CN209802561U - 一种机器人腕力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人腕力传感器，包括适配环、工具端连接法兰、应变感知主体、应变敏感元件、嵌入式电路、工具端连接法兰与适配环配合，工具端连接法兰与应变感知主体相连接，应变感知主体用于在多轴力作用下产生微量变形，应变敏感元件组成电桥后用于将微量变形转换为微伏级电压信号，应变感知主体内置嵌入式电路板，嵌入式电路板用于采集微伏级电压信号并作A/D转换和解耦计算，并通过通信模块输出测量结果的数字信号，本实用新型通过合理的解耦结构、简明清晰的标定方法、嵌入式采集及解耦算法，直接将空间直角坐标系下沿坐标轴的三方向力和三方向力矩的测量结果以数字量形式输出，显著提高了测量精准。

Description

一种机器人腕力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器技术领域，具体涉及一种机器人腕力传感器。

背景技术

工业机器人（含协作机器人）因其不仅可完成危险环境下的操作，还可减轻人体劳作而备受欢迎，尤其是伴随着制造业人力资本的上升及品质要求的提高，工业机器人正在逐步取代人力，成为生产中重要的自动化装备。此外，国家出台的一系列支持工业机器人发展的产业政策，以及我国制造业朝着集约化、智能化的方向升级，均将支撑我国工业机器人产业规模持续快速扩大。目前，工业机器人在汽车制造、电子电气、橡胶及塑料、家用电器、食品、化工等行业发挥着突出作用。伴随人工智能技术的发展，其应用领域终将更加广泛。随着科技的不断进步，工业机器人的发展过程可分为三代。第—代为示教再现型机器人，它主要由机械臂控制器和示教盒组成，可按预先引导动作记录下信息继而重复再现执行，当前工业中应用最多，例如搬运和转序。第二代为感觉型机器人，有力觉和视觉，它具有对外界信息进行反馈调整的能力，目前刚进入应用阶段。第三代为智能型机器人，它具有感知和理解外部环境的能力，在工作环境改变的情况下，也能够成功地完成任务，它尚处于实验研究阶段，力觉系统和视觉系统是机器人感知外界环境、提供反馈信息的重要方式，是第二代、第三代机器人研究和应用的基本构成要素。本实用新型所述腕力传感器便是针对第二代及以后的机器人。采用腕力传感器可以使机器人实现精密装配、力控打磨及高质量焊接等功能。申请公布号为CN107167267A的专利描述了一个多轴力测量的设备。该设备可以通过一种结构配合动态标校方法，使其实用新型有了多轴力测量功能，但上述专利存在部分缺点，内、外圈相对弹性柱的结构刚性偏弱，应变计布局不合理，传感器标定方法不简介直观，其中引入其它误差因素较多，因此传感器整体性能较差；以上专利中所述的标定方法中无法实现多轴联合加载，无法对传感器同时受多轴载荷时的精度（重复性误差）和准度（准确性误差）进行评估。

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型提供一种机器人腕力传感器，包括应变感知主体，所述应变感知主体包括T形应变梁、刚性边界环和刚性边界块，所述T形应变梁一端与刚性边界环相连，另一端与刚性边界块相连，所述T形应变梁上设有应变敏感元件，所述应变感知主体还内置嵌入式电路。

较佳的，所述T形应变梁为三个，三个T形应变梁连接刚性边界环和刚性边界块，每个T形应变梁靠近刚性边界块的部位的四个表面上都粘贴有应变敏感元件，所述应变敏感元件组成六组惠斯通电桥，所述刚性边界环和刚性边界块的刚性高于T形应变梁。

较佳的，所述刚性边界环和刚性边界块的厚度大于T形应变梁的厚度。

较佳的，所述T形应变梁与刚性边界环之间设有条形空腔。

较佳的，所述T形应变梁、刚性边界环和刚性边界块一体加工成型。

较佳的，还包括适配环、工具端连接法兰，所述工具端连接法兰中间设有中心深孔，所述中心深孔与适配环配合，所述工具端连接法兰一端与应变感知主体连接。

较佳的，所述刚性边界块通过螺钉与工具端连接法兰连接.

