CN111579133B - 一种力分辨率连续可调的变构型力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及力传感器技术领域，尤其涉及一种力分辨率连续可调的变构型力传感器,包括变构型组件、动力驱动组件、运动检测组件；变构型组件包括主体框架和两个转轴组件，转轴组件转动连接在主体框架上；主体框架为一体结构，主体框架包括输出端、柔性梁a、U型固定端；输出端被U型固定端半包围在其内侧，输出端通过8个扁平的柔性梁a连接到U型固定端，输出端外端装有传感器探头。力传感器实现传感器刚度的连续变化，进而实现力分辨率的连续变化，可用于静态和动态测试，变构型机构具有结构紧凑、刚度调整范围大的优点，采用光栅尺位移传感器测量输出端的运动，具有更高的测量精度。

Description

一种力分辨率连续可调的变构型力传感器

技术领域

本发明涉及力传感器技术领域，尤其涉及一种力分辨率连续可调的变构型力传感器。

背景技术

在机器人领域中，力传感器主要用于测量机器人所承受的作用力，并为机器人的力控制提供了力感信息，从而可完成一些复杂和精密的操作任务，对实现机器人智能化起着重要作用。

在机器人作业中，不同操作任务对力控制精度的要求是不同的。对于常见的具有单一力分辨率的力传感器而言，机器人所能达到的控制精度是有限的。机器人配有高分辨率的力传感器来应对多任务的力控精度需求既不经济也不实际。如果采用多个不同力分辨率的力传感器，在执行不同操作任务时需要进行调换，这样既会增加成本，还会带来多次安装和传感器校准等问题。

中国专利基于柔性平行四边形机构的两级力分辨率的力传感器(专利号：CN201110274750.4)以及中国专利基于柔性Roberts机构的两级力分辨率的力传感器(专利号：CN201110274522.7)均采用机械限位的方式来实现力传感器机构的刚度分段变化，通过位移传感器检测输出端的运动，最终得到两级力分辨率。

然而，这类力传感器存在以下问题：引入了中间平台与限位凸起之间的碰撞，影响测量精度，因此只适用于静态测量；力分辨率只有两级，具有很大的局限性，虽然通过多级限位的方式可以实现多级力分辨率，但是这种方法容易导致传感器结构复杂，并且所得到的力分辨率是离散的；力传感器的两级力分辨率耦合在一起，即在较小作用力下力分辨率较高，而在较大作用力下分辨率较低，无法实现在整个测量范围内分辨率的唯一性。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，包括变构型组件、动力驱动组件、运动检测组件；所述变构型组件包括主体框架和两个转轴组件，所述转轴组件转动连接在所述主体框架上；所述主体框架为一体结构，所述主体框架包括输出端、柔性梁a、U型固定端；所述输出端被所述U型固定端半包围在其内侧，所述输出端通过8个扁平的所述柔性梁a连接到所述U型固定端，所述输出端外端装有传感器探头；所述转轴组件中的柔性转轴中含有两个扁平的柔性梁b，每根柔性转轴上的两个柔性梁b分别位于所述输出端的左右两侧，且置于上下两个柔性梁a之间；所述动力驱动组件安装于所述变构型组件上并驱动两个所述柔性转轴；所述运动检测组件中的光栅尺安装在所述输出端上并测量所述输出端的运动。

优选的，所述输出端上设有减重孔。

优选的，所述转轴组件还包括两个挡圈及两个轴承，所述主体框架上设有两个轴孔，所述柔性转轴的两端分别通过轴承装配在所述轴孔中，所述挡圈固定于所述柔性转轴的端部。

优选的，所述动力驱动组件包括舵机、盖板、传动组件；所述舵机与所述盖板连接，所述盖板与所述U型固定端固定，所述舵机通过传动组件将运动传递至两个所述柔性转轴。

优选的，所述传动组件采用齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。

优选的，还包括阻尼器组件，所述阻尼器组件固定安装在所述输出端与所述U型固定端之间。

优选的，所述阻尼器组件包括T型磁铁安装座、上层磁铁、铜板、下层磁铁；所述铜板固定在所述输出端上，所述上层磁铁安装在所述T型磁铁安装座内，并固定在所述U型固定端上，所述下层磁铁安装在所述U型固定端内。

