CN208867192U - 一种球形空间正交梁式六维力传感器及机器人关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种球形空间正交梁式六维力传感器及机器人关节，它解决了现有技术中灵敏度低、维间有耦合、体积较大、非线性度大的问题，具有无耦合、结构紧凑、体积小、稳定性好、精度高的效果；其技术方案为：球形空间正交梁式六维力传感器包括空间正交梁、输出连接件，所述空间正交梁通过滑套置于上球壳与下球壳形成的支撑外壳内部；所述输出连接件穿过上球壳与空间正交梁相连；其中，空间正交梁包括梁支撑体和与所述梁支撑体相连的六个梁臂，任意两个梁臂的中心线正交或共线；所述梁臂侧面贴附有用于测量力和力矩的应变片组，应变片组将其变化阻值输送至调理电路；梁臂端部与滑套间隙配合，当空间正交梁变形时，梁臂能够沿滑套轴向小位移平移。

Description

一种球形空间正交梁式六维力传感器及机器人关节

技术领域

本实用新型涉及智能机器人领域，尤其涉及一种球形空间正交梁式六维力传感器及机器人关节。

背景技术

随着工业智能机器人技术的快速发展，人们对于机器人的顺应性和智能性提出了更高的要求。其中机器人关节用六维力传感器，能够提高机器人关节的力感知能力，为实现机器人的柔顺性控制以及自主运动控制等提供数据支撑，在高端机器人技术领域具有广阔的发展前景。

自上世纪70年代开始，机器人六维力传感器就成为国内外的研究热点。目前六维力传感器主要有电阻应变式、电感式、电容式、压电式和光电式等，其中应用最广泛的是应变式六维力传感器，其具有体积小、重量轻、灵敏度高、强度高、寿命长等优点。应变片式六维力传感器在外力作用下，弹性体发生变形，粘贴在弹性体上的应变片产生应变使得电阻值发生变化，经过电桥将电阻值的变化转换成电压或电流输出。

在应变式六维力传感器中，弹性体的结构对于整个传感器信号输出有很大的影响。合理的弹性体结构对于解耦和测力有很大的帮助。六维力传感器的弹性体通常分为直接输出型(无耦合型)和间接输出型(耦合型)。无耦合输出型六维力传感器是根据力的方向和大小设置六个无耦合作用的弹性体，分别用于测量单个方向的力或力矩，由应变桥或根据结构常数通过简单计算输出力的六个分量，测量速度快，但由于其体积较大，很难应用于机器人关节中，且受加工精度和装配精度的影响，其测量精度较低；耦合输出型六维力传感器应变桥的每一路输出信号与均与每个力分量相关，其典型结构有梁式、辐轮式、八角环式等，其测量精度较高，但由于此类传感器必须要进行解耦才能得到所需信号，因此要求传感器具备更快的信号处理速度，而且信号输出精度也受传感器结构的影响。

目前六维力传感器技术仍然有很大的发展空间，其中如何设计一种无耦合、结构紧凑、体积小、稳定性好、精度高的六维力传感器是传感器领域亟待解决的问题。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种球形空间正交梁式六维力传感器，其具有无耦合、结构紧凑、体积小、稳定性好、精度高的效果。

一种球形空间正交梁式六维力传感器，包括：

空间正交梁，所述空间正交梁通过滑套置于上球壳与下球壳形成的支撑外壳内部；

输出连接件，所述输出连接件穿过上球壳与空间正交梁相连；

其中，空间正交梁包括梁支撑体和与所述梁支撑体相连的六个梁臂，任意两个梁臂的中心线正交或共线；所述梁臂侧面贴附有用于测量力和力矩的应变片组，应变片组将其变化阻值输送至调理电路；梁臂端部与滑套间隙配合，当空间正交梁变形时，梁臂能够沿滑套轴向小位移平移。

进一步的，所述梁臂包括连接为一体的应变梁、柔性节和导轴，所述应变梁具有四个应变片安装面，所述导轴与滑套间隙配合。

进一步的，所述上球壳中心开设有与滑套过盈配合的上滑套安装孔，所述上滑套安装孔周向均匀设置有多个用于输出连接件穿入的置入孔。

进一步的，所述上球壳周向均匀设有四个上半圆柱孔，每一上半圆柱孔一侧设有螺钉安装孔。

进一步的，所述下球壳中心开设有与滑套过盈配合的下滑套安装孔，所述下滑套安装孔周向设有若干电连接件安装孔。

进一步的，所述下球壳周向均匀设有四个下半圆柱孔，每一下半圆柱孔一侧设有螺纹连接孔。

进一步的，所述电连接件安装孔中安装电连接头，调理电路的输出线与电连接头相连。

进一步的，所述下球壳内侧具有调理电路安装面。

进一步的，所述输出连接件包括外接凸台和安装于外接凸台一侧的多个连接筋，所述连接筋端部设有用于与空间正交梁连接的连接孔。

本实用新型还提供了一种机器人关节，包括所述的六维力传感器，所述输出连接件与末端执行器固连，下球壳与机器人手臂固连，使用时待测量六维力作用于外接凸台上，经连接筋传递至空间正交梁中的梁支撑体，然后经空间正交梁的梁臂传递至支撑外壳上；在力传递过程中，梁臂发生变形，使应变片组阻值发生变化，进而将变化阻值输送至调理电路，经调理电路处理后由电连接头输出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型弹性体为空间正交梁，其结构对称、测量误差小，在各自由度上精度基本相同；