较佳的，所述刚性边界环上均布有内埋螺钉孔，内埋螺钉孔内设有内埋螺钉，所述工具端连接法兰上设有内埋螺钉操作孔，所述内埋螺钉操作孔上还配有防尘堵头，所述刚性边界环和工具端连接法兰之间还设有防尘圈，所述内埋螺钉操作孔孔径小于内埋螺钉头直径。

较佳的，所述刚性边界块一面上设有防私拆螺钉沉头孔，另一面上设有中心定位孔、第二定位销和第二螺纹孔。

较佳的，所述应变感知主体的圆柱外表面上设有开孔，开孔固定机器人工具I/O接头。

较佳的，所述应变感知主体的底部还设有盖板，所述盖板上设有出线孔，所述机器人工具I/O接头的导线通过出线孔接入机器人内部线缆。

一种机器人腕力传感器的标校方法，其特征在于：包括以下步骤;

S1、进行六轴联合加载，选取若干组三方向力和三方向力矩的任意比例组合进行加载；

S2、获取传感器输出的电压值；

S3、根据加载的三方向力和三方向力矩以及电压值，计算求得系数矩阵和函数矩阵。

较佳的，所述步骤S1中六轴联合加载的方法为将传感器的一端固定在基座上，基座与地面固连，传感器的另一端与加载头固连，并通过砝码或力发生器对加载头（31）施加多个点载荷。

较佳的，所述加载头为长方体。

较佳的，所述点荷载为10个，第一个载荷作用点位于加载头上表面中心点，第二、第三、第四、第五个载荷作用点位于加载头的下表面上，第六、第七个载荷作用点的位于加载头左侧面的两端，第八个载荷作用点位于加载头右侧面中心点，第九、第十个载荷作用点分别位于加载头前表面和后表面的中心点，各载荷作用点的加载力线均与各载荷作用点所在的表面垂直且朝外。

较佳的，所述步骤S3中的计算方法为；

………

其中F1、F2、、Fm表示加载的若干组三方向力和三方向力矩的数值中的某一方向力或者力矩在加载的第一组、第二组至最后一组中的的数值，表示加载第一组三方向力和三方向力矩时输出的六组电压值，表示加载第二组三方向力和三方向力矩时输出的电压值，往后依次类推，和表示F1、F2、、Fm对应的方向力或者方向力矩的系数和函数。

较佳的，所述步骤S2中的传感器输出的信号为传感器内部应变敏感元件组成的6组惠斯通电桥输出的微伏级电压信号。

一种机器人腕力传感器的检验方法，其特征在于：包括步骤；

M1、获取若干组电压信号；按照六轴联合加载方法依次施加若干组的三方向力和三方向力矩任意组合，获取若干组对应的电压信号值；

M2、计算若干组电压信号对应的三方向力和三方向力矩的实时测算输出结果；

M3、获取三方向力和三方向力矩的测量准度；将各组加载的三方向力和三方向力矩的数值分别与对应的三方向力和三方向力矩的测量数值做标准差，再除以传感器在三方向力和三方向力矩上的测量量程，即得到各方向力和各方向力矩的测量准度；

M4、获取三方向力和三方向力矩的测量精度；任选若干组其中一组三方向力和三方力矩组合重复加载若干次，获得对应的若干组电压信号，计算若干组电压信号对应的三方向力和三方向力矩测算值，将三方向力和三方向力矩测算值分别与对应的实际加载的三方向力和三方向力矩的数值做标准差，再除以传感器在对应的三方向力和三方向力矩的测量量程，即得到各方向力和各方向力矩的测量精度。

