沿x方向开设的第一通孔，所述第一通孔设在z方向上的两个侧面上的应变片组之间。
作为上述方案的进一步改进，所述第一通孔在z方向上的两个侧面与应变段z方向上的两个外侧面相互平行。
作为上述方案的进一步改进，还包括沿z方向开设的第二通孔，所述第二通孔设在x方向上的两个侧面上的应变片组之间。
作为上述方案的进一步改进，所述第二通孔在x方向上的两个侧面与应变段x方向上的两个外侧面相互平行。
作为上述方案的进一步改进，动架上设有末端工具。
作为上述方案的进一步改进，固定架上设有监测范围覆盖末端工具的视觉传感器。
作为上述方案的进一步改进，固定架上设有滑轨，动架与所述滑轨连接。
作为上述方案的进一步改进，还包括固定基座，固定架设在固定基座上。
本发明的有益效果是：一种可感知三维力的末端执行器，包括固定架、具有两端的沿y轴设置的弹性构件、在固定架上设有沿y轴滑动的动架，固定架设在固定基座上，弹性构件的两端分别与固定架、动架连接，还包括用于感应固定架和动架之间的相对位移的位移感应器，位移感应器固定在固定架或动架上，动架上设有应变段，所述应变段的在x方向上的两个外侧面相互平行设置，所述应变段的在z方向上的两个外侧面相互平行设置，应变段的在x方向上的所述两个外侧面、在z方向上的所述两个外侧面上均设有应变片组，所述应变片组均包括沿y方向间隔设置的两个应变片。使用时，在动架上设置末端工具，形成末端执行器，工作时，位移感应器感知动架和固定架之间的位移量，根据弹性构件的弹力系数计算出y方向的力Fy，然后根据在x、z方向上设置的应变片组的电阻信号，分别计算出x方向的了Fx、x方向上的力矩τx，或分别计算出z方向的了Fz、z方向上的力矩τz，从而让本发明能感知三维力。而(Fy，Fx，τx)或(Fy，Fz，τz)可用于推算末端工具的具体受力情况。本发明用于机器人。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单说明。显然，所描述的附图只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他设计方案和附图。
图1是本发明实施例的结构立体示意图；
图2是本发明实施例的测量x方向上的力的电桥电路原理图；
图3是本发明实施例的三维力的感知与工具末端位姿补偿示意图；
图4是本发明实施例的受力分析示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，文中所提到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。
参照图1至图4，这是本发明的实施例，具体地：
一种可感知三维力的末端执行器，包括固定架10、具有两端的沿y轴设置的弹性构件、在固定架10上设有沿y轴滑动的动架2，固定架10设在固定基座1上，弹性构件的两端分别与固定架10、动架2连接，还包括用于感应固定架10和动架2之间的相对位移的位移感应器，位移感应器固定在固定架10或动架2上，动架2上设有应变段，所述应变段的在x方向上的两个外侧面相互平行设置，所述应变段的在z方向上的两个外侧面相互平行设置，应变段的在x方向上的所述两个外侧面、在z方向上的所述两个外侧面上均设有应变片组，所述应变片组均包括沿y方向间隔设置的两个应变片3。使用时，在动架上设置末端工具，形成末端执行器，工作时，位移感应器感知动架和固定架之间的位移量，根据弹性构件的弹力系数计算出y方向的力Fy，然后根据在x、z方向上设置的应变片组的电阻信号，分别计算出x方向的了Fx、x方向上的力矩τx，或分别计算出z方向的了Fz、z方向上的力矩τz，从而让本发明能感知三维力。而(Fy，Fx，τx)或(Fy，Fz，τz)可用于推算末端工具的具体受力情况。所述弹性构件包括弹簧13。
而且，根据(Fy，Fx，τx)或(Fy，Fz，τz)可实现末端工具的位置补偿。
本实施例还包括沿x方向开设的第一通孔41，所述第一通孔41设在z方向上的两个侧面上的应变片组之间。这样能形成一个薄壁，让应变段能具有相对较大的变形，还包括沿z方向开设的第二通孔42，所述第二通孔42设在x方向上的两个侧面上的应变片组之间。从而提高z、x方向的力的灵敏度。
所述第一通孔41在z方向上的两个侧面与应变段z方向上的两个外侧面相互平行。所述第二通孔42在x方向上的两个侧面与应变段x方向上的两个外侧面相互平行。这样的设置，应变片给出的信号更加的线性。
本实施例的动架2上设有末端工具7。
本实施例的固定架10上设有监测范围覆盖末端工具7的视觉传感器5。视觉传感器5提供末端工具7的视觉信息(图像信息)，根据该视觉信息来对末端工具7进行工作的姿态调整。
位移传感器包括非接触式位移传感器和接触式位移传感器，本实施例所述位移传感器为滑动变阻器，滑动变阻器固定在固定架10上，滑动变阻器的移动端对应地与动架2连接。
为了减少摩擦、实现导向，固定架10上设有滑轨，动架2与所述滑轨连接。
