CN116214583B - 一种基于并联变刚度的手指力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于并联变刚度的手指力传感器，涉及力传感器技术领域，包括：基座，基座具有安装内腔，其一侧设有力传递输入孔；传力板，传力板位于安装内腔且对应力传递输入孔轴线方向布置；变形部安装基板，变形部安装基板对应传力板一侧且靠近基座内壁布置；第一变形部和第二变形部，第一变形部和第二变形部沿力传递输入孔方向依次间隔固定在变形部安装基板上；测力传杆，测力传杆贯穿力传递输入孔通过传力板依次驱动第一变形部和第二变形部进行传力测量；位移检测单元，位移检测单元对应安装在安装内腔的顶壁以检测传力板位移量。本发明通过第一变形部和第二变形部并联变刚度结构实现了手指力传感器大量程下分辨率的稳定与精度。
Description
技术领域
本发明涉及力传感器技术领域，特别是涉及一种基于并联变刚度的手指力传感器。
背景技术
当前工业生产和社会生活中，机械手扮演着重要的角色，无论是搬运货物还是夹持物体，机械手都有着极为重要的地位。机械手在抓取过程中常见的问题是夹取力的测量和控制问题，对于一些易碎的轻质物体，机械手需要像人手一样敏锐的感知力，而对于一些坚固且较重的物体，机械手需要和传统夹具一样具有较大的力，需要机械手在抓取轻质脆弱物体和抓取坚固较重物体时有着一定力控精度。对于这种既需要较小的力进行精密抓取又需要较大的力进行牢固抓取，如果采用两种传统单轴力传感器，在抓取不同材质和重量物体时更换力传感器，则会带来很多繁琐的问题，例如需要多次安装、标定等，对于结构较复杂的传感器安装过程会导致浪费时间或成本增加。现有的力传感器只能在某一特定的测量范围可保持其分辨率，也就是说，现有的力传感器目前仍无法满足机械手抓取物体时需要在两种不同量程条件下均具有较高分辨率的要求。
因此，如何提供一种基于并联变刚度的手指力传感器，具备测量范围更广、分辨率更高更稳定的特点，以解决机械手力控范围小、精度低，不能有效实现既适于抓取轻质脆弱物体又适于抓取坚固较重物体的问题是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于并联变刚度的手指力传感器，旨在解决上述技术问题。本发明提出的一种基于并联变刚度的手指力传感器，提供了多级分辨率传感器，利用了并联机构的形变来改变机构的刚度，从而可以提高传感器的分辨率，可以达到精确检测多种范围力的作用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于并联变刚度的手指力传感器，包括：
基座，所述基座具有安装内腔，其一侧设置有力传递输入孔；
传力板，所述传力板位于所述安装内腔且对应所述力传递输入孔轴线方向布置；
变形部安装基板，所述变形部安装基板对应所述传力板一侧且靠近所述基座内壁布置；
第一变形部和第二变形部，所述第一变形部和所述第二变形部沿所述力传递输入孔方向依次间隔固定在所述变形部安装基板上；
测力传杆，所述测力传杆贯穿所述力传递输入孔通过所述传力板依次驱动所述第一变形部和所述第二变形部进行传力测量；
位移检测单元，所述位移检测单元对应安装在所述安装内腔的顶壁以检测所述传力板沿所述测力传杆轴线方向的位移量。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于并联变刚度的手指力传感器，采用测力传杆作为测力部件，测力传杆受力推动传力板发生位移，从而依次驱动第一变形部和第二变形部进行传力测量；第一变形部的刚度为K1，当外部对测力传杆施力较小时，由第一变形部作为测力元件起作用，测力传杆在力传递输入孔的导向下，通过传力板首先驱动第一变形部变形，第一变形部的形变量对应传力板的位移量，位移检测单元通过检测传力板的位移量来反馈外部所施力的大小，进而使得本发明的手指力传感器具备了一定刚度和分辨率的检测能力；第二变形部刚度为K2，当外部对测力传杆施力较大时，测力传杆推动传力板继续发生位移，进而驱动第一变形部和第二变形部同时变形，即此时由第一变形部和第二变形部二者弹性并联共同作为测力元件起作用，并联的第一变形部和第二变形部总的刚度为K1+K2，位移检测单元通过检测传力板的位移量来反馈外部所施力的大小，进而使得本发明的手指力传感器具备了更大刚度、更大量程范围和更高分辨率的检测能力；因此，本发明技术方案通过第一变形部和第二变形部的弹性并联可变刚度的结构，实现了手指力传感器的更大的量程范围，确保了大量程下分辨率的稳定与精度，可有效解决机械手在抓取轻质脆弱物体和抓取坚固较重物体时的力控精度问题。