DD218458A1

DD218458A1 - POWER-TORQUE-PROBE

Info

Publication number: DD218458A1
Application number: DD25367983A
Authority: DD
Inventors: Torsten Thieme
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1983-08-04
Filing date: 1983-08-04
Publication date: 1985-02-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Fuehler zur Messung von Kraeften und Momenten in drei zueinander senkrechten Richtungen. Das Ziel der Erfindung ist ein geeignet gestalteter Verformungskoerper, auf dem Dehnungsmessstreifenbruecken angebracht sind, der sich in einfacher Weise durch Drehen und Bohren herstellen laesst. Der Kraft-Momenten-Fuehler besteht aus zwei Anschlusszylindern, Stegen und Federelementen. Durch Dehnungsmessstreifenbruecken koennen ueber die Verformung der Stege und Federelemente angreifende Kraefte und Momente in drei senkrecht zueinander stehenden Richtungen gemessen werden. Die Erfindung kann auf dem Gebiet der Robotertechnik angewendet werden. Fig. 1The invention relates to a force-moment sensor for measuring forces and moments in three mutually perpendicular directions. The object of the invention is a suitably designed deformation body, are mounted on the strain gage bridges, which can be easily produced by turning and drilling. The force-moment sensor consists of two connecting cylinders, webs and spring elements. Strain gage bridges can be used to measure forces and moments acting on the deformation of the webs and spring elements in three mutually perpendicular directions. The invention can be applied in the field of robotics. Fig. 1

Description

-1- 253 679 6-1- 253 679 6

Kraft-Momenten-Fühler ' , - · Force-torque sensor ', - ·

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Kraft-Momenten-Fühler, der zur Messung von darauf ausgeübten Kräften und Momenten in drei zueinander senkrechten Richtungen, beispielsweise zur Messung von Kräften und Momenten, die an der Greifhand eines Robotersangreifen, eingesetzt werden kann.The invention relates to a force-moment sensor, which can be used for measuring forces and moments exerted on it in three mutually perpendicular directions, for example for measuring forces and moments that can be applied to the gripping hand of a robotic attacking tire.

Characteristic of the known technical solutions

Die bekannten Kraft-Momenten-Fühler, die Kräfte und Momente in drei zueinander senkrechten Richtungen messen können, benutzen meist kompliziert gestaltete Federsysteme. Nach DE-OS 2727704 ist ein Kraft-Momenten-Fühler, bestehend aus einer Grundplatte, einer Aufnehmerplatte und einem Zwischenstück, die mit verformbaren Speichen miteinander verbunden sind, bekannt.The known force-moment feelers, which can measure forces and moments in three mutually perpendicular directions, usually use complicated spring systems. According to DE-OS 2727704 a force-moment sensor, consisting of a base plate, a pick-up plate and an intermediate piece, which are connected to each other with deformable spokes known.

Dieser Kraft-Momenten-Fühler hat den unerwünschten Mangel, daß er in der Herstellung kompliziert und schwierig ist, daß er aus mehreren Teilen durch Hartlöten, Kleben und ähnliche Verfahren zusammengesetzt ist und somit verhältnismäßig teuerThis force-moment feeler has the undesirable drawback that it is complicated to manufacture and difficult to be composed of several parts by brazing, gluing and the like, and thus relatively expensive

Bei einem bekannten Kraft-Momenten-Fühler des Massassuchetts Institut of Technology ist eine Aufnehmerplatte an vier Balken aufgehängt. Jeder Balken enthält je zwei Dehnungsmeßstreifenmeßbrücken, welche die Verkrümmung in zwei zueinander senkrechten Richtungen messen, und ist am Ende mit einer Kugel abgeschlossen. Die Kugeln gleiten in vier Hülsen, in denen sie sich in Richtung der Balkenlängsachse bewegen können. Eine Normalkraft bewirkt dabei die Durchbiegung der vier Balken, die von den Dehnungsmeßstreifen erfaßt und von einem Rechner ausgewertet wird. Eine senkrecht zur Normalkraft wirkende Tangentialkraft bewirkt eine Durchbiegung von nur zwei Balken, während die restlichen beiden Balken sich verschieben können und nicht beansprucht werden.In a known force-moment probe of the Massassuchett Institute of Technology, a pick-up plate is suspended on four beams. Each bar contains two strain gauge measuring bridges which measure the curvature in two mutually perpendicular directions and is terminated with a ball at the end. The balls slide in four sleeves, in which they can move in the direction of the beam longitudinal axis. A normal force causes the deflection of the four beams, which is detected by the strain gauges and evaluated by a computer. A tangential force acting perpendicular to the normal force causes a deflection of only two beams, while the remaining two beams can shift and are not stressed.