较佳的，所述三方向力和三方向力矩测算的方法为：

Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz分别表示沿空间直角坐标系X、Y、Z上的三方向力和三方向力矩，表示同时加载Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz后传感器输出的六组电压值，分别表示X方向力上的系数和函数，分别表示Y方向力上的系数和函数，后续依次类推。

本实用新型的可以带来的有益效果有：

1.本实用新型传感器实时输出三分量力和三分量力矩的数字信号，避免了电磁环境对微弱电压信号的干扰。

2.传感器工具端连接法兰采用了国际标准接口尺寸，使得与机器人末端工具的对接简化，不用额外转接工装，减轻机器人负载。

3.本实用新型中的传感器输出的电压值准确度高。

4.传感器集成了机器人末端工具I/O接头，传感器线缆在内部接入机器人，避免了传感器外部线缆容易在机器人频繁拖动过程中被损坏折断的问题。

5.实现了传感器的六轴联合加载，即能够同时加载三方向力和三方向力矩，六轴载荷可按任意比例加载。

6.由于联合加载使标校样本空间优化，提高了传感器的测量精、准度。

7.实现对机器人腕力传感器在多方向承载受力情况下的性能检测。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型整体侧视图；

图2为本实用新型主视图；

图3为图2中A-A剖面结构图；

图4为本实用新型俯视结构图；

图5为图4中B-B剖面图；

图6为工具端连接法兰及适配环结构图；

图7为工具端连接法兰及适配环分解图；

图8为应变感知主体正面结构图；

图9为应变感知主体背面结构图；

图10为应变敏感元件粘贴分布位置图；

图11为电桥组建方式图；

图12为六轴联合加载方式载荷作用点和方向图；

图13为六轴联合加载方式另一种载荷作用点和方向图；

图14为图12六轴联合加载方式记录表格图；

图15为图13六轴联合加载方式记录表格图。

图中1.工具端连接法兰；2.适配环；3.应变感知主体；4. T形应变梁；5. 刚性边界环； 6. 刚性边界块；7.应变敏感元件；8.嵌入式电路；9.中心深孔；10.内埋螺钉孔；11.内埋螺钉；12.防尘堵头；13.防尘圈；14.防私拆螺钉沉头孔；15.中心定位孔；16.第一定位销孔；17.第二定位销孔；18.第一螺纹孔；19.第二螺纹孔；20.沉孔；21.开孔；22.机器人工具I/O接头；23. 盖板；24.出线孔；25.防私拆螺钉；26.定位销;27.连接螺钉；28.内埋螺钉操作孔；29.基座；30.加载力线；31.加载头；32.条形空腔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1-10所示，一种机器人腕力传感器，包括适配环2、工具端连接法兰1、应变感知主体3、应变敏感元件7、嵌入式电路8、盖板23、机器人工具I/O接头22，适配环2和工具端连接法兰1用于连接机器人末端工具，工具端连接法兰1为带中心深孔9的双层同心圆台结构，其中心深孔9与适配环2配合，中心深孔9的底部分布一圈沉孔20，用于放置与应变感知主体3刚性边界块6连接螺钉27的螺钉头，小圆台上设有第一定位销孔16和四个第一螺纹孔18，第一螺纹孔18用于工具端连接法兰和机器人末端工具的连接，大圆台上开有内埋螺钉操作孔28，用于传感器与机器人末端关节对接时的拧紧操作，不操作内埋螺钉11时，此孔由防尘堵头12密封，防尘堵头12紧固在内埋螺钉操作孔28内，防止灰尘、液体及杂物进入传感器内部，应变感知主体3为三个T形应变梁4连接刚性边界环5和刚性边界块6的结构形式，整体加工成型。