DD267102A1

DD267102A1 - DEVICE FOR THREE-DIMENSIONAL FORCE MEASUREMENT

Info

Publication number: DD267102A1
Application number: DD31113087A
Authority: DD
Inventors: Harald Diesing; Ulrich Schmucker; Wolfgang Lehmann
Original assignee: Zim Stammbetr Veb Automatisier
Priority date: 1987-12-23
Filing date: 1987-12-23
Publication date: 1989-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung und kann insbesondere als Sensor in der Robotertechnik eingesetzt werden. Die erfindungsgemaesse Vorrichtung ist gekennzeichnet durch ein starres Gehaeuse, in dem auf dem Boden ein System von Reflexions-Optokopplern angebracht ist. Ferner befinden sich im Gehaeuse zwei parallel uebereinander angeordnete Federringe, die ueber vier symmetrisch angeordnete Abstandsstaebe verbunden sind. Zwei dieser gegenueberliegenden Abstandsstaebe sind nach unten durch den unteren Federring hindurch mit dem Gehaeuseboden und nach oben durch den oberen Federring hindurch mit der Platte an einem Taststift verbunden. Der Taststift, der durch diese Platte hindurchgeht, hat an diesem Ende einen Reflexionswuerfel zur Messung der Wege zwischen den Reflexionsflaechen des Wuerfels und den Reflexions-Optokopplern am Gehaeuse.The invention relates to a device for three-dimensional force measurement and can be used in particular as a sensor in robotics. The device according to the invention is characterized by a rigid housing in which a system of reflection optocouplers is mounted on the floor. Furthermore, there are two parallel spring rings arranged in the housing, which are connected via four symmetrically arranged Abstandstaebe. Two of these opposing Abstandsstaebe are connected down through the lower spring ring through with the Gehaeuseboden and up through the upper spring ring with the plate to a stylus. The stylus passing through this plate has at this end a reflection cube for measuring the paths between the reflection surfaces of the cube and the reflection optocouplers on the housing.

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft oine Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung und kann insbesondere als Sensor in der Robotertechnik eingesetzt werden. Vorzugsweise kann die Erfindung zur Kontakterksnnung und Konturverfolgunp angewendet werden.The invention relates to a device for three-dimensional force measurement and can be used in particular as a sensor in robotics. Preferably, the invention can be used for contact detection and contour tracking.

Characteristic of the known state of the art

Es sind eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Kraftmessung bekannt, bei denen die zu messende Kraft auf einen Verformungskörper wirkt. Die Deformation des Verformungskörpers, die nach verschiedenen Methoden gemessen werden kann, ist ein Maß für die zu messende Kraft.There are a variety of force measuring devices are known in which the force to be measured acts on a deformation body. The deformation of the deformation body, which can be measured by various methods, is a measure of the force to be measured.

Die Verwendung eines Stiftes als Kraftübertragungsglied ist ebenfalls bekannt (u. a. Teorija Prokatki, Verlag fvhtnllurgija, Moskau 1970, S. 117-118).The use of a pin as a force transmission member is also known (inter alia Teorija Prokatki, Verlag fvhtnllurgija, Moscow 1970, p 117-118).

Bekannte Meßeinrichtungen haben den Nachteil, daß ihre Herstellung einen großen Aufwand erfordert.Known measuring devices have the disadvantage that their production requires a lot of effort.

Des weiteren sind eine Anzahl von Kraftmeßeinrichtungen bekannt, bei denen ein Körper auf seiner Oberseite eine Krafteinleitungsstelle besitzt und an dem sich Elemente befinden, die bei Kraftausübuno ihre elektrischen Eigenschaften verändern (DE OS 3544885). Diese die Dehnmeßstreifen enthaltene Lösungen (u. a. DE OS 2641342) weisen neben Hysterese-Problemen weitere Nachteile auf. Die enge Verbindung von VerformKc rpor und Meßolement hat neben dem genannten Nachteil eines großen Aufwar.dos in der Herstellung auch den Nachteil der nicht genügenden Entkopplung und somit der einwandfreien Bestimmung einer bestimmten Koordinate.Furthermore, a number of force measuring devices are known in which a body has on its upper side a force introduction point and on which there are elements which change their electrical properties in Kraftausübuno (DE OS 3544885). These solutions containing the strain gauges (inter alia DE OS 2641342) have, in addition to hysteresis problems, further disadvantages. The close connection of VerformKc rpor and Messolement has, in addition to the mentioned disadvantage of a large Aufwar.dos in the production also the disadvantage of not sufficient decoupling and thus the proper determination of a specific coordinate.