Wenn nun aber Tangential' und Vertikalkräfte gleichzeitig auftreten, wird die Normalkraft die Kugeln gegen die Hülse pressen und damit eine Haftreibung erzeugen, die einen Teil der äußeren Tangentialkräfte kompensiert, der für die Messung verloren ist. Reibungskräfte, welche die Messung verfälschen, treten auch auf, wenn die Vorrichtung verformt worden ist, was scbon bei kurzzeitiger Überlastung auftreten kann, so daß die vier Kugeln samt ihrer Hülsen nicht mehr streng in einer Ebene liegen.However, if tangential and vertical forces occur simultaneously, the normal force will force the balls against the sleeve, creating a static friction that will compensate for some of the external tangential forces lost to the measurement. Frictional forces, which distort the measurement, also occur when the device has been deformed, which can occur with short-term overload, so that the four balls, together with their sleeves, are no longer strictly in-plane.

Den bekannten Kraft-Momenten-Fühlern mangelt es in typischer Weise an einer leichten Herstellung und einem leichten Zusammenbau oder an Genauigkeit, was zur Herstellung eines preiswerten, jedoch genauen Kraft-Momenten-Füh|ers erforderlich ist.Known force-torque probes typically lack ease of manufacture and ease of assembly or accuracy, which is required to produce a low-cost but accurate force-moment contactor.

Object of the invention

Die erfindungsgemäße Lösung ist ein Kraft-Momenten-Fühler mit gleichmäßigen Belastungscharakteristiken, der Kräfte und Momente in drei zueinander senkrechten Richtungen messen kann, bei welchem minimale die Messung verfälschende Komponenten auftreten, der aus einem Stück unkompliziert herstellbar ist.The solution according to the invention is a force-moment sensor with uniform load characteristics, which can measure forces and moments in three mutually perpendicular directions, in which minimal components falsifying the measurement occur, which can be produced in one piece in an uncomplicated manner.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kräfte und Momente in drei zueinander senkrechten Richtungen zu messen.The invention has for its object to measure forces and moments in three mutually perpendicular directions.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in folgender Weise gelöst: According to the invention the problem is solved in the following way:

Der Kraft-Momenten-Fühler ist aus einem Vollzylinder gefertigt. Nach dem Ausdrehen des oberen und unteren Aufnahmezylinders werden von oben auf einem bestimmten Radius vier kreisförmige Aussparungen um neunzig Grad versetzt so angebracht, daß eine bestimmte Stegbreite zwischen den kreisförmigen Aussparungen stehen bleibt.The force-moment sensor is made of a solid cylinder. After unscrewing the upper and lower receiving cylinder four circular recesses are offset from the top of a certain radius offset by ninety degrees so that a certain web width between the circular recesses remains.

Genau in der Zylinderachse ist eine fünfte kreisförmige Aussparung angebracht, die sich mit den anderen kreisförmigen Aussparungen überschneidet. Alle fünf kreisförmigen Aussparungen reichen nur etwa zu zwei Drittel in den Zylinder hinein.Exactly in the cylinder axis a fifth circular recess is fitted, which intersects with the other circular recesses. All five circular recesses only reach about two-thirds into the cylinder.

Nachdem das Teil von außen formgedreht wurde, entstehen aus dieser Anordnung Stege, die parallel zur Symmetrieachse ζ in gleichen Abständen angeordnet sind und deren Oberflächen sämtlich kreisförmig gestaltet sind.After the part has been turned from the outside, this arrangement produces webs which are arranged at equal intervals parallel to the axis of symmetry und and whose surfaces are all designed to be circular.

