CN116907718A - 适用于机器人的六维力传感器 - Google Patents

Abstract

一种力传感器技术领域的适用于机器人的六维力传感器，包括盖子、壳体，其特征在于还包括弹性主体、弹性主体上平台、弹性主体下平台、应变片；壳体的内壁布置有壳体挡板，壳体挡板为圆环状结构，壳体挡板把壳体内部腔体分为壳体上腔体、壳体下腔体两部分；弹性主体由铰链和连接梁连接而成，整体结构成“S”形；铰链的一侧为平面，一侧为圆弧面；连接梁呈长方体结构，在铰链两侧的圆弧面上各布置一个应变片；弹性主体的上端与弹性主体上平台固结在一起，弹性主体的下端与弹性主体下平台固结在一起。本发明各方向力/力矩的解耦误差小，各向同性好，灵敏度比较接近；并且灵敏度大，每个铰链的形变量大，电压输出大，抗干扰能力强。

Description

适用于机器人的六维力传感器

技术领域

本发明涉及的是力传感器技术领域的六维力传感器，特别是一种可以很好解决打磨过程中弹性柱容易断裂问题的具有大量程侧向力和侧向力矩的适用于机器人的六维力传感器。

背景技术

六维力传感器可以同时测量三个正交力和三个正交力矩，在工业和研究中得到广泛的应用。工业自动化的趋势使得机器人在越来越多的工作和场合受到依赖，例如安装、焊接、研磨、去毛刺等。为了有效控制机器人，使其运作灵活，需要准确检测机器人与环境之间的相互作用力，并通过制动器采取行动进行优化性能操作。

但是传统的六维力传感器Z方向的量程大幅高于X/Y方向的量程，并且灵敏度也有较大差距，三个维度的各向同性差。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种适用于机器人的六维力传感器，各方向力/力矩的解耦误差小，各向同性好，即XYZ的量程比较接近，灵敏度比较接近；并且灵敏度大，每个铰链的形变量大，电压输出大，抗干扰能力强。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明包括盖子、壳体，其特征在于还包括弹性主体、弹性主体上平台、弹性主体下平台、应变片；在壳体的内壁布置有壳体挡板，壳体挡板为圆环状结构，壳体挡板把壳体内部腔体分为壳体上腔体、壳体下腔体两部分；弹性主体由铰链和连接梁连接而成，整体结构成“S”形；铰链的一侧为平面，一侧为圆弧面；连接梁呈长方体结构，在铰链两侧的圆弧面上各布置一个应变片；弹性主体的上端与弹性主体上平台固结在一起，弹性主体的下端与弹性主体下平台固结在一起；弹性主体上平台、弹性主体、弹性主体下平台组成的整体结构布置在壳体内部腔体内，弹性主体上平台布置在壳体上腔体内，弹性主体下平台布置在壳体下腔体内；盖子布置在壳体的顶部，在盖子上布置有盖子通孔，在弹性主体上平台上布置有上平台螺纹孔，盖子通孔与上平台螺纹孔通过螺栓相连接；在壳体挡板上布置有壳体螺纹孔，在弹性主体下平台上布置有下平台通孔，下平台通孔与壳体螺纹孔通过螺栓相连接。

进一步地，本发明还包括盖子螺纹孔、下平台螺纹孔；盖子螺纹孔布置在盖子上表面，用于和施力件连接；下平台螺纹孔布置在弹性主体下平台的下表面，用于固定传感器。

更进一步地，在本发明中，盖子通孔、上平台螺纹孔、壳体螺纹孔、下平台通孔、盖子螺纹孔、下平台螺纹孔均为六个，且沿圆周方向均匀分布。

更进一步地，在本发明中，弹性主体包括六个铰链、七个连接梁，弹性主体的上端通过铰链与弹性主体上平台固结在一起，弹性主体的下端通过铰链与弹性主体下平台固结在一起；除与弹性主体上平台、弹性主体下平台相连接的两个铰链以外，其他四个铰链的两端均与连接梁相连接。