刚性边界环5和刚性边界块6的刚性明显高于T形应变梁4，以确保在传感器受力时，变形仅发生在T形应变梁4上，刚性边界环5和刚性边界块6基本无变形，刚性边界环5厚度明显大于T形应变梁4厚度，其作用一是形成放置嵌入式电路8板的空间，作用二是形成放置内埋螺钉11的空间，作用三是增加其刚性以提高传感器受力时的稳定性，刚性边界块6的厚度大于T形应变梁4的厚度，T形应变梁4与刚性边界块6交界处产生台阶，以此确保T形应变梁4上应变分布的稳定性，T形应变梁4与刚性边界环5之间设有条形空腔32，条形空腔32设置在T形应变梁4和之间避免了T形应变梁4和刚性边界环5直接接触，有利于T形应变梁4发生形变，同时T形应变梁、刚性边界环5和刚性边界块6一体加工成型，可以极大的提升T形应变梁4形变时的稳定性，从而提高测量精度，刚性边界环5上均布3对内埋螺钉孔10，与大圆台上的内埋螺钉操作孔28相对应，在传感器组装工具端连接法兰1前，将螺钉内置其中，工具端连接法兰1上的内埋螺钉操作孔28孔径小于内埋螺钉11头直径，防止传感器组装过程中内埋螺钉11掉出，传感器通过内埋螺钉11与机器人末端关节连接，刚性边界块6一面上有防私拆螺钉沉头孔14，用于放置防私拆连接螺钉27，防止传感器被恶意私拆，防止传感器的应变敏感元件7、线路和电路脱离防护；另一面上有中心定位孔15和一个第二定位销孔17，第二定位销孔17和工具端连接法兰1上第一定位销孔16相对应，内部放置定位销26，分别用于工具端连接法兰1组装时的同心定位和周向定位，刚性边界块6有一圈第二螺纹孔19，用于配合工具端连接法兰1上的沉孔20将工具端连接法兰1和刚性边界块6通过连接螺钉27连接，在工具端连接法兰1和应变感知主体3之间还设有防尘圈13，用于防止灰层、液体及杂物进入传感器，在T形应变梁4靠近刚性边界块6的部位的四个表面上都粘贴有敏感元件，敏感元件之间通过导线连接成惠斯通电桥，每个T型梁相对面上的应变敏感单元组成一个惠斯通电桥，一共组成6组电桥，其输量为微伏级电压信号，上述电模拟压信号由位于传感器内部的嵌入式电路8进行实时的调理、A/D转换、采集及计算处理，获得3方向力和3方向力矩后通过通信模块输出实时计算结果，在传感器的圆柱面上开孔21，用于放置机器人工具I/O接头22，机器人工具I/0接头用于将机器人末端工具线缆接入机器人的通信、控制电路，在应变感知主体3的底部还设有盖板23，用于密封传感器的一端，保护传感器内部的应变敏感元件7、电路及线路，起到一定的电磁隔离作用，传感器的电源和信号线及机器人工具I/O接头22的线缆从传感器一端的盖板23上的孔直接接入机器人内部电路，本实施例中传感器实时输出三分量力和三分量力矩的数字信号，避免了电磁环境对微弱电压信号的干扰，传感器工具端连接法兰1采用了国际标准接口尺寸，与机器人末端关节的对接简化，不用额外转接工装，减轻机器人负载，具备机器人末端工具I/O接头，传感器线缆在内部接入机器人，避免了传感器外部线缆容易在机器人频繁拖动过程中被损坏折断的问题。