Es können auch mehr oder weniger als vier kreisförmige Aussparungen auf einem bestimmten Radius angebracht werden, so daß sich die Anzahl der Stege erhöht bzw. verringert.It can also be more or less than four circular recesses are mounted on a certain radius, so that the number of webs increases or decreases.

An den Stegen, die sich unter Lasteinwirkung deformieren, sind in bekannter Weise Dehnungsmeßstreifen angebracht und zu Brücken verschaltet. Damit können Momente um die z-Achse durch gleichsinniges Ansprechen aller Stege und Kräfte in x- und y-Richtung durch paarweise entgegengesetztes Ansprechen der Stege gemessen werden.On the webs that deform under load, strain gauges are mounted in a known manner and interconnected to bridges. Thus, moments about the z-axis can be measured by the same direction response of all ridges and forces in the x and y direction by pairwise opposite response of the webs.

An diese Anordnung schließt sich eine Bezugsplattform mit einem Sockel aus Vollmaterial an. Durch Anbringung von vier kreisförmigen Aussparungen auf einem bestimmten Radius in eine Tiefe von etwa einem Viertel des Zylinders von der Unterseite des Zylinders her entstehen nach dem Formdrehen vier Federelemente, die senkrecht zur Symmetrieachse ζ angeordnet sind, die durch den Drehvorgang an ihrer schmälsten Stelle noch eine Stufe in z-Richtung erhalten. Auf diesen Federelementen sind in bekannter Weise Dehnungsmeßstreifen angebracht. Durch gleichsinniges Ansprechen der Federelemente können Kräfte in z-Richtung und durch paarweise entgegengesetztes Ansprechen der Federelemente Momente um die x- und y-Achse gemessen werden. Die Form der Federelemente gewährleisten, daß die Biegespannung über größere Bereiche der Oberfläche der Federelemente relativ konstant ist.This assembly is followed by a reference platform with a base made of solid material. By mounting four circular recesses on a certain radius to a depth of about one quarter of the cylinder from the bottom of the cylinder forth four shape spring elements, which are arranged perpendicular to the axis of symmetry,, the rotation by the narrowest point at its still create a Obtained step in z-direction. On these spring elements strain gauges are mounted in a known manner. By the same direction response of the spring elements can be measured in the z-direction and by pairwise opposite response of the spring elements moments about the x- and y-axis. Ensuring the shape of the spring elements ensures that the bending stress is relatively constant over larger areas of the surface of the spring elements.

Die Stufe an der schmälsten Stelle der Federelemente gewährleistet eine größere Empfindlichkeit für Momente um die x- und y-Achse und für Kräfte in z-Richtung, ohne dabei das Widerstandsmoment der Federelemente gegenüber Momenten um die z-Achse und Kräften in x- und y-Richtung zu vermindern. An den Aufnahmezylindem können Innen- oder Außengewinde angebracht werden, so daß ein problemloses Anbringen des Kraft-Momenten-Fühlers an spezielle Vorrichtungen gewährleistetThe step at the narrowest point of the spring elements ensures greater sensitivity to moments about the x and y axis and for forces in the z direction, without losing the moment of resistance of the spring elements against moments about the z axis and forces in x and y Direction. On the receiving cylinder internal or external thread can be attached, so that ensures a trouble attaching the force-moment sensor to special devices

embodiment

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:In the accompanying drawings show:

Fig. 1: Gesamtaufbau des Kraft-Momenten-Fühler,1: overall structure of the force-moment feeler,

Fig.2: Schnitt durch den unteren Teil des Kraft-Momenten-Fühlers und2: section through the lower part of the force-moment feeler and

Fig. 3: Kraft-Momenten-Fühler, angebracht zwischen Arm und Greifer.Fig. 3: force-moment sensor, mounted between arm and gripper.