更进一步地，在本发明中，六个铰链、七个连接梁为一体成型结构。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：本发明设计合理，结构简单，各方向力/力矩的解耦误差小，各向同性好，即XYZ的量程比较接近，灵敏度比较接近；并且灵敏度大，每个铰链的形变量大，电压输出大，抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明实施例一中传感器装置的整体结构图；

图2是本发明实施例一的俯视图；

图3是图2中A-A剖面的结构示意图；

图4是本发明实施例一的仰视图；

图5是本发明实施例一中盖子的俯视图；

图6是图5中B-B剖面的结构示意图；

图7是本发明实施例一中壳体的俯视图；

图8是图7中C-C剖面的结构示意图；

图9是本发明实施例一中弹性主体的结构示意图；

图10是本发明实施例一中弹性主体的正视图；

图11是本发明实施例一中弹性主体的左视图；

图12是本发明实施例一中铰链结构图和应变片图；

图13是本发明实施例二中传感器装置的整体结构剖面图；

图14是本发明实施例二中弹性主体的结构示意图；

其中，1、盖子，2、弹性主体，3、壳体，101、盖子螺纹孔，102、盖子通孔，201、弹性主体上平台，202、上平台螺纹孔，203、铰链，204、连接梁，205、应变片，206、弹性主体下平台，207、下平台通孔，208、下平台螺纹孔，301、壳体螺纹孔，302、壳体挡板，303、壳体上腔体，304、壳体下腔体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1至图12所示，本发明包括盖子1、弹性主体2、壳体3、盖子螺纹孔101、盖子通孔102、弹性主体上平台201、上平台螺纹孔202、铰链203、连接梁204、应变片205、弹性主体下平台206、下平台通孔207、下平台螺纹孔208、壳体螺纹孔301、壳体挡板302；在壳体3的内壁布置有壳体挡板302，壳体挡板302为圆环状结构，壳体挡板302把壳体内部腔体分为壳体上腔体303、壳体下腔体304两部分。弹性主体2由铰链203和连接梁204连接而成，整体结构成“S”形，弹性主体2包括六个铰链203、七个连接梁204，弹性主体2的上端通过铰链203与弹性主体上平台201固结在一起，弹性主体2的下端通过铰链203与弹性主体下平台206固结在一起；除与弹性主体上平台201、弹性主体下平台206相连接的两个铰链203以外，其他四个铰链203的两端均与连接梁204相连接；弹性主体2的最上端水平段由两个连接梁204、一个铰链203组成，中间的水平段由三个连接梁204、二个铰链203组成，最下端水平段由两个连接梁204、一个铰链203组成。铰链203的一侧为平面，一侧为圆弧面；连接梁204呈长方体结构，在铰链203两侧的圆弧面上各布置一个应变片。弹性主体上平台201、弹性主体2、弹性主体下平台206组成的整体结构布置在壳体3的内部腔体内，弹性主体上平台201布置在壳体上腔体303内，弹性主体下平台206布置在壳体下腔体304内。盖子1布置在壳体3的顶部，在盖子1上布置有盖子通孔102，在弹性主体上平台201上布置有上平台螺纹孔202，盖子通孔102与上平台螺纹孔202通过螺栓相连接；在壳体挡板302上布置有壳体螺纹孔301，在弹性主体下平台206上布置有下平台通孔207，下平台通孔207与壳体螺纹孔301通过螺栓相连接。盖子螺纹孔101布置在盖子1上表面，用于和施力件连接；下平台螺纹孔208布置在弹性主体下平台206的下表面，用于固定传感器。盖子螺纹孔101、盖子通孔102、上平台螺纹孔202、下平台通孔207、下平台螺纹孔208、壳体螺纹孔301均为六个，且沿圆周方向均匀分布。