实施例2

一种机器人腕力传感器标校方法，包括以下步骤；

S1、选取M组三方向力和三方向力矩的任意比例组合进行六轴联合加载；将需要被标校的传感器的一端固定在基座29上，基座29与地面固连，可视为刚性无限大，传感器的另一端与加载头31固连。加载头31为长方体，在加载头31中心点上方建立空间直角坐标系X、Y、Z，Z轴正方向沿坐标系原点朝下，三方向力为沿坐标系X、Y、Z轴线方向上的三方向力，往后均简称为三方向力，三方向力矩为沿坐标系X、Y、Z轴三个方向的力矩，往后均简称为三方向力矩，通过砝码或力发生器对加载头31施加10个点载荷，如图12或者13所示，施加荷载load0至load9，load0载荷作用点位于加载头上表面中心点，load1、load2、load3、load4载荷作用点位于加载头31的下表面，load1~load4四个加载点既可以如图12所示那样设置在加载头下表面四角上，也可以如图13所示那样四个加载点设置在下表面四边的中心点上，load6和load7载荷作用点的位于加载头31左侧面的两端，load9载荷作用点位于加载头31右侧面，load5和load8载荷作用点分别位于加载头31的前表面和后表面的中心点，每个载荷作用点的加载力线30均垂直于各载荷作用点所在的表面并朝外，用Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz分别表示三方向力和三方向力矩，当对M组中的某一组三方向力和三方向力矩进行加载时，只需计算每个加载点上应当加载的力值大小，最后将每个加载点加载力计算求和，根据每个加载点载荷总值的大小对每个加载点进行加载，即可实现Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的同时加载，如图14或15所示，图中F表示目标力的绝对值，M为目标力矩的绝对值，L为载荷作用点之间的距离力臂，以图12加载方式为例，同时参照图14，如果想要加载的Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的数值为（F、-F、0、0、0、0），那么仅仅在load8和load9上加载F即可，如果想要实现加载的Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的数值为（F、-F、0、0、0、M）即同时加载Fx、Fy、MZ，那么除了load8和load9上需要加载F外，还需要在load7和 load9上加载一个力矩力即M/L，最后计算每个加载点的载荷总和，如load7上需要加载的总载荷为M/L，load8需要加载的总载荷为F，load9上需要加载的总载荷为F+M/L，对load7、load8、load9三个载荷作用点按上述总荷载同时加载相对应的力，即可实现Fx、Fy、MZ的同时加载，同理，想要实现Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的同时加载，只需按照图14所示，根据Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz所需加载的数值，计算对应的载荷作用点应加载的载荷数值，最后对每个载荷用作用点所需加载的载荷进行求和也就是将对图14中得列表按列求和，对每个载荷作用点加载求和计算出来的载荷，即可实现Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的同时加载；

S2、获取传感器输出的电压大小；传感器输出的信号为传感器内部应变敏感元件组成的6组惠斯通电桥输出的微伏级电压信号，通过加载m组Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz，获得各组对应的六组电压信号；

S3、根据加载的三方向力和三方向力矩以及电压值，计算求得系数矩阵和函数矩阵；具体计算方式为

………

Fx1、Fx2、…、Fxm表示标校过程中对传感器施加的m个Fx；以b1i、b2i、…、b6i（i=1~m）表示标校过程中对传感器施加的第i个Fx时的输出信号；并求得及，即和及为X方向力即Fx上的系数和函数，同理可以测出Fy、Fz、Mx、My、Mz对应的各自的系数和函数，即、、、及、、、，，由此组成函数矩阵，通过标校方法求出的系数矩阵和函数矩阵可以配合传感器输出的对应的电压值测出三方向力和三方向力矩的实时输出计算结果，本实施例的优点在于：标校时对加载头进行三方向力和三方向力矩的同时加载，相比单个方向力和力矩的单独加载，标校结果更加准确。

实施例3

一种机器人腕力传感器的检验方法，包括步骤；

M1、获取r组电压信号；依次施加r组的三方向力和三方向力矩任意组合，获取r组的电压信号值；

M2、计算r组电压信号对应的三方向力和三方向力矩的实时测算输出结果，计算方法为：

Fx、Fy、Fz、Mx、My及Mz分别代表三方向力和三方向力矩的测算输出结果，表示同时加载Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz后输出的电压值，分别表示X方向力上的系数和函数，分别表示Y方向力上的系数和函数，后续依次类推；

M3、获取三方向力和三方向力矩的测量准度；将各组加载的实际三方向力和三方向力矩的数值分别与三方向力和三方向力矩的测量数值做标准差，再除以传感器在各方向力和各方向力矩上的测量量程，即得到各方向力和各方向力矩的测量准度；以X方向力为例，将r组对应的x方向力测算结果与实际加载的X方向力做标准差，再除以传感器在X方向力的测量量程，即得到Fx的测量准度，同理可求出其余方向力和方向力矩的测量准度，