Weiterhin ist eine Wandloreinrichtung mit sechs Freiheitsgraden zur Erzeugung elektrischer Signale, die Kräfte und/oder Momente in drei zueinander orthogonalen Richtungon anzeigen, bekannt, wöbe· ein Gehäuse und eine Nabe d-.irch drei radiale Federelemente in den drei orthogonalen Richtungen elastisch beweglich mitain undor verbunden sind und als induktive Sensoren ausgebildete Einkomponentenwandler den Bewegungen analoge elektrische Signale erzeugen (DD WP 237 213).Furthermore, a six-degree-of-freedom wall device for generating electrical signals indicative of forces and / or moments in three mutually orthogonal directions is known, wherein a housing and a hub of three radial spring elements are elastically movable in the three orthogonal directions are connected and designed as inductive sensors Einkomponentenwandler the movements analog electrical signals generate (DD WP 237 213).

Insgesamt haben die mit induktiven Sensoren eingebauten Ki'aftmeßeinrichtungen den Nachteil, daß vorhandene elektrische Felder die Quelle von Störgrößen bilden.Overall, built with inductive sensors Ki'aftmeßeinrichtungen have the disadvantage that existing electric fields form the source of disturbances.

Bekannt ist ein Vorfahren und eine Anordnung zur optoelektronischen Meßwandlung an einem Kraftsensor, der dadurch gekennzeichnet ist, dnß im Volumen des Kraftmeßbügels ein universeller Weg-Spannungswandler auf optoelektronischer Basis, bestehend aus Sender, Blende und Empfänger angeordnet ist und in der Kraftwirkungslinie wirksam ist. Nachteilig ist, daß diese Lösung für den vorgesehenen Verwendungszweck nicht einsetzbar ist.Known is an ancestor and an arrangement for optoelectronic measurement conversion to a force sensor, which is characterized dnß in the volume of Kraftmeßbügels a universal path-voltage converter on an optoelectronic basis, consisting of transmitter, diaphragm and receiver is arranged and is effective in the line of action. The disadvantage is that this solution can not be used for the intended use.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist eine dreidimensionale Kraftmessung, insbesondere für den Einsatz als Sensor in der Robotertechnik, mit großer Empfindlichkeit, geringem Aufwand, unter Ausschaltung von Störgrößen (elektrische Felder) und einer einwandfreien Bestimmung einer bof timmten Koordinate.The aim of the invention is a three-dimensional force measurement, especially for use as a sensor in robot technology, with high sensitivity, low cost, with elimination of disturbances (electric fields) and a proper determination of a bof timmten coordinate.

-2- 267 iO2 Darloyung dot Wesen» der Erfindung-2- 267 iO2 Darloyung dot Wesen »of the invention

Aufgabe der Erfindung Ist die Entwicklung einor Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung, insbesondere für den Einsatz ate Sati3Or, Ιί der Robotertechnik, mit groLer Empfindlichkeit, unter Ausschaltung von Störgrößen und einor guten Entkopplung, so daß nur ein Meßsignal für eine bestimmte Koordinar* gewonnen werden kann.OBJECT OF THE INVENTION The development of a device for three-dimensional force measurement, in particular for the use ate Sati3Or, Ιί the robot technology, with great sensitivity, elimination of disturbances and a good decoupling, so that only one measurement signal for a given coordinate * can be obtained.

Erfindungygemäß ist die Vorrichtung zur dreidimensionalen Kraftmessung dadurch gekennzeichnet, daß in einem starren Genauso am Boden für die Messung in den drei Koordinatonrichtungen x, y, ζ ein System von Reflexions-Optokopplern angeordnet ist. Das System der Optokoppler ist so angeordnet, daß für die Mescmg der x-Koordirate zwei gegenüberliegende Optokoppler (wobei ein Optokoppler jeweils aus einem Sender und einem Empfänger besteht) angeordnet sind. Für die Messung der y-Koordinate gilt dio gleich« Anordr. jng. Für die Messung der z-Koordinate sind jedoch zwei nebeneinanderliogende, aber entgegengesetzt angeordnete, (S <-► E, E ♦-> S) Optokoppler angebracht.According to the invention, the apparatus for three-dimensional force measurement is characterized in that a system of reflection optocouplers is arranged in a rigid, exactly same manner on the ground for the measurement in the three coordination directions x, y, ζ. The system of optocouplers is arranged so that two opposite optocouplers (one optocoupler each consisting of a transmitter and a receiver) are arranged for the measurement of the x-coordinate. For the measurement of the y-coordinate, dio equals «Anordr. jng. For the measurement of the z-coordinate, however, there are two juxtaposed but oppositely arranged (S <-► E, E ♦ -> S) optocouplers.