(2)本实用新型结构紧凑、体积小、重量轻，便于嵌入机器人关节中实现六维力的测量；

(3)本实用新型所采用弹性体为空间正交梁结构，在三坐标空间内无力耦合，仅在力与力矩之间存在简单的线性耦合关系，有利于六维力的高速精确测量，也便于传感器的标定；

(4)本实用新型的导轴与滑套间隙配合，当空间正交梁变形时，导轴能够沿滑套轴向小位移平移，使得力加载至其他几个方向的梁臂上，能够更准确地实现传感器对力、力矩的测量，且能够减小力的耦合。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的弹性体的示意图；

图3为本实用新型的下球壳示意图；

图4为本实用新型的上球壳示意图；

图5为本实用新型的输出连接件示意图；

图6为本实用新型工作方式示意图；

图7为本实用新型中应变片粘贴方式示意图；

其中：1-空间正交梁，2-下球壳，3-上球壳，4-输出连接件，5-滑套，6-连接螺钉，7-紧固螺钉，8-应变片组，9-调理电路，10-电连接头，11-梁臂，12-梁支撑体，13-螺钉孔，14-导轴，15-柔性节，16-应变梁，17-应变片安装面，20-电连接件安装孔，21-紧固连接孔，22-下滑套安装孔，23-下半圆柱孔，24-螺纹连接孔，25-调理电路安装面，30-上半圆柱孔，31-置入孔，32-上滑套安装孔，33-螺钉安装孔，40-连接筋，41-连接孔，42-外接凸台，50、52、53、54、55-应变片组。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在灵敏度低、维间有耦合、体积较大、非线性度大的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种球形空间正交梁式六维力传感器及机器人关节。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图7所示，提供了一种球形空间正交梁式六维力传感器，包括空间正交梁1、上球壳3、下球壳2、输出连接件4 和调理电路9，上球壳3和下球壳2通过紧固螺钉7安装形成支撑外壳，空间正交梁1、调理电路9置于支撑外壳内部；所述输出连接件4穿过上球壳3与空间正交梁1相连。

如图2所示，所述空间正交梁1包括梁支撑体12和六个梁臂11，所述梁支撑体12为空间立体结构，梁支撑体12沿x轴、y轴、z轴方向上均安装两个梁臂11，任意两个梁臂11的中心线正交或共线。

优选地，所述梁支撑体12为球体结构。

所述梁臂11包括连接为一体的应变梁16、柔性节15和导轴14，应变梁16 一端与梁支撑体12相连，应变梁16另一端通过柔性节15与导轴14相连，所述的柔性节15能够使梁臂11的弯曲更容易。

所述导轴14与滑套5间隙配合，当空间正交梁1变形时，导轴14能够沿滑套5轴向小位移平移，使得力加载至其他几个方向的梁臂11上，能够更准确地实现传感器对力、力矩的测量，且能够减小力的耦合。

梁支撑体12上沿x轴、y轴方向安装的相邻梁臂11之间设有用于安装输出连接件4的螺钉孔13。

所述应变梁16侧面设有用于贴附应变片组8的应变片安装面17，每一个应变梁16均具有四个应变片安装面17。

如图5所示，所述输出连接件4包括外接凸台42和多个连接筋40，所述连接筋40固定于外接凸台42内侧(以上球壳3和下球壳2之间为内侧)。

所述连接筋40末端设有与梁支撑体12上螺钉孔13相配合的连接孔41，输出连接件4、梁支撑体12通过在螺钉孔13、连接孔41中插入连接螺钉6相连。

所述连接筋42可以为两个、三个或四个。

如图4所示，所述上球壳3中心开设有上滑套安装孔32，所述上滑套安装孔32周向均匀设置有多个用于输出连接件4的连接筋42穿入的置入孔31。

置入孔31的形状与个数与连接筋42相同。

所述上球壳3周向均匀设有四个上半圆柱孔30，每一上半圆柱孔30一侧设有螺钉安装孔33。

如图3所示，所述下球壳2中心开设有下滑套安装孔22，所述下滑套安装孔22周向设有若干电连接件安装孔20。

所述下球壳2周向均匀设有四个与上半圆柱孔30相配合的下半圆柱孔23，上半圆柱孔30与下半圆柱孔23形成滑套孔；所述上滑套安装孔32、下滑套安装孔22、滑套孔均与滑套5过盈配合。

每一下半圆柱孔22一侧设有螺纹连接孔24。

所述下球壳2内侧具有调理电路安装面25。

所述电连接件安装孔20中安装电连接头10，调理电路9的输出线与电连接头10相连。

所述调理电路9采用现有的电路结构，此处不再赘述。

如图6所示，应变片组51和应变片组50用于测量沿x轴方向的力Fx和沿 z轴旋转的力矩Mz，应变片组52和应变片组53用于测量沿y轴方向的力Fy和沿x轴旋转的力矩Mx，应变片组54和应变片组55用于测量沿z轴方向的力Fy 和沿y轴旋转的力矩My。