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一变形部为U形板簧，所述U形板簧的底端固定在所述变形部安装基板上，所述U形板簧开口端分别与所述传力板和对应侧的所述安装内腔内壁固定。U形板簧作为弹性件，其开口端分别与传力板和对应侧的安装内腔内壁固定，确保了手指力传感器的起始测量精度和灵敏度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述U形板簧为两个，两个所述U形板簧沿所述力传递输入孔方向设置在所述第二变形部两侧，且均与所述第二变形部间隔设置。两个U形板簧布置在第二变形部的两侧，提高了传力板运动的稳定性和测量精度。
作为上述技术方案的进一步改进，所述传力板包括传力板本体及一体连接在所述传力板本体一侧的按压板，所述第二变形部具有压接板，所述按压板与所述压接板沿所述测力传杆轴线方向间隔设置，所述按压板沿力传递方向可与所述压接板抵压。压接板配合按压板可实现弹力的稳定传递。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第二变形部还具有与所述按压板相对且间隔设置的矩形形变框，所述矩形形变框的矩形平面与所述安装内腔的顶壁面平行，其中一个边框与所述变形部安装基板靠近所述传力板的侧壁固定连接；所述压接板与所述矩形形变框靠近所述传力板的侧壁固定连接。矩形形变框的结构使得第二变形部的刚度便于根据需要通过改变框体尺寸进行灵活调整。
作为上述技术方案的进一步改进，所述按压板为两个以上且间隔布置；所述第二变形部为两个以上且其一侧的所述压接板与所述按压板数量位置对应布置。两个以上的第二变形部实现了多级的并联变刚度结构，进而提高了手指力传感器的测量范围、维持了分辨率的稳定，达到了大量程高分辨率高精度的技术效果，可满足不同刚度需求及测力范围的应用场合。
作为上述技术方案的进一步改进，所述第一变形部、所述第二变形部和变形部安装基板均为两组，分别对应布置在所述传力板的两侧。
基座中对称布置的变形部可确保受力时传力板的高精度直线运动，以及可确保第一变形部、第二变形部的对称度，从而能够达到提高本发明手指力传感器分辨率的稳定性和测量精度的效果。
作为上述技术方案的进一步改进，所述位移检测单元为光栅尺位移传感器，包括标尺光栅和光栅读数头，所述光栅读数头安装在所述安装内腔顶壁，所述标尺光栅对应所述光栅读数头的位置且沿所述测力传杆轴线方向安装在所述传力板上，所述光栅读数头用于采集所述标尺光栅的位移信号。
光栅尺位移传感器具有大量程、高分辨率的特点，与本发明的大量程的高分辨率的需求相匹配；采用光栅尺位移传感器作为形变量的测量设备，这种测量方式的输出信号为数字信号，不需要经过A/D采样，可极大地减小外界噪声信号的干扰，其分辨率仅取决于光栅尺栅格的分辨率。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于并联变刚度的手指力传感器，具有以下优点及有益效果：
1、本发明的一种基于并联变刚度的手指力传感器在实现更大地测量范围的同时确保了分辨率的稳定性与测量精度，可有效解决机械手在抓取轻质脆弱物体和抓取坚固较重物体时的力控精度问题。
2、本发明的一种基于并联变刚度的手指力传感器，通过第一变形部和多个第二变形部不同刚度的弹性并联组合，具备弹性并联可变刚度的结构特点，达到了手指力传感器具有多级分辨率的大量程高精度的技术效果，可满足不同刚度需求及测力范围的应用场合。
3、本发明的一种基于并联变刚度的手指力传感器，力传递输入孔对测力传杆的直线运动导向，以及变形部相对传力板对称的结构形式使得标尺光栅的直线运动达到了较高直线度的效果，从而能够实现提高分辨率的精确性和稳定性以及提高测量精确性的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器的整体装配立体示意图；
图2为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器整体装配另一方向立体示意图；
图3为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器整体结构侧视示意图；