Weiterhin befindei siui in dem Gehäuse zwei parallel übereinander angeordnete als Biogebalken zu betätigende Ringplatten, die über vier starre oymmetrisch angeordnete Abstandsstäbe verbunden sind. Zwei dieser gegenüberliegenden Abstand:jstäba sind nach unten durch die untere Ringplatte hindurch fest mit dem Gehäusebodon und dio anderen beiden gegenüberliegenden Abotandsstäbe nach oben durch die obere Ringplatto hindurch fest mit einer starren Platte an einem Taststift verbundon. Der Taststift geht zentrisch durch diese Platte hindurch und hat an dem durch die Platte hindurchgehenden Ende einen Retlexicnswürfel fest angeordnet. Dieser Roflexionswürfol ist hängend und im unbelasteten Fall zentrisch <m System der Optokoppler gelagert.Furthermore, in the housing there are two annular plates, which are arranged in parallel over one another and can be actuated as biobalms, which are connected via four rigid, symmetrically arranged spacer bars. Two of these opposite distance: jstäba are down through the lower ring plate firmly through the Gehäusebodon and dio other two opposite Abotandsstäbe up through the upper Ringplatto therethrough verbundon with a rigid plate on a stylus. The stylus passes centrally through this plate and has fixedly arranged at the end passing through the plate a Retlexicnwürfel. This Roflexionswürfol is hanging and stored in the unloaded case centric <m system of optocouplers.

Durch Berührung eines Objektes mit dem Taststift werden Verformungen in den Ringplatten erzeugt; hauptsächlich eine Verschiebung in z-Richtung und Verdrehung um die x- und um die y-Achso. Diese Größen werden dann durch Messung der Wege zwischen Gehäuse (besser am Gehäuseboden befestigte Optokoppler) und Reflexionswürfel erfaßt.By touching an object with the stylus deformations are generated in the ring plates; mainly a shift in the z-direction and rotation about the x- and the y-axis. These quantities are then detected by measuring the paths between the housings (opto-couplers attached to the housing bottom) and reflection cubes.

Jowoils zwei Optokoppler werden zur Messung einer Koordinate eingesetzt. Durch die besondere Anordnung der Optokoppler («system der Optokoppler) soll in jedem Fall die Kopplung zu den andern Verformungen eliminiert worden. Die gegenüberliegende Anordnung trägt zur Verringerung des Lineal itälsfehlors bei.Jowoil's two optocouplers are used to measure a coordinate. Due to the special arrangement of the optocoupler («system of opto-couplers), the coupling to the other deformations has been eliminated in any case. The opposite arrangement helps to reduce the ruler malfunction.

Dio Verwendung von zwei Ringplatten (von zwoi Federringen) in einem auslegbaren Abstand, ermöglicht eine Anpassung der Meßwege zu den eingeleiteten Kräften mit dem Ziel einer gleichmäßigen Empfindlichkeit dos Signalausgonges. Bei der Messung der z-Koordinate macht sich die Intensitätsänderung dadurch bemerkbar, indem sie in beiden Optokopplern nahezu gleich ist.The use of two ring plates (of two spring washers) at an adjustable distance, allows an adaptation of the measuring paths to the introduced forces with the aim of a uniform sensitivity of Signalausgonges. When measuring the z-coordinate, the change in intensity is noticeable by being nearly the same in both optocouplers.