优选的，所述上层磁铁和所述下层磁铁分别包含多块方形磁铁，所有磁铁磁化方向均沿着竖直方向，并且相邻的两块磁铁磁化方向相反，相对的两块磁铁磁化方向相同。

优选的，所述上层磁铁和所述下层磁铁分别包含四块方形磁铁。

优选的，所述运动检测组件中的传感器头安装在所述盖板上。

本发明的有益效果是：

1、力传感器通过机构变构型的方式实现传感器刚度的连续变化，利用光栅尺位移传感器测量输出端的位移，进而实现力分辨率的连续变化，可用于静态和动态测试。

2、采用改变复合柔性梁的截面惯性矩的方式来改变机构刚度，这种变构型机构具有结构紧凑、刚度调整范围大的优点。

3、采用光栅尺位移传感器测量输出端的运动，而非应变片检测柔性梁的变形，具有更高的测量精度。

附图说明

图1为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的整体装配图；

图2为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的柔性梁平行状态的变构型组件结构图；

图3为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的主体框架结构图；

图4为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的转轴组件结构图；

图5为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的柔性梁正交状态的变构型组件结构图；

图6为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的动力驱动组件结构图；

图7为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的运动检测组件结构图；

图8为本发明提出的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器的阻尼器组件结构示意图。

图中：1-变构型组件、11-主体框架、111-输出端、112-柔性梁a、113-U型固定端、114-安装槽、115-轴孔、116-支耳a、117-减重孔、12-转轴组件、121-柔性转轴、122-挡圈、123-轴承、124-柔性梁b、2-动力驱动组件、21-舵机、22-盖板、23-大齿轮、24-小齿轮、25-蜗杆轴、26-涡轮、27-支耳b、3-运动检测组件、31-传感器头、32-光栅尺、4-阻尼器组件、41-T型磁铁安装座、42-上层磁铁、43-铜板、44-下层磁铁、5-传感器探头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，包括：变构型组件1、动力驱动组件2、运动检测组件3、阻尼器组件4；

参照图2，变构型组件1包括主体框架11和两个转轴组件12；

参照图3，主体框架11包括输出端111、柔性梁a 112、U型固定端113；

主体框架11采用一体化加工，整体结构采用对称布置，输出端111被U型固定端113半包围在其内侧，这样一来，中间的输出端111具有很好的平动特性，减小了其它方向上的寄生运动；输出端111通过8个扁平的柔性梁a 112连接到U型固定端113，当作用力F施加到输出端111时，所有柔性梁a 112产生相同的变形，因此输出端111可产生相对U型固定端113的线性运动。

输出端111外端装有传感器探头5，输出端111上方设置有安装槽114，用于安装运动检测组件3；主体框架11上设有两个轴孔115和一个支耳a 116，轴孔115用于安装转轴组件12，支耳a 116用于固定蜗杆轴25。

此外，输出端111上还设有减重孔117，主要用于减少传感器中运动部件的质量，以提高传感器的固有频率。

参照图4，转轴组件12包括柔性转轴121、两个挡圈122及两个轴承123；

两个挡圈122以及两个轴承123分别置于柔性转轴121的两侧，将转轴组件12装配在轴孔115中，起定位和支撑作用，挡圈122固定于柔性转轴121的端部，其中柔性转轴121中含有两个扁平的柔性梁b 124；柔性梁a 112与柔性梁b 124组成复合柔性梁，其中每根柔性转轴121上的两个柔性梁b 124分别位于输出端111的左右两侧，且置于上下两个柔性梁a112之间。

当柔性转轴121转动时，柔性梁a 112和柔性梁b 124之间的相对角度发生改变，即复合柔性梁的构型发生改变，这种改变主要引起复合柔性梁截面惯性矩的变化，间接改变了复合柔性梁的刚度；

参照图2，当柔性梁a 112和柔性梁b 124平行时，传感器机构刚度最小；参照图5，当柔性梁a 112和柔性梁b 124正交时，传感器机构刚度最大，近似刚性。

参照图6，动力驱动组件2用于为两个柔性转轴121的转动提供动力，主要由舵机21、盖板22、大齿轮23、小齿轮24、蜗杆轴25及两个涡轮26组成；

舵机21与盖板22连接，盖板22与主体框架11上的U型固定端113固定，两个涡轮26通过紧定螺钉分别与两个柔性转轴121连接，小齿轮24与蜗杆轴25固连；

盖板22上设有支耳b 27，蜗杆轴25通过支耳b 27和主体框架11上的支耳a 116进行轴向定位，大齿轮23与舵机21的输出轴连接，并通过与小齿轮24的啮合作用将运动传递到蜗杆轴25，最后经蜗轮蜗杆传动将运动转化成柔性转轴121的转动，此时，两个柔性转轴121转动方向相反。

进一步的，在两个柔性转轴121之间再多增加一套蜗轮蜗杆，即能够实现两个柔性转轴121的同向转动。

其中，蜗轮蜗杆传动采用较大的传动比且蜗杆为单头，以保证涡轮26无法带动蜗杆轴25反向转动，保证变构型机构具有自锁功能，在舵机断电情况下，机构仍能保持当前构型；此外，舵机21具有良好的位置伺服，因此可以精确调整柔性转轴121的转动角度。