-2- 253 679-2- 253 679

Der Kraft-Momenten-Fühler 11 kann entsprechend Fig.3 mittels des Aufnahmezylinders 9 am Arm 10 und mittels des Aufnahmezylinders 2 am Greifer 12 angebracht werden. Eine derartige Vorrichtung kann z. B. bei Manipulatoren eingesetzt werden, die zur Erfüllung ihrer komplexen Aufgaben (z.B. Montage oder Qualitätskontrolle) einen Informationsaustausch mit der Umwelt benötigen. ·The force-moment feeler 11 can be mounted on the arm 10 and according to Figure 3 by means of the receiving cylinder 9 and by means of the receiving cylinder 2 on the gripper 12. Such a device may, for. They can be used, for example, in manipulators which require an exchange of information with the environment in order to carry out their complex tasks (for example assembly or quality control). ·

Entsprechend Fig. 1 sind vier Stege 1, deren Querschnitte senkrecht zur z-Achse durch Kreisbögen begrenzt sind, fest mit dem Aufnahmezylinder 2 verbunden. Auf ihnen sind in bekannter Weise diametral gegenüberliegend Dehnungsmeßstreifen 4 angebracht. Wirkt entsprechend Fig. 3 ein Drehmoment um die z-Achse, wird das Drehmoment durch gleichsinniges Ansprechen der Stege 1 durch eine Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen 4 gemessen. Wirken entsprechend Fig.3 Kräfte in x- bzw. y-Richtung, so können diese durch ein paarweises entgegengesetztes Ansprechen der Stege 1 durch eine Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen 4 gemessen werden.According to Fig. 1, four webs 1, whose cross-sections are bounded perpendicularly to the z-axis by circular arcs, fixedly connected to the receiving cylinder 2. On them diametrically opposite strain gauges 4 are mounted in a known manner. Acts according to Fig. 3, a torque about the z-axis, the torque is measured by the same direction response of the webs 1 by a change in resistance of the strain gauges 4. Act according to Figure 3 forces in the x and y direction, they can be measured by a pairwise opposite response of the webs 1 by a change in resistance of the strain gauges 4.

Entsprechend Fig. 1 sind die Stege 1 an ihrem unteren Ende fest mit der Bezugsplattform 3 und dem Sockel 5 verbunden. Am , Sockel 5 sind senkrecht zur Symmetrieachse ζ Federelemente 6 fest angeordnet.According to Fig. 1, the webs 1 at its lower end fixed to the reference platform 3 and the base 5 are connected. On, base 5 are arranged perpendicular to the axis of symmetry ζ spring elements 6 fixed.

Wirken.entsprechend Fig.3 Momente um die x- bzw. y-Achse, so können diese durch paarweise entgegengesetztes Ansprechen der Federelemente 6 durch eine Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen 8 gemessen werden. Wirkt entsprechend Fig.2 eine Kraft inz-Richtung, so kann diese durch ein gleichsinniges Ansprechen der Federelemente 6 durch eine Widerstandsänderung der Dehnungsmeßstreifen 8 gemessen werden.If, according to FIG. 3, moments occur about the x or y axis, they can be measured by a pairwise opposite response of the spring elements 6 by a change in the resistance of the strain gauges 8. If a force inz direction acts according to FIG. 2, this can be measured by a response of the spring elements 6 in the same direction by a resistance change of the strain gauges 8.

Claims

Invention claim:

Force-moment feeler for measuring forces and moments, consisting of connecting parts, spring elements and strain gauges, characterized in that preferably 4 webs (1) whose cross-sections are bounded perpendicularly to the z-axis by circular arcs on a particular consisting of one part deformation body, which at one end to the receiving cylinder (2) and at its other end to the reference platform (3) are fixed, are arranged so that on the webs (1) diametrically opposite strain gauges (4) are mounted, that the reference platform (3 ) is fixedly connected to the base (5), that on this base (5) perpendicular to the axis of symmetry ζ spring elements (6) are fixedly arranged, that the spring elements (6) by circular recesses whose axes of symmetry parallel to the z ^ axis bounded are that the spring elements (6) have at their narrowest points a step (7) in the z-direction that on the spring elements (6) diametrically opposite strain gauges (8) are mounted and that the outer ends of the spring elements (6) are fixedly connected to a second receiving cylinder (9). For this 3 pages drawings