对z方向上的力是这样确定的，如图1所示，给用于测量z方向上力的应变片分别标号为a、b、c、d，如图2所示的电桥电路原理图。Fz＝kfz·Ue，其中kfz代表应变片所在的构件位置的对Fz的刚度系数。
进而还能测量τz，与Fz的测量相似，应变片a及b组成电桥电路，经过传感器标定，可以得到τz＝kτz·Ue，其中kτz代表应变片所在的构件位置的对Fz的刚度系数。
为了便于连接，本实施例还包括固定基座1，固定架10设在固定基座1上。
当末端工具通过固定基座连接到机器人末端时，末端工具7与工件表面接触。对于实际的作业对象，接触力和力矩需要在选定的范围。因此，通过传感器感知的Fy的大小，可以实时的控制机器人末端位置以调整正压力。通常而言，对于贴胶带及表面清理等作业，Fy沿着工件表面的法向，以便有效的完成任务，在这种情况下Fz通常接近于0。感知到较大的Fz，意味着工具末端正压力偏离法向，需要及时的调整工具的自身转角。类似的，当Fy沿法向时，τz接近于0。如果测量到较大的τz时，工具末端的侧向偏转角要及时进行调整。其原理如图3所示。
通过3轴力(力矩)传感器感知轴向力Fy,压力Fz和力矩τz，通过与选定的参考基准力信息进行对比，通过误差补偿算法获取合理的末端工具位姿的误差补偿(包括沿滑轨方向的位移，工具的自转角和侧向转角的姿态补偿)，通过机器人的逆运动学算法，获取到机器人补偿后的关节角度，并发送给机器人控制器控制机器人的运动输出，以实现机器人的末端姿态的实时调整。
视觉传感器5感知到视觉信息，通过图像处理算法可以获取工具与工件表面的几何特征，这些特征可以作为辅助信息进行对持有本实施例的机器人的姿态补偿。
本技术的力传感器和可以附加的视觉传感器的感知信息，可以用于基于力觉及视觉感知的机器人操作任务学习，为实现机器人任务学习提供一个经济实用的实验平台。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种可感知三维力的末端执行器，包括固定架(10)、具有两端的沿y轴设置的弹性构件、在固定架(10)上设有沿y轴滑动的动架(2)，弹性构件的两端分别与固定架(10)、动架(2)连接，其特征在于：还包括用于感应固定架(10)和动架(2)之间的相对位移的位移感应器，位移感应器固定在固定架(10)或动架(2)上，动架(2)上设有应变段，所述应变段的在x方向上的两个外侧面相互平行设置，所述应变段的在z方向上的两个外侧面相互平行设置，应变段的在x方向上的所述两个外侧面、在z方向上的所述两个外侧面上均设有应变片组，所述应变片组均包括沿y方向间隔设置的两个应变片(3)。
2.根据权利要求1所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：还包括沿x方向开设的第一通孔(41)，所述第一通孔(41)设在z方向上的两个侧面上的应变片组之间。
3.根据权利要求2所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：所述第一通孔(41)在z方向上的两个侧面与应变段z方向上的两个外侧面相互平行。
4.根据权利要求1所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：还包括沿z方向开设的第二通孔(42)，所述第二通孔(42)设在x方向上的两个侧面上的应变片组之间。
5.根据权利要求4所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：所述第二通孔(42)在x方向上的两个侧面与应变段x方向上的两个外侧面相互平行。
6.根据权利要求1所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：动架(2)上设有末端工具(7)。
7.根据权利要求6所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：固定架(10)上设有监测范围覆盖末端工具(7)的视觉传感器(5)。
8.根据权利要求1所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：所述位移传感器为滑动变阻器，滑动变阻器固定在固定架(10)/动架(2)上，滑动变阻器的移动端对应地与动架(2)/固定架(10)连接。
9.根据权利要求1所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：固定架(10)上设有滑轨，动架(2)与所述滑轨连接。
10.根据权利要求1所述的一种可感知三维力的末端执行器，其特征在于：还包括固定基座(1)，固定架(10)设在固定基座(1)上。
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