参照图7，运动检测组件3为光栅尺位移传感器，包括传感器头31和光栅尺32，其中传感器头31安装在盖板22上，光栅尺32安装在主体框架11中输出端111上的安装槽114内。光栅尺位移传感器的输出信号为数字量，相比应变式传感器的模拟量信号而言，其抗干扰能力强。光栅尺位移传感器的分辨率可达到微纳级别，虽然其分辨率δ固定不变，但是利用变构型机构刚度K连续可调的方法，可间接实现力分辨率Δ＝Kδ的连续可调。

参照图8，阻尼器组件4包括由T型磁铁安装座41、上层磁铁42、铜板43及下层磁铁44；

铜板43固定在主体框架11的输出端111上并随其一起运动，上层磁铁42安装在T型磁铁安装座41内，最终固定在主体框架11的U型固定端113上，下层磁铁44直接安装在U型固定端113内；

上层磁铁42和下层磁铁44分别包含四块方形磁铁，所有磁铁磁化方向均沿着竖直方向，并且相邻的两块磁铁磁化方向相反，相对的两块磁铁磁化方向相同，这种排布方式可以得到较大阻尼系数；

阻尼器组件4主要用于抑制传感器的机械振动，尤其在刚度较小的情况下；阻尼器组件4采用被动涡电流的方式来抑制振动，相对于其余阻尼方式，涡电流阻尼对传感器特性的影响最小。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于，包括变构型组件(1)、动力驱动组件(2)、运动检测组件(3)；

所述变构型组件(1)包括主体框架(11)和两个转轴组件(12)，所述转轴组件(12)转动连接在所述主体框架(11)上；

所述主体框架(11)为一体结构，所述主体框架(11)包括输出端(111)、柔性梁a(112)、U型固定端(113)；

所述输出端(111)被所述U型固定端(113)半包围在其内侧，所述输出端(111)通过8个扁平的所述柔性梁a(112)连接到所述U型固定端(113)，所述输出端(111)外端装有传感器探头(5)；

所述转轴组件(12)中的柔性转轴(121)中含有两个扁平的柔性梁b(124)，每根柔性转轴(121)上的两个柔性梁b(124)分别位于所述输出端(111)的左右两侧，且置于上下两个柔性梁a(112)之间，所述转轴组件(12)还包括两个挡圈(122)及两个轴承(123)，所述主体框架(11)上设有两个轴孔(115)，所述柔性转轴(121)的两端分别通过轴承(123)装配在所述轴孔(115)中，所述挡圈(122)固定于所述柔性转轴(121)的端部；

所述动力驱动组件(2)安装于所述变构型组件(1)上并驱动两个所述柔性转轴(121)；

所述运动检测组件(3)中的光栅尺(32)安装在所述输出端(111)上并测量所述输出端(111)的运动；

所述动力驱动组件(2)包括舵机(21)、盖板(22)、传动组件；所述舵机(21)与所述盖板(22)连接，所述盖板(22)与所述U型固定端(113)固定，所述舵机(21)通过传动组件将运动传递至两个所述柔性转轴(121)。

2.根据权利要求1所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于，所述输出端(111)上设有减重孔(117)。

3.根据权利要求1所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于，所述传动组件采用齿轮传动和蜗轮蜗杆传动。

4.根据权利要求1所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于，还包括阻尼器组件(4)，所述阻尼器组件(4)固定安装在所述输出端(111)与所述U型固定端(113)之间。

5.根据权利要求4所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于，所述阻尼器组件(4)包括T型磁铁安装座(41)、上层磁铁(42)、铜板(43)、下层磁铁(44)；所述铜板(43)固定在所述输出端(111)上，所述上层磁铁(42)安装在所述T型磁铁安装座(41)内，并固定在所述U型固定端(113)上，所述下层磁铁(44)安装在所述U型固定端(113)内。

6.根据权利要求5所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于,所述上层磁铁(42)和所述下层磁铁(44)分别包含多块方形磁铁，所有磁铁磁化方向均沿着竖直方向，并且相邻的两块磁铁磁化方向相反，相对的两块磁铁磁化方向相同。

7.根据权利要求6所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于,所述上层磁铁(42)和所述下层磁铁(44)分别包含四块方形磁铁。

8.根据权利要求1所述的一种力分辨率连续可调的变构型力传感器，其特征在于,所述运动检测组件(3)中的传感器头(31)安装在所述盖板(22)上。

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