[發(fā)明專利]超薄六維力傳感器及其測量三維力和三維力矩信息的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810243742.1
• 申請日: 2008-11-25
• 公開（公告）號: CN101419102A
• 公開（公告）日: 2009-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戈瑜;梁橋康;宋全軍;葛運(yùn)建;曹會彬;孫玉蘋;王以俊;張廣斌
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L3/00
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及仿人機(jī)器人技術(shù)，特別涉及機(jī)器人力傳感器。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)機(jī)器人和仿人機(jī)器人的大量應(yīng)用和研發(fā)，六維力傳感器作為一種重要的力覺傳感器，用來檢測工業(yè)機(jī)械手或仿人機(jī)器人與環(huán)境之間的接觸力和力矩的大小和方向并及時反饋，以便機(jī)械手進(jìn)行精密準(zhǔn)確的具體操作和仿人機(jī)器人完成相應(yīng)動作。

針對這種情況，國內(nèi)外研制了多種六維力傳感器，雖然各種力傳感器功能齊全、種類繁多，但是現(xiàn)有的六維力傳感器高度尺寸都比較大，一般為40-80mm之間，這就大大制約了傳感器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。目前尺寸較小的傳感器有美國Assurance公司的微小型六維力傳感器，其外徑為18mm高度為30mm。傳感器的高度是影響傳感器應(yīng)用的一個重要因素，當(dāng)機(jī)械手實(shí)際操作時，作為腕力傳感器的六維力傳感器高度越大，機(jī)械手后續(xù)部件所受到的力矩因?yàn)榱Ρ鄣脑龃竺娉杀壤脑龃?，這將影響機(jī)械手的額定工作量程及其最大工作空間；當(dāng)仿人機(jī)器人仿人行走時，作為腳力傳感器的六維力傳感器高度越大，不但影響其外觀形狀，安裝在機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的電機(jī)所需提供的力矩也相應(yīng)成比例的增大。另外，一般的六維力傳感器都存在不可消除的維間耦合，這使得傳感器的精度大大降低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：針對目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)存在的問題和缺陷，提出一種超薄六維力傳感器及其測量三維力和三維力矩信息的方法，高度方向尺寸能限制在15毫米以內(nèi)，并能應(yīng)用于各種應(yīng)用場合，同時獲取不同量程要求下的精確六維力信息，為相應(yīng)的應(yīng)用設(shè)備準(zhǔn)確順利完成任務(wù)提供高質(zhì)量的力信息。傳感器高度尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、維間耦合小、獲取的力信息精度高、可靠性好，動態(tài)性能優(yōu)良。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種超薄六維力傳感器，包括中間有通孔的傳力柱(1)，其特征在于：傳力柱(1)外壁上連接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上連接有上內(nèi)環(huán)筒與上外環(huán)筒，構(gòu)成上E型膜(4)，所述的上外環(huán)筒上分布有安裝螺孔作為加載環(huán)，所述的上內(nèi)環(huán)筒與上外環(huán)筒之間連接有間隔90°排布的薄矩形金屬片(21、22、23、24)；所述的下E型膜片上連接有下內(nèi)環(huán)筒與下外環(huán)筒，構(gòu)成下E型膜(5)，所述的下外環(huán)筒作為基座。

所述的超薄六維力傳感器，其特征在于：所述的安裝螺孔與薄矩形金屬片(21、22、23、24)位置錯開。

所述的超薄六維力傳感器，其特征在于：所述傳力柱(1)壁厚尺寸應(yīng)大于上E型膜片、薄矩形金屬片(21、22、23、24)厚度尺寸五倍以上。

所述的超薄六維力傳感器，其特征在于：所述薄薄矩形金屬片(21、22、23、24)組成，各薄矩形金屬片尺寸完全一致，四片薄矩形片厚度尺寸小于徑向尺寸的1/10。

所述的超薄六維力傳感器，其特征在于：其材料為硬鋁或不銹鋼，各部件之間為一整體。

所述的超薄六維力傳感器，其特征在于：所述的上E型膜片與下E型膜片，上內(nèi)環(huán)筒與下內(nèi)環(huán)筒，上外環(huán)筒與下外環(huán)筒結(jié)構(gòu)對稱，所述的薄矩形金屬片上端低于傳力柱、上內(nèi)環(huán)筒、上外環(huán)筒的上端面。

一種用于六維力傳感器同時測量三維力和三維力矩信息的方法，其特征在于：在傳力柱的外壁及上內(nèi)環(huán)筒的內(nèi)壁上分別有對應(yīng)貼裝有間隔90°排布的應(yīng)變片R5～R12，所述的位于同一平面上的薄矩形金屬片(21、23)的兩側(cè)徑向面上分別貼裝有應(yīng)變片R1、R2、R3、R4，在傳力柱的外壁及下內(nèi)環(huán)筒的內(nèi)壁上分別有對應(yīng)貼裝有間隔90°、45°排布的六對應(yīng)變片R13～R24；應(yīng)變片R1～R4、應(yīng)變片R5～R8、應(yīng)變片R9～R11、應(yīng)變片R13～R16、應(yīng)變片R17～R20、應(yīng)變片R21～R24分別構(gòu)成六組全橋檢測電路a、b、c、d、e、f，分別輸出六維力信息中Mz、Mx、My、Fx、Fy、Fz信號。

所述的用于六維力傳感器同時測量三維力和三維力矩信息的方法，其特征在于：所述的各應(yīng)變片R1～R24的初始電阻值相等。

加載環(huán)上置有四個螺紋孔，用于六維力傳感器與外界載荷連接在一起，加載環(huán)通過薄矩形金屬片與上E型膜連接，薄矩形金屬片組由上內(nèi)環(huán)筒與上外環(huán)筒之間均勻分布的四片薄矩形金屬片組成，基座用來對整個六維力傳感器固定。超薄六維力傳感器材料為硬鋁，整個超薄六維力傳感器為一個整體，各部件之間不需額外連接。傳力柱、薄矩形金屬片的上表面與加載環(huán)的上表面在高度方向有一定的間隙。傳力柱中置有小孔，便于貼在不同位置的應(yīng)變片組成測量電路。加載環(huán)上置有的四個螺紋孔與薄矩形金屬片組在圓周方向上錯開放置。