BoI dor Messung der x- als auch der y-Koordinate hat jeweils ein Koppler mohr Intensität als dor andere. Beide Koppler zusammen ergeben das Maß für dio Abstandsänderung.The measurement of the x- as well as the y-coordinate has one coupler each having a higher intensity than the other. Both couplers together give the measure of the change in distance.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende: Im Vergleich mit den Ma^einrichtungen, die mit Dehnmeßstreifen arbeiten, erfolgt bol dor erfinderischen Lösung eine körperliche Trennung des varformten Teiles vom Moßteil.The advantages of the device according to the invention are as follows: In comparison with the measuring devices which operate with strain gauges, the inventive solution is a physical separation of the varformed part from the part of the body.

Damit sind eine Reihe von Vorteilen vorbundon:Thus, a number of advantages are vorbundon:

— keine besondere Anforderung an den Verformkörper durch die Anwendung der Elemontorsonsorer.- no special requirement on the deformed body by the application of Elemontorsonsorer.

— dit. Herstellung erfordert keinen großen Aufwand- dit. Production does not require much effort

— durch diese Anordnung ist die Entkopplung gut .7U löson, d.h. ein Meßsignal für eine bestimmte Kr<»ftkoordinateBy this arrangement the decoupling is well .7U soluble, i. a measuring signal for a specific angular coordinate

Im Vergleich mit den auf induktiver Basis arbeitenden Meßeinrichtungen hat die orfindei ische Vorrichtung den Vorteil, daß elektrische Felder als Störgrößen entfallen.In comparison with the measuring devices operating on an inductive basis, the orfindei device has the advantage that electrical fields are omitted as disturbances.

Die Erfindung wird nachstehend an folgenden Beispielen erläutert:The invention is explained below by the following examples:

Fig. 1: zeigt die Darstellung der gesamten erfinderischen VorrichtungFig. 1: shows the representation of the entire inventive device

Flg. 2; zeigt die erfinderische Vorrichtung im Schnitt von der SeiteFlg. 2; shows the inventive device in section from the side

Fig. 3: zeigt die beiden RingplattenFig. 3: shows the two ring plates

Fig.4: zeigt den Taststift mit Platte und Reflexionswürfel4: shows the stylus with plate and reflection cube

Fig. 5: zeigt die Anordnung der OptokopplerFig. 5: shows the arrangement of the opto-couplers

In Figur 1 ist In einem Gehäuse 1 am Bodon in der Mitte das System der Optokoppler 2 angeordnet. Ferner befinden sich im Gehäuse 1 die beiden Ringplatten 3 (zwei Federringe), die durch die vier Abstandsstäbe 4 und 5 verbunden sind. Zwei Abstandsstäbe 4 sind mit dem Gehäuseboden und zwei Abstandsstäbe 5 sind mit der Platte am Tastring 7 verbunden. An einem in das Gehäuse 1 hineinragonden Teil des Taststiftes 7 ist der Reflexionswürfel 8 befestigt.In FIG. 1, the system of optocouplers 2 is arranged in a housing 1 on the body in the middle. Further, in the housing 1, the two annular plates 3 (two spring rings), which are connected by the four spacer bars 4 and 5. Two spacer bars 4 are connected to the housing bottom and two spacer bars 5 are connected to the plate on the key ring 7. At a part of the stylus 7 which protrudes into the housing 1, the reflection cube 8 is fixed.

Claims

1. A device for three-dimensional force measurement, characterized in that (^ denotes that in a rigid housing (1) at the bottom for the Mossung in the three coordinate directions x, y, ζ a system of reflection optocouplers (2) angoordnot is that two parallel superimposed on one another as bending beam to be operated ring plates (3) via four rigid symmetrically arranged spacer bars are connected, wherein two opposite spacer bars (4) down through the lower ring plate fixed to the housing bottom and the other two opposite spacer bars (δ) upwards the upper ring plate is fixedly connected to a rigid plate (6) on a stylus, wherein a Refiexionswürfel (8) is fixedly arranged on the one through this plate lentrisch passing into the housing (1) projecting end dec Taststiftes (8) and this Refloxion cube (8) hanging and stored in the unloaded case centric in the system of optocouplers u nd be measured by means of the system of optocouplers changes in the distance of the reflection cube to the housing (to the optocouplers).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the system of the optocoupler (2) is arranged so that in each case opposite optocouplers are arranged for the measurement of the x- and y-coordinate and an optocoupler in a known manner in each case from a transmitter and an emf pänger exists and for the measurement of the z-coordinate two adjacent but are mounted with entgegen jotzt arranged transmitter and receiver.