[發明專利]帶過載保護的微型五維力傳感器及其力矢量信息獲取方法

無效

• 申請號: 200910116636.1
• 申請日: 2009-04-24
• 公開（公告）號: CN101598613A
• 公開（公告）日: 2009-12-09
• 發明（設計）人: 梁橋康;葛運建
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 合肥天明專利事務所
• 代理人: 奚華保

技術領域

本發明涉及智能機器人領域，特別涉及一種能夠同時檢測力信息的大小、方向、作用點的微型力傳感器及其力矢量信息獲取方法。

背景技術

智能機器人技術在現代工業和生活中起著越來越重要的作用，為了使智能機器人能夠準確無誤的完成指定的工作，對外界環境精確和及時的感知必不可少，因此智能機器人應該具備可以感受外界力信息的力覺傳感器。另外，一些空間坐標檢測裝置也可以通過作用點信息來得到精確的坐標信息。

目前存在的力覺傳感器主要有六維和三維的力和力矩傳感器，如專利公開號為CN1527040A的“微型全平面六維力、力矩傳感器”、專利公開號為CN?1982860A的“三維指力傳感器及其信息獲取方法”等。其中，專利公開號為CN?1527040A的“微型全平面六維力、力矩傳感器”，采用由中心體、外圈梁組成扁平盤結構，并在扁平盤上粘貼應變片實現同時對任意空間的三維力矩和三維力的測量。這類傳感器只能對三維力或者三維力矩的大小進行檢測，不能檢測力的作用點。因為相同大小和方向的力作用在不同位置會造成不同的效果，所以能同時檢測受力大小、方向和受力點的力傳感器顯得十分重要。而上述現有技術一般只注重智能機器人在操作時的三維力和三維力矩信息，忽略了力矢量的作用點信息。少數的傳感器雖然考慮到了作用點信息，但是建立在對三維力和三維力矩信息基礎上。并且現在的大部分傳感器都未能考慮過載保護，使得傳感器無法避免在過載時造成的損壞。在現有技術中，可以同時檢測所受力的大小、方向和受力點的力傳感器還很少，專利號為US4635479的“Force?sensing?apparatus”，雖然實現了對作力用的大小、方向和作用點的檢測。但該傳感器需要在檢測到三維力信息和三維力矩信息的基礎上才能對作用點進行估算。

發明內容

本發明的目的是：針對目前國內外相關技術存在的問題和缺陷，提出一種新型的帶過載保護的微型五維力傳感器及其力矢量信息獲取方法，其能同時獲取力矢量的大小、方向和作用點信息，并能防止因傳感器受力超過額定值時對傳感器造成損壞。

本發明的技術方案是：帶過載保護的微型五維力傳感器，包括相互連接的指尖、彈性體和底座。指尖是智能機器人力傳感器中的受力體，采用半球或者半橢球形狀或其它任何曲面方程已知的形狀，置于傳感器的頂端，指尖底部的圓筒體部分置有內螺紋；底座內置硬件電路板；彈性體為雙E型膜結構(所謂E型膜指該膜的縱剖面呈E字形)，上E型膜和下E型膜相背設置，其間留有間距，通過中間傳力柱使上E型膜和下E型膜相互連接為一體。上、下E型膜的外圓都置有外螺紋，其中上E型膜的外圓的外螺紋與指尖底部圓筒體部分的內螺紋連接；底座內置有內螺紋與彈性體下E型膜外螺紋連接，在底座的底部置有四個均布的螺紋孔用于與外界相連，底座的中心置有導線孔用于引出導線。當傳感器的指尖接觸外界時，力將通過整個傳感器傳遞到傳感器的后續部件，由于指尖和底座的剛度比彈性體的剛度大，主要的彈性變形將發生在彈性體上。彈性體的相對薄弱環節是上、下E型膜，所以由受力產生的彈性變形絕大部分都發生在上、下E型膜上，由于上E型膜和下E型膜之間留有間距，當受到超過額定值的外力時，傳感器可以得到有效的過載保護。根據應變電測技術，粘貼在上、下E型膜上的應變片組成的檢測電路將把上、下E型膜的彈性應變轉變成電信號。通過所述硬件電路板對信號進行調零、放大、模擬濾波、模數轉換、數字濾波、數值計算，最后通過通訊接口將獲得的力信息傳送出去。

目前，基于應變電測原理的力傳感器大都尺寸龐大，為滿足對力傳感器的微型尺寸要求，本發明的帶過載保護的微型五維力傳感器外徑尺寸為φ24mm，軸向尺寸為30mm。傳感器所有的連接都是通過各個零件上的螺紋，不需要另外的連接件。

彈性體的結構是由上、下E型膜通過中間的中間傳力柱相連為一體。在上、下E型膜的上放置傳感器的檢測電路組成相應的全橋檢測電路，其中，上E型膜向上的一面帖有兩組應變片組成檢測電路分別用來檢測Mx和My，下E型膜向下的一面帖有三組應變片組成檢測電路分別用來檢測Fx，Fy和Fz。根據檢測到的五維力信息：Fx、Fy、Fz、Mx和My與指尖的曲面方程可以得到力的作用點，即指尖傳感器與外界的接觸點。傳感器的坐標原點在已知曲面方程坐標原點位置。外力F作用于傳感器上的某一點，這點的坐標位置為(x，y，z)，外力F可以分解成作用在作用點處的三個軸向分量Fx，Fy和Fz。外力F也可以等效為作用在坐標原點的三個力Fx，Fy，Fz和三個繞坐標原點的力矩Mx，My，Mz。并且這三個力Fx，Fy，Fz和三個力矩Mx，My，Mz與外力F有如下關系：