图4为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器整体结构俯视示意图；
图5为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器爆炸图；
图6为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器基座结构示意图；
图7为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器基座结构俯视示意图；
图8为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器盖板结构示意图；
图9为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器的并联手指传感器按压变形过程示意图；
图10为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器的并联手指传感器未施加压力情况等效示意图；
图11为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器的并联手指传感器施加按压力F＝0～F0情况等效示意图；
图12为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器施加按压力F＝F0～F1情况等效示意图；
图13为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器施加按压力F＝F1～F2情况等效示意图；
图14为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器的变形部结构俯视示意图
图15为本发明一种基于并联变刚度的手指力传感器的传力板结构俯视示意图
图中：1、光栅尺位移传感器；101、标尺光栅；102、光栅读数头；103、标尺光栅安装板；104、螺栓；2、盖板；201、第二安装槽；202、通孔；203、第一凸台；204、第一避让槽；205、安装孔；3、基座；301、力传递输入孔；302、第二凸台；303、限位凸台；304、第一切缝；305、第二切缝；306、第三切缝；307、第四切缝；308、第五切缝；309、第六切缝；310、第七切缝；311、第八切缝；312、第九切缝；313、第十切缝；314、第十一切缝；315、第十二切缝；316、第十三切缝；317、第十四切缝；318、第二避让槽；4、变形部；401、第一变形部；4011、U形板簧；402、第二变形部；4021、第一矩形形变框；4022、第一压接板；403、第三变形部；4031、第二矩形形变框；4032、第二压接板；404、变形部安装基板；5、传力板；501、第一按压板；502、第二按压板；503、第一安装槽；504、传力板本体；6、测力传杆。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至13所示，根据本发明实施例一种基于并联变刚度的手指力传感器，包括：环形的基座3、螺纹连接在基座3板面上的盖板2及设置于基座3环内的传力板5和变形部4；盖板2与环形的基座3构成了具有安装内腔的结构；基座3的一侧壁设置有力传递输入孔301。
变形部4包括第一变形部401和第二变形部402和变形部安装基板404；传力板5包括按压板、第一安装槽503、传力板本体504；按压板为两个(或根据需要可设置更多个)，分别为第一按压板501和第二按压板502；传力板5位于安装内腔且对应力传递输入孔301轴线方向布置；
变形部安装基板404对应传力板5一侧且靠近基座3内壁布置；变形部安装基板404与传力板5间隔设置；变形部4和传力板5均与基座3内壁间具有可活动的位移空间；盖板2上设有检测传力板5的位移量的检测单元，以检测传力板5沿测力传杆6轴线方向的位移量。
第一变形部401、第二变形部402和第一按压板501均位于变形部安装基板404和传力板本体504之间；第一变形部401包括两个U形板簧4011，两个U形板簧4011分别一体连接在变形部安装基板404沿力传递输入孔301轴线方向的两端；两个U形板簧4011的开口均面向传力板本体504，且U形板簧4011的开口两侧的端部分别对应一体连接着基座3内壁面和传力板本体504。
