CN1982860A

CN1982860A - 三维指力传感器及其信息获取方法

Info

Publication number: CN1982860A
Application number: CN 200510123188
Authority: CN
Inventors: 吴仲城; 申飞; 戈瑜
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: ANHUI LONGCOM INTERNET OF THINGS Co Ltd
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2025-12-16
Also published as: CN100478662C

Abstract

本发明涉及一种安装在机器人灵巧手或手爪上，能够同时检测机器人手指三维力信息的传感器及其信息获取方法。传感器包括指尖、粘贴有多只应变电阻的弹性元件和外壳，其中弹性元件为圆状膜片和有穿孔的十字梁，圆状膜片上置有相互垂直设置的两组应变电阻，十字梁的每根梁的两侧面上置有一组应变电阻，十字梁的端部置有连接件，传感器的弹性元件结构简单，容易加工；基于三维指力传感器中弹性元件为圆状膜片和十字梁的结构，三维力信息Fx、Fy、Fz分别取自a组、b组和c组惠斯通电桥，该方法能够独立获取三维力信息Fx、Fy和Fz。

Description

三维指力传感器及其信息获取方法

技术领域本发明涉及机器人领域，特别涉及一种安装在机器人灵巧手或者手爪上，能够同时检测机器人手指三维力信息的力传感器，以及实现三维力信息独立获取的方法。

背景技术机器人灵巧手或者手爪是一种智能型通用机械手，其外形类似于人手，在机器人工作时，需要在手指上安装指力传感器来检测灵巧手或者手爪抓取物体时的握力、检测被抓物体的重量以及判断在抓取操作过程中是否存在滑动、振动等现象。三维指力传感器安装在灵巧手或者手爪的指头上，能够实时地检测机器人工作时各手指的三维力信息Fx、Fy、Fz的大小，供机器人操作时使用。

在现有技术中有多种结构的三维力传感器，例如专利号为CN98251146.9的“框架式三维力传感器”、专利号为CN93213754.7的“三维力传感器”、专利号为CN00236964.8的“多维力传感器”、专利号为JP10249768的“力传感器”、专利号为JP1119731的“多维力传感器”、专利号为CN2032318U的“应变式三维单指触觉传感器”以及专利号为US6622575的“安装在指尖的六维力传感器”等。

其中专利号为CN2032318U的“应变式三维单指触觉传感器”，其在Z向采用了剪幅式弹性元件，X、Y方向采用悬臂梁弹性体结构，是一种利用微接触力来判断焊缝位置的触摸识别传感器。该传感器采用剪幅式弹性元件和鼓膜结构，弹性元件由带有幅筋的内外环构成，鼓膜的端盖为一圆盘状的平面约束结构。

现有技术中的三维指力传感器存在着不足之处，其一，传感器的弹性元件结构复杂；其二，现有技术中的传感器采用测量力矩的原理来检测力的大小，当受力位置的力臂长度不同时，产生的力矩则不相同，传感器对受力位置比较敏感，即同样方向、大小的力施加在不同的位置时，传感器检测出的力的大小却不相同。

发明内容本发明的目的在于避免上述现有技术中弹性元件结构复杂、传感器对受力位置比较敏感的不足之处，提供一种弹性元件为圆状膜片和十字梁简单结构、能够同时获取三维力信息的传感器及其信息独立获取的方法。

一种三维指力传感器，包括相互连接的触头、圆盘状片、弹性件和壳体，以及置于其上的应变电阻，特别是：1)、所说触头为半球状的指尖，球心与圆盘状片上的连杆相连接；2)、所说圆盘状片为圆状膜片，其上置有相互垂直设置的两组应变电阻，且其圆心处置有连杆，连杆为螺栓；3)、所说圆状膜片上的两组应变电阻中的一组位于连杆的根部、另一组位于圆状膜片的边缘，这两组应变电阻由R9、R10、R11、R12构成c组惠斯通电桥；4)、所说弹性件为每根梁的两侧面上置有应变电阻、端部置有连接件的十字梁，且同一走向上两根梁上的应变电阻连接成一组惠斯通电桥，其中，应变电阻R1、R2、R3、R4构成a组惠斯通电桥，R5、R6、R7、R8构成b组惠斯通电桥；5)、所说十字梁上置有穿孔，且穿孔位于两片应变电阻的中间；6)、所说十字梁的端部有两组连接件，其中一组连接件与圆状膜片经螺钉相连接，另一组连接件与外壳底部的连接件经螺钉相连接，并且这两组连接件分别在与其相连接部件的方向上呈有凸台；7)、所说壳体为底部为连接件的外壳，此连接件上置有安装孔和引线孔，并与十字梁端部的连接件相连接。