下述分别以x方向的力Fx和沿z轴旋转的力矩Mz为例说明梁臂变形以及测力的过程。

当加载Fx力时，沿着x轴方向的两个梁臂11沿着滑套5轴向滑移，此时这两个梁臂11变形程度极小，而贴应变片组51和应变片组50的梁臂11发生形变，应变片产生或同时伸长或同时缩短的变化，阻值变化能够反映x方向的力Fx。

当加载Mz力矩时，也是贴应变片组51和应变片组50的梁臂11发生形变，两侧应变片一边伸长且一边缩短；且当加载Fx力和Mz力矩时，对应变片组52、应变片组53、应变片组54和应变片组55的阻值影响很小。

假设应变片组50和应变片组51表征的力大小分别为F50、F51，当F50＝F51 时，表示仅仅受沿x方向的力Fx；当F50＝-F51，表示仅仅受沿z方向的力矩 Mz；当F50≠F51且F50≠-F51，表示即受沿x方向的力Fx，也受沿z方向的力矩 Mz。

因此，Fx与Mz计算方法可以表示为：

Fx＝F50+F51 (1)

Mx＝F51*r51-F50*r50 (2)

式中，r51、r52为应变片组51和应变片组50处的等效作用力半径。

同理，可以得到y与z方向的力与力矩，六维力可以表示为：

由式(3)中可以看出，各个轴向的力之间无耦合，力与力矩之间有简单的线性耦合，计算较为简单。

本申请的六维力传感器，可以采用六个应变片实现六维力测量，也可以在应变片所粘贴梁臂对面的应变片安装面17上增加六个应变片用于冗余测量六维力 (即每个应变片组包括两个应变片)，如图6所示。

也可以在空间正交梁中每个应变片安装面17均安装应变片用于冗余测量六维力，即每个梁臂上均贴装四个应变片，如图7所示。

本申请的另一种实施方式中，提供了一种机器人关节，包括上述实施方式中的六维力传感器，所述输出连接件与末端执行器固连，下球壳与机器人手臂固连，使用时待测量六维力作用于外接凸台上，经连接筋传递至空间正交梁中的梁支撑体，然后经空间正交梁的梁臂传递至支撑外壳上。

在力传递过程中，梁臂发生变形，使应变片组阻值发生变化，进而将变化阻值输送至调理电路，经调理电路接收采集后由电连接头输出。因应变片组变化的阻值能够反映应变大小，进而能够表征所作用在梁支撑体上的六维力大小。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，包括：

空间正交梁，所述空间正交梁通过滑套置于上球壳与下球壳形成的支撑外壳内部；

输出连接件，所述输出连接件穿过上球壳与空间正交梁相连；

其中，空间正交梁包括梁支撑体和与所述梁支撑体相连的六个梁臂，任意两个梁臂的中心线正交或共线；所述梁臂侧面贴附有用于测量力和力矩的应变片组，应变片组将其变化阻值输送至调理电路；梁臂端部与滑套间隙配合，当空间正交梁变形时，梁臂能够沿滑套轴向小位移平移。

2.根据权利要求1所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述梁臂包括连接为一体的应变梁、柔性节和导轴，所述应变梁具有四个应变片安装面，所述导轴与滑套间隙配合。

3.根据权利要求1所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述上球壳中心开设有与滑套过盈配合的上滑套安装孔，所述上滑套安装孔周向均匀设置有多个用于输出连接件穿入的置入孔。

4.根据权利要求3所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述上球壳周向均匀设有四个上半圆柱孔，每一上半圆柱孔一侧设有螺钉安装孔。

5.根据权利要求1所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述下球壳中心开设有与滑套过盈配合的下滑套安装孔，所述下滑套安装孔周向设有若干电连接件安装孔。

6.根据权利要求5所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述下球壳周向均匀设有四个下半圆柱孔，每一下半圆柱孔一侧设有螺纹连接孔。

7.根据权利要求5所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述电连接件安装孔中安装电连接头，调理电路的输出线与电连接头相连。

8.根据权利要求5所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述下球壳内侧具有调理电路安装面。

9.根据权利要求1所述的一种球形空间正交梁式六维力传感器，其特征在于，所述输出连接件包括外接凸台和安装于外接凸台一侧的多个连接筋，所述连接筋端部设有用于与空间正交梁连接的连接孔。

10.一种机器人关节，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的六维力传感器，所述输出连接件与末端执行器固连，下球壳与机器人手臂固连，使用时待测量六维力作用于外接凸台上，经连接筋传递至空间正交梁中的梁支撑体，然后经空间正交梁的梁臂传递至支撑外壳上；在力传递过程中，梁臂发生变形，使应变片组阻值发生变化，进而将变化阻值输送至调理电路，经调理电路处理后由电连接头输出。