传力板本体504对应传递输入孔301位置固定有测力传杆6，测力传杆6为柱形结构，其探头端贯穿传递输入孔301并延伸至基座3的外部。
第二变形部402一体连接在变形部安装基板404靠近传力板本体504的侧端中部；第一按压板501一体连接在传力板本体504靠近变形部安装基板404的侧端中部，且其板面向变形部安装基板404方向延伸至第二变形部402与靠近测力传杆6的U形板簧4011之间，第一按压板501和第二变形部402沿测力传杆6的轴向间隔设置，第一按压板501可抵接按压第二变形部402。
优选的，变形部4还包括另一个第二变形部(亦可根据需要对应按压板的数量和位置进布置)，为区分两个第二变形部，将另一个第二变形部称为第三变形部403，第三变形部403一体连接在变形部安装基板404靠近传力板本体504的侧端中部，并位于第二变形部402远离第一按压板501的一侧且二者间隔设置；第二按压板502一体连接在传力板本体504靠近变形部安装基板404的侧端中部，且其板面向变形部安装基板404方向延伸至第二变形部402和第三变形部403之间，第二按压板502和第三变形部403沿测力传杆6的轴向间隔设置，第二按压板502可抵接按压第三变形部403；如图9和图10所示，第二按压板502和第三变形部403的间隔距离δ2大于第一按压板501和第二变形部402的间隔距离δ1。
优选的，基座3为矩形结构，材质为弹簧钢(具体规格型号可根据需要选用)，如图6和图7所示，通过在基座3中加工出多条切缝形成传力板5和变形部4，也就是说，传力板5、变形部4与基座3为一体成型的结构；传力板5作为传递外部力的传力器件和位移器件，变形部4作为感知传力板5按压力大小的弹性的力敏元器件。
优选的，第一变形部401、第二变形部402、第三变形部403、变形部安装基板404、第一按压板501及第二按压板502均为两个，对称布置在传力板本体504的两侧。基座3中对称布置的变形部4和对称结构的传力板5可确保受力形变时传力板5的高精度直线运动，以及可确保第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403形变的对称度，从而达到了提高本发明手指力传感器分辨率的稳定性和测量精度的效果。
优选的，第二变形部402包括与第一按压板501相对且间隔设置的矩形形变框(称为第一矩形形变框4021)和沿第一矩形形变框4021靠近第三变形部403一侧的侧壁向传力板本体504方向一体延伸至第一按压板501和第二按压板502之间的压接板(称为第一压接板4022)；第一矩形形变框4021的矩形平面与安装内腔的顶壁面(即基座3与盖板2相对的侧面)平行，其中一个边框与变形部安装基板404靠近传力板本体504方向的侧壁一体连接；第一按压板501与第一压接板4022沿测力传杆6的轴向间隔设置，第一按压板501可抵接按压第一压接板4022。
第一矩形形变框4021利用自身矩形框体板一体成型的平行四边形结构，可实现较好的弹性形变效果的同时更加有利于对第二变形部402的刚度大小进行调整；通过改变第一矩形形变框4021的各框体板的结构尺寸可制作出满足不同刚度需求的应用场合。
优选的，第三变形部403包括与第二按压板502相对且间隔设置的矩形形变框(称为第二矩形形变框4031)和沿第二矩形形变框4031远离第二变形部402一侧的侧壁向传力板本体504方向一体延伸至第二按压板502远离第一按压板501侧方的压接板(称为第二压接板4032)；第二矩形形变框4031的矩形平面与安装内腔的顶壁面(即基座3与盖板2相对的侧面)平行，其中一个边框与变形部安装基板404靠近传力板本体504方向的侧壁一体连接；第二压接板4032与第二按压板502沿测力传杆6的轴向间隔设置，第二按压板501可抵接按压第二压接板4032。
第二矩形形变框4031利用自身矩形框体板一体成型的平行四边形结构，可实现较好的弹性形变效果的同时更加有利于对第三变形部403的刚度大小进行调整；通过改变第二矩形形变框4031的各框体板的结构尺寸可制作出满足不同刚度需求的应用场合，以及通过设置第一矩形形变框4021和第二矩形形变框4031的刚度大小，可实现第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403不同刚度的弹性并联组合。