三维指力传感器的信号获取方法，包括接收惠斯通电桥的信号，特别是：三维力信息中X维的信号Fx取自a组惠斯通电桥，三维力信息中Y维的信号Fy取自b组惠斯通电桥，三维力信息中Z维的信号Fz取自c组惠斯通电桥。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，与现有技术中专利号为CN2032318U的专利相比，现有技术中的传感器采用剪幅式弹性元件和鼓膜结构，剪幅式弹性元件由带有幅筋的内外环构成，鼓膜的端盖为一圆盘状的平面约束结构，其弹性元件结构复杂，不易加工。本发明中三维指力传感器的弹性元件为圆状膜片和十字梁，其中圆状膜片上置有相互垂直设置的两组应变电阻，且其圆心处置有连杆，十字梁的每根梁的两侧面上置有应变电阻、端部置有连接件，该弹性元件结构简单，容易加工。并且十字梁上有穿孔，当传感器受到微小的力时，十字梁就会发生较大的形变，因此，本发明中的传感器相对现有技术精度有所提高。

其二，与现有技术专利号为CN2032318U的专利相比，现有技术中的传感器采用测量力矩的原理来检测力的大小，当在指尖上的不同位置施加相同大小的力时，由于受力位置的力臂长度不同，产生的力矩就不相同，弹性元件产生的形变也就不相同，因此检测出的信号大小不相同，即传感器在使用过程中对手指的受力位置非常敏感；本发明中的三维指力传感器则直接检测力的大小，其中圆状膜片检测Fz的力信息，十字梁检测Fx、Fy的力信息，当在指尖上的不同位置施加相同大小的力时，圆状膜片和十字梁产生的形变相同，检测出的信号相同，即传感器在使用过程中对手指的受力位置不敏感。

其三，本发明中的三维指力传感器先将圆状膜片经螺钉与十字梁连接，再经螺钉把外壳与十字梁连接起来，最后把指尖安装在圆状膜片的螺栓上，传感器就组装完毕，安装方便。

其四，本发明基于上述弹性元件为圆状膜片和十字梁的结构，相对现有技术，其圆状膜片上粘贴有检测Fz力信息的c组惠斯通电桥，十字梁上粘贴有检测Fx力信息的a组惠斯通电桥和检测Fy力信息的b组惠斯通电桥，且圆状膜片和十字梁在结构上互相垂直，独立获取各自的信息，具有结构自解耦的特点，因此在本发明三维指力传感器的信号获取方法中，三维力信息中X维的信号Fx取自a组惠斯通电桥，三维力信息中Y维的信号Fy取自b组惠斯通电桥，三维力信息中Z维的信号Fz取自c组惠斯通电桥，该方法能够独立获取三维力信息Fx、Fy和Fz。

附图说明下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明中三维指力传感器的立体结构安装示意图；

图2为本发明中圆状膜片的主视图和侧视图；

图3为本发明中十字梁的主视图和侧视图；

图4为本发明中三维力信息获取方法的原理图。

具体实施方式

图1是本发明中三维指力传感器的立体结构安装示意图。三维指力传感器由指尖1、圆状膜片2、十字梁3和外壳4组成，结构简单，安装方便，特别是弹性元件圆状膜片2和十字梁3容易加工。

图2是本发明中圆状膜片的主视图和侧视图。在本发明中叙述的圆状膜片2经螺栓22与指尖1连接，圆状膜片2经螺钉与十字梁3连接在一起。应变电阻21由R9、R10、R11和R12组成，粘贴在圆状膜片2上，构成c组惠斯通电桥，用来获取Fz的力信息，其中R9和R10位于螺栓22的根部，R11和R12位于圆状膜片2的边缘。通过改变圆状膜片2的直径或者厚度，可实现Fz方向量程和灵敏度的调整。

图3是本发明中十字梁的主视图和侧视图。本发明中叙述的十字梁3，每根梁的两侧面上置有应变电阻31，在每两片应变电阻31中间的十字梁3上置有穿孔。十字梁3的端部有两组连接件32和33，其中连接件32与圆状膜片2经螺钉相连接，连接件33与外壳4底部的连接件41经螺钉相连接，并且连接件32、33分别在与其相连接部件的方向上呈有凸台。