在本发明的实施过程中，当外界对弹性主体施加力/扭矩，铰链203上的应变片205产生形变，通过输出电信号得到每个关节上的力/扭矩。通过转置的雅可比矩阵，可以将操作空间的力/扭矩映射到关节空间输出的力/扭矩，从而可以通过关节输出的电信号计算传感器的受力/扭矩。其具体的测量原理如下：

关节输出的力/扭矩为：τ＝[τ₁ τ₂ … τ_n]^T

关节运动速度为：

式中，n为关节空间的自由度(关节数量)。

整个系统输出的功率(等于力乘速度)在关节空间即表示为：

从操作空间的角度看，设此时终端能够对外界输出的力/扭矩(或说为了维持整个系统的静态平衡，外界对终端的作用力/扭矩)为：

F＝[f₁ f₂ f₃ n₁ n₂ n₃]^T

其中，f表示力，n表示扭矩。

终端的速度为：

那么施加在终端上的外力对整个系统做功的功率为：

由能量守恒定律，

再把瞬时运动学的式子代入：

τ^T＝F^TJ＝(J^TF)^T

τ＝J^TF

F＝[J^T]^-1τ

式中，J是雅可比矩阵。雅可比矩阵有m行n列：m为操作空间的自由度，n为关节空间的自由度(关节数量)，x为终端的速度，q为关节运动速度。J的转置乘以操作空间的力/扭矩就可得到关节空间输出的力/扭矩。F是传感器受力/扭矩，τ是关节的受力/扭矩，通过应变片的输出信号获得。

实施例二

在实施例一中，弹性主体2所包括的六个铰链203、七个连接梁204是单独的结构；在本实施例中，六个铰链203、七个连接梁204为一体成型结构，如图13和图14所示。

上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种适用于机器人的六维力传感器，包括盖子、壳体，其特征在于还包括弹性主体、弹性主体上平台、弹性主体下平台、应变片；

在壳体的内壁布置有壳体挡板，壳体挡板为圆环状结构，壳体挡板把壳体内部腔体分为壳体上腔体、壳体下腔体两部分；

弹性主体由铰链和连接梁连接而成，整体结构成“S”形；铰链的一侧为平面，一侧为圆弧面；连接梁为长方体结构，在铰链两侧的圆弧面上各布置一个应变片；

弹性主体的上端与弹性主体上平台固结在一起，弹性主体的下端与弹性主体下平台固结在一起；弹性主体上平台、弹性主体、弹性主体下平台组成的整体结构布置在壳体内部腔体内，弹性主体上平台布置在壳体上腔体内，弹性主体下平台布置在壳体下腔体内；

盖子布置在壳体的顶部，在盖子上布置有盖子通孔，在弹性主体上平台上布置有上平台螺纹孔，盖子通孔与上平台螺纹孔通过螺栓相连接；在壳体挡板上布置有壳体螺纹孔，在弹性主体下平台上布置有下平台通孔，下平台通孔与壳体螺纹孔通过螺栓相连接。

2.根据权利要求1所述的适用于机器人的六维力传感器，其特征在于还包括盖子螺纹孔、下平台螺纹孔；盖子螺纹孔布置在盖子上表面，用于和施力件连接；下平台螺纹孔布置在弹性主体下平台的下表面，用于固定传感器。

3.根据权利要求2所述的适用于机器人的六维力传感器，其特征在于所述盖子通孔、上平台螺纹孔、壳体螺纹孔、下平台通孔、盖子螺纹孔、下平台螺纹孔均为六个，且沿圆周方向均匀分布。

4.根据权利要求1所述的适用于机器人的六维力传感器，其特征在于所述弹性主体包括六个铰链、七个连接梁，弹性主体的上端通过铰链与弹性主体上平台固结在一起，弹性主体的下端通过铰链与弹性主体下平台固结在一起；除与弹性主体上平台、弹性主体下平台相连接的两个铰链以外，其他四个铰链的两端均与连接梁相连接。

5.根据权利要求4所述的适用于机器人的六维力传感器，其特征在于所述六个铰链、七个连接梁为一体成型结构。