优选的，如图7所示，在基座3上通过线切割加工方式加工出多个切缝，包括第一切缝304、第二切缝305、第三切缝306、第四切缝307、第五切缝308、第六切缝309、第七切缝310、第八切缝311、第九切缝312、第十切缝313、第十一切缝314、第十二切缝315、第十三切缝316、第十四切缝317。线切割的优势在于易于加工较为复杂型面，加工时工件无受力变形，加工质量稳定，精度高；线切割加工方式可确保本发明的第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403的弹性性能的稳定。
具体的，如图7所示，第一切缝304、第二切缝305、第三切缝306、第四切缝307和第十四切缝317共同限定了第一变形部401的四个U形板簧4011的结构；第四切缝307、第五切缝308、第六切缝309、第七切缝310、第八切缝311和第九切缝312共同限定了第二变形部402的第一矩形形变框4021和第一压接板4022的结构；第九切缝312、第十切缝313、第十一切缝314、第十二切缝315、第十三切缝316和第十四切缝317共同限定了第三变形部403的第二矩形形变框4031和第二压接板4032的结构；第四切缝307、第五切缝308和第七切缝310共同限定了传力板5的第一按压板501的结构；第九切缝312、第十一切缝314和第十二切缝315共同限定了传力板5的第二按压板502的结构；第七切缝310的宽度(即第一按压板501和第二变形部402的间隔距离)为δ1，第十二切缝315的宽度(即第二按压板502和第三变形部403的间隔距离)为δ2，δ2＞δ1，δ2和δ1的具体尺寸大小可根据需要确定。
具体的，第一切缝304、第四切缝307、第五切缝308、第六切缝309、第七切缝310、第八切缝311、第九切缝312、第十切缝313、第十一切缝314、第十二切缝315、第十三切缝316和第十四切缝317均为两个，且均分别对称布置在传力板本体504的左右两侧；第三切缝306为两个，沿测力传杆6的轴向分布在传力板本体504两侧；第二切缝305为两组，每组第二切缝305均为两个且沿测力传杆6的轴向对称分布在变形部4的两侧。
具体的，如图7所示，两个第一切缝304和四个第二切缝305将对称布置的两个变形部4与基座3的内壁隔开，使变形部4沿按压方向(即沿测力传杆6的轴向)具有一定间隔的形变间隙；两个第三切缝306沿按压方向(即沿测力传杆6的轴向)将传力板5的两端与基座3的内壁隔开，使传力板5沿按压方向具有一定间隔的活动间隙，两个第三切缝306的缝宽大小也起到了限定传力板5最大位移量的作用。
优选的，基座3内壁对应四个第二切缝305均具有限位凸台303，限位凸台303均对应变形部安装基板404的端部位置；限位凸台303使基座3内壁与变形部4沿按压方向的外壁之间的切缝尺寸减小，限位凸台303起到了约束变形部4的U形板簧4011的形变量大小的作用。
优选的，位移检测单元为光栅尺位移传感器1，包括标尺光栅101、光栅读数头102、标尺光栅安装板103，标尺光栅101设置在传力板5靠近盖板2的一侧，光栅读数头102设置在盖板2上与标尺光栅101相对位置，用于采集标尺光栅101的位移信号。光栅尺位移传感器1具有大量程、高分辨率的特点，与本发明的大量程的高分辨率的需求相匹配；采用光栅尺位移传感器1作为形变量的测量设备，这种测量方式的输出信号为数字信号，不需要经过A/D采样，可极大地减小外界噪声信号的干扰，其分辨率仅取决于光栅尺栅格的分辨率。
优选的，传力板5中部靠近盖板2的一侧沿测力传杆6的轴向设有安装标尺光栅101的第一安装槽503；盖板2顶面与第一安装槽503相对位置设有安装光栅读数头102的第二安装槽201，第二安装槽201的槽底设有安装光栅读数头102的敏感端的通孔202。第一安装槽503用于定位标尺光栅101，提高其安装精度，第二安装槽201的槽底的通孔202提高了敏感端的安装定位精度及起到了遮挡外界光线的作用，提高了光栅尺位移传感器1的安装便捷度、安装定位精度和测量效果。
具体的，标尺光栅安装板103顶部沿第一安装槽503长度方向(即沿测力传杆6的轴向)具有标尺光栅安装槽，标尺光栅101粘接固定在标尺光栅安装槽中；标尺光栅安装板103与第一安装槽503相匹配，并用螺钉固定安装在第一安装槽503中；第二安装槽201的槽底，沿第二安装槽201长度方向的通孔202两侧均具有定位与安装光栅读数头102的安装孔205，光栅读数头102底部对应两个安装孔205的位置具有与安装孔205相匹配的定位孔(图中未示出)，螺栓104贯穿在定位孔和安装孔205中，将光栅读数头102固定安装在第二安装槽201中。