M4、获取三方向力和三方向力矩的测量精度；任选r组其中一组三方向力和三方力矩组合重复加载k次，获得K组的电压信号，将K对应的实际三方向力和三方向力矩的数值分别与经过测算出来的对应的三方向力和三方向力矩的数值做标准差，再除以传感器在对应的各方向力和各方向力矩的测量量程，即得到各方向力和各方向力矩的测量精度。本实施例以X方向力为例，将k组对应的X方向测算出来的力与实际加载的力做标准差，再除以传感器在X方向力的测量量程，即得到Fx的测量精度度。同理可获得Fy、Fz、Mx、My及Mz的测量精度。

对本实用新型传感器进行检验加载的目的在于给出传感器的精度（衡量测量结果的重复性）和准度（衡量测量结果与真值的偏差大小），本实用新型传感器用于三方向力和三方向力矩的同时测量，因此，传感器精度和准度的检测必须在六轴联合加载的条件下进行，同时检测方法中加载的三方向力和三方向力矩的组合不能与标校时用到的组合相同，以避免检测不准确的情况。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种机器人腕力传感器，其特征在于：包括应变感知主体（3），所述应变感知主体（3）包括T形应变梁（4）、刚性边界环（5）和刚性边界块（6），所述T形应变梁（4）一端与刚性边界环（5）相连，另一端与刚性边界块（6）相连，所述T形应变梁（4）上设有应变敏感元件（7），所述应变感知主体（3）还内置嵌入式电路（8）。

2.根据权利要求1所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述T形应变梁（4）为三个，三个T形应变梁（4）连接刚性边界环（5）和刚性边界块（6），每个T形应变梁（4）靠近刚性边界块（6）的部位的四个表面上都粘贴有应变敏感元件（7），所述应变敏感元件（7）组成六组惠斯通电桥，所述刚性边界环（5）和刚性边界块（6）的刚性高于T形应变梁（4）。

3.根据权利要求1所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述刚性边界环（5）和刚性边界块（6）的厚度大于T形应变梁（4）的厚度。

4.根据权利要求2或3所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述T形应变梁（4）与刚性边界环之间设有条形空腔（32）。

5.根据权利要求4所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述T形应变梁（4）、刚性边界环（5）和刚性边界块（6）一体加工成型。

6.根据权利要求1所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：还包括适配环（2）、工具端连接法兰（1），所述工具端连接法兰（1）中间设有中心深孔（9），所述中心深孔（9）与适配环（2）配合，所述工具端连接法兰（1）一端与应变感知主体（3）连接。

7.根据权利要求6所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述刚性边界块（6）通过螺钉与工具端连接法兰（1）连接。

8.根据权利要求7所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述刚性边界环（5）上均布有内埋螺钉孔（10），内埋螺钉孔（10）内设有内埋螺钉（11），所述工具端连接法兰（1）上设有内埋螺钉操作孔（28），所述内埋螺钉操作孔（28）上还配有防尘堵头（12），所述刚性边界环（5）和工具端连接法兰（1）之间还设有防尘圈（13），所述内埋螺钉操作孔（28）孔径小于内埋螺钉（11）头直径。

9.根据权利要求1所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述刚性边界块（6）一面上设有防私拆螺钉沉头孔（14），另一面上设有中心定位孔（15）、第二定位销（26）和第二螺纹孔（19）。

10.根据权利要求1所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述应变感知主体（3）的圆柱外表面上设有开孔（21），开孔（21）固定机器人工具I/O接头（22）。

11.根据权利要求10所述的一种机器人腕力传感器，其特征在于：所述应变感知主体（3）的底部还设有盖板（23），所述盖板（23）上设有出线孔（24），所述机器人工具I/O接头（22）的导线通过出线孔（24）接入机器人内部线缆。