十字梁3上的应变电阻31由两组构成，其中，应变电阻R1、R2、R3、R4粘贴在Y轴上，构成a组惠斯通电桥，用来获取Fx的力信息，R5、R6、R7、R8粘贴X轴上，构成b组惠斯通电桥，用来获取Fy的力信息。传感器的坐标系遵守右手螺旋定则，X、Y轴分别位于十字梁3的轴线上，0-X-Y平面位于十字梁3的中心平面，在确定X、Y轴的方向后，即可确定Z轴的方向。通过改变十字梁3的结构尺寸或者十字梁3上穿孔的直径，可实现Fx、Fy量程和灵敏度的调整。

图4为本发明中三维力信息获取方法的原理图。其中a组电桥中的R1、R2、R3和R4获取Fx的力信息，b组电桥中的R5、R6、R7和R8用来获取Fy的力信息，c组电桥中的R9、R10、R11和R12用来获取Fz的力信息。

实施例：本发明中的三维指力传感器先将圆状膜片2经螺钉与十字梁3连接，再经螺钉把外壳4与十字梁3连接起来，最后把指尖1安装在圆状膜片2的螺栓22上，传感器就组装完毕，将三维指力传感器通过外壳4上的连接件41固定在机械手爪或者灵巧手上。当手爪或者灵巧手抓取物体时，三维指力传感器的指尖1感受到力，并通过螺栓22将力传递到圆状膜片2和十字梁3上，圆状膜片2和十字梁3就发生形变，粘贴在圆状膜片2上的应变电阻R9、R10、R11和R12与粘贴在十字梁3上的应变电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8都发生相应的形变，由这些电阻组成的a组、b组和c组惠斯通电桥就有电压信号输出，其中a组电桥获取Fx的力信息，b组电桥获取Fy的力信息，c组电桥获取Fz的力信息，测量这三组惠斯通电桥的电压信号，再经过标定，就能够实时得到传感器指尖1上感受到的三维力信息Fx、Fy和Fz。

三维指力传感器能实时地检测三维空间各手指的三维力信息Fx、Fy、Fz，利用这些力信息，机械手爪或者灵巧手的控制系统不但能检测和控制抓取物体时的握力，而且还可以检测被抓取物体的重量，以及判断在抓取操作过程中是否存在滑动、振动等现象。

Claims

1、一种三维指力传感器，包括相互连接的触头、圆盘状片、弹性件和壳体，以及置于其上的应变电阻，其特征在于：

1.1、所说触头为指尖(1)，所说指尖(1)为半球状，所说半球状的球心与连杆(22)相连接；

1.2、所说圆盘状片为圆状膜片(2)，所说圆状膜片(2)上置有相互垂直设置的两组应变电阻(21)，且其圆心处置有连杆(22)，所说两组应变电阻(21)电连接成c组惠斯通电桥；

1.3、所说弹性件为十字梁(3)，所说十字梁(3)的每根梁的两侧面上置有应变电阻(31)、端部置有连接件(32，33)，所说同一走向上的两根梁上的应变电阻(31)电连接成一组惠斯通电桥，所说连接件(32)与所说圆状膜片(2)相连接；

1.4、所说壳体为外壳(4)，所说外壳(4)的底部为连接件(41)，所说连接件(41)与所说连接件(33)相连接。

2、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是连杆(22)为螺栓。

3、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是两组应变电阻(21)中的一组位于连杆(22)的根部、另一组位于圆状膜片(2)的边缘。

4、根据权利要求3所述的三维指力传感器，其特征是c组惠斯通电桥由应变电阻R9、R10、R11、R12构成。

5、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是十字梁(3)上置有穿孔，所说穿孔位于所说两片应变电阻(31)的中间。

6、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是应变电阻(31)分别由a、b两组构成，其中，a组为应变电阻R1、R2、R 3、R4，b组为R5、R6、R7、R8。

7、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是连接件(32，33)分别在与其相连接部件的方向上呈有凸台。

8、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是十字梁(3)的端部有两组连接件(32、33)，其中连接件(32)与圆状膜片(2)经螺钉相连接，连接件(33)与外壳底部的连接件(41)经螺钉相连接。

9、根据权利要求1所述的三维指力传感器，其特征是壳体的连接件(41)上置有安装孔和引线孔。

10、根据权利要求1所述的三维指力传感器的信号获取方法，包括接收惠斯通电桥的信号，其特征在于：

10.1、三维力信息中X维的信号Fx取自a组惠斯通电桥；

10.2、三维力信息中Y维的信号Fy取自b组惠斯通电桥；

10.3、三维力信息中Z维的信号Fz取自c组惠斯通电桥。