优选的，盖板2底部沿第二安装槽201长度方向的两端均具有长条形的第一凸台203，两个第一凸台203的顶面均与基座3固定连接；两个长条形的第一凸台203平行设置，二者之间限定出避让传力板5和变形部4运动的第一避让槽204。第一凸台203和第一避让槽204的设计可避免传力板5和变形部4受力移动时与盖板2发生运动干涉。
具体的，第一凸台203与盖板2为一体结构。
优选的，基座3远离盖板2的端面对应两个第一凸台203设有第二凸台302，两个第二凸台302之间限定出避让传力板5和变形部4运动的第二避让槽318。第二凸台302和第二避让槽318的设计可方便本发明的手指力传感器安装在其它装置的壁面上，可避免传力板5和变形部4受力移动时与其它装置发生运动干涉。
具体的，第二凸台302与盖板2为一体结构。
优选的，测力传杆6与力传递输入孔301均为圆柱形结构且二者间隙配合；力传递输入孔301起到了对测力传杆6进行稳固和导向测力传杆6运动方向的作用。
具体的，如图4和图5所示，测力传杆6尾部具有外螺纹，传力板5与测力传杆6尾部相应位置加工有连接测力传杆6的连接螺纹孔，测力传杆6与传力板5通过螺纹连接固定；测力传杆6的长度可根据需要具体配置；测力传杆6尾部与传力板5间亦可通过粘接固定。
具体的，基座3加工制作过程为：选用矩形的弹簧钢材质的钢板，先铣削加工连接测力传杆6的连接螺纹孔，再铣削加工第二凸台302以及第二避让槽318，最后通过线切割方式在基座3内部加工多个切缝形成传力板5和变形部4。
优选的，基座3板面的角端处具有多个手指力传感器安装孔。
本发明提供的一种基于并联变刚度的手指力传感器的工作原理：采用测力传杆6作为测力部件，当外部对测力传杆施力较小时，测力传杆6受力推动传力板本体504发生位移，从而首先带动变形部安装基板404两端的两个U形板簧4011发生弹性形变，即此时由两个U形板簧4011构成的第一变形部401作为测力元件起作用，盖板2上的光栅读数头102通过检测传力板本体504上标尺光栅101反馈的位移信号来测量力的大小，第一变形部401的刚度为K1，进而使得本发明的手指力传感器具备了一定刚度和分辨率的检测能力；当施力较大时，测力传杆6推动传力板本体504继续发生位移，传力板本体504侧端的第一按压板501和第二变形部402抵接，第一按压板501按压第二变形部402使其发生弹性形变，第二变形部402刚度为K2，即此时由第一变形部401和第二变形部402二者弹性并联共同作为测力元件起作用，即并联的第一变形部401和第二变形部402总的刚度为K1+K2，进而使得本发明的手指力传感器具备了更大刚度、更大量程范围和更高分辨率的检测能力；当外部对测力传杆6施力继续增大时，测力传杆6推动传力板本体504继续发生位移，第二变形部402形变量也将继续增大，第二按压板502可抵接并按压第三变形部403使其发生形变，第三变形部刚度为K3，即此时由第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403三者弹性并联共同作为测力元件起作用，即并联的第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403总的刚度为K1+K2+K3，进而通过第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403的弹性并联可变刚度的结构，达到了手指力传感器具有三级分辨率的大量程高精度的技术效果，在本发明手指力传感器的工作原理的指导下亦可进行具有更多级弹性并联可变刚度结构的手指力传感器的设计，且能够实现更大分辨率、更高刚度、更稳定的分辨率，可满足不同刚度需求及测力范围的应用场合。
另外，本发明的一种基于并联变刚度的手指力传感器的基座3、变形部4(包括第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403)、传力板5(包括第一按压板501、第二按压板502、和传力板本体504)形成一体连接的结构形式，无需对其进行组装，可避免传统力传感器存在的因多个部件的组装精度而带来的系统误差，可节约组装时间及大大降低制作成本，结构稳固，可确保较高的使用精度和较长的使用寿命；因此，本发明技术方案通过第一变形部401、第二变形部402和第三变形部403的弹性并联可变刚度的结构，在实现更大的测量范围的同时确保了分辨率的稳定性与测量精度，可有效解决机械手在抓取轻质脆弱物体和抓取坚固较重物体时的力控精度问题。本发明的一种基于并联变刚度的手指力传感器，力传递输入孔对测力传杆的直线运动导向，以及变形部和传力板对称的结构形式使得标尺光栅的直线运动达到了较高直线度的效果，从而能够实现提高分辨率的精确性和稳定性以及提高测量精确性的效果。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (7)
1.一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，包括：
基座(3)，所述基座(3)具有安装内腔，其一侧设置有力传递输入孔(301)；
传力板(5)，所述传力板(5)位于所述安装内腔且对应所述力传递输入孔(301)轴线方向布置；
变形部安装基板(404)，所述变形部安装基板(404)对应所述传力板(5)一侧且靠近所述基座(3)内壁布置；
第一变形部(401)和第二变形部(402)，所述第一变形部(401)和所述第二变形部(402)沿所述力传递输入孔(301)方向依次间隔固定在所述变形部安装基板(404)上；
测力传杆(6)，所述测力传杆(6)贯穿所述力传递输入孔(301)通过所述传力板(5)依次驱动所述第一变形部(401)和所述第二变形部(402)进行传力测量；
所述传力板(5)包括传力板本体(504)及一体连接在所述传力板本体(504)一侧的按压板，所述第二变形部(402)具有压接板，所述按压板与所述压接板沿所述测力传杆(6)轴线方向间隔设置，所述按压板沿力传递方向可与所述压接板抵压；
位移检测单元，所述位移检测单元对应安装在所述安装内腔的顶壁以检测所述传力板(5)沿所述测力传杆(6)轴线方向的位移量。
2.根据权利要求1所述一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，所述第一变形部(401)为U形板簧(4011)，所述U形板簧(4011)的底端固定在所述变形部安装基板(404)上，所述U形板簧(4011)开口端分别与所述传力板(5)和对应侧的所述安装内腔内壁固定。
3.根据权利要求2所述一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，所述U形板簧(4011)为两个，两个所述U形板簧(4011)沿所述力传递输入孔(301)方向设置在所述第二变形部(402)两侧，且均与所述第二变形部(402)间隔设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，所述第二变形部(402)还具有与所述按压板相对且间隔设置的矩形形变框，所述矩形形变框的矩形平面与所述安装内腔的顶壁面平行，其中一个边框与所述变形部安装基板(404)靠近所述传力板(5)的侧壁固定连接；所述压接板与所述矩形形变框靠近所述传力板(5)的侧壁固定连接。
5.根据权利要求4所述一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，所述按压板为两个以上且间隔布置；所述第二变形部(402)为两个以上且其一侧的所述压接板与所述按压板数量位置对应布置。
6.根据权利要求1至5任一项所述一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，所述第一变形部(401)、所述第二变形部(402)和变形部安装基板(404)均为两组，分别对应布置在所述传力板(5)的两侧。
7.根据权利要求1至5任一项所述一种基于并联变刚度的手指力传感器，其特征在于，所述位移检测单元为光栅尺位移传感器(1)，包括标尺光栅(101)和光栅读数头(102)，所述光栅读数头(102)安装在所述安装内腔顶壁，所述标尺光栅(101)对应所述光栅读数头(102)的位置且沿所述测力传杆(6)轴线方向安装在所述传力板(5)上，所述光栅读数头(102)用于采集所述标尺光栅(101)的位移信号。
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