[發明專利]用于柔性機械臂關節的柔性光電式力矩傳感器及使用方法

在審

• 申請號: 201910407562.0
• 申請日: 2019-05-15
• 公開（公告）號: CN110154065A
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 趙鵬兵;郭世超;楊傲;胡耀;李婧
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08
• 代理公司: 西安長和專利代理有限公司 61227
• 代理人: 李霞;肖志娟

本發明屬于力矩測量裝置技術領域，公開了一種用于柔性機械臂關節的柔性光電式力矩傳感器及使用方法，彈性元件的內環與外環通過兩條柔性筋連接；柔性筋設有擋光片安裝孔，擋光片固定在柔性筋上；彈性元件外環上設有支撐座安裝孔，支撐座固定在彈性元件外環上；光電式位移傳感器安裝在支撐座上并且位于彈性元件的內部空間中。本發明采用的兩個光電式位移傳感器安裝方向相反，相對應的其工作方向相反，從而能夠檢測正反兩個方向的力矩信息；彈性元件受到扭矩時發生彈性變形，產生較大的扭轉角，有效的降低了機械臂的被動剛度，增大機器人的柔性。本發明既實現機械臂在正傳反轉兩個方向上的力矩測量，又為機械臂提供極大的柔性保證機器人與外界交互的安全性。

技術領域

本發明屬于力矩測量裝置技術領域，尤其涉及一種用于柔性機械臂關節的柔性光電式力矩傳感器及使用方法。

背景技術

目前，最接近的現有技術：隨著協作機器人技術的發展，如何保證協作機器人在與外部環境交互時的安全性變得越來越重要，這就要求機器人在交互過程中能夠實時檢測碰撞，并且降低碰撞發生后的危害。機器人中應用關節力矩傳感器可以監測外部力矩并因此檢測碰撞，在碰撞發生后通過增大機器人的柔性可以有效地降低碰撞所產生的危害。

現有技術一公開了一種用于輕型柔性機械臂關節的嵌入式三維力及力矩測量裝置，它的原理是當機械臂的執行端受到載荷作用時，彈性本體單元發生彈性變形，從而帶動其上擋光片的的運動，通過光電式位移傳感器測量出對應擋光片的位移量，從而實現檢測所受載荷大小的功能。該裝置的光電位移傳感器采用同向分布，因此只能測量單一方向上的力矩值，另外該裝置由四條彈性筋組成，其剛度良好，柔度不足。

現有技術二公開了一種直線位移傳感器搭配彈性元件以實現輸出力矩測量和提供柔性的裝置，它的原理是通過直線位傳感器計算彈性元件內外環旋轉角度差，根據胡克定律得到關節負載端的力信息。該裝置是利用直線位移傳感器來測量彈性元件的變形，因為存在電刷與電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的能量輸入，由于磨損會影響使用壽命和降低可靠性，使測量精度降低，而且直線位移傳感器安裝在彈性元件表面會使得裝置結構變得復雜，增大該裝置的軸向尺寸從而增大了關節的尺寸。

現有技術三公布了一種利用串聯彈性體和兩個位置傳感器為關節提供扭矩測量和提供柔性的裝置，它的原理是根據彈性元件兩端的位置傳感器測量得到的彈性元件的扭轉角，利用胡克定律計算出關節力矩信息。該裝置通過兩個絕對位置磁編碼器獲得彈性元件的變形量，應用兩個磁編碼器不僅增大了生產成本，增大了關節的尺寸，而且增加了控制的難度。

綜上所述，現有技術存在的問題是：

(1)現有技術一具有在負載力矩作用下產生的最大彈性變形小，測量力矩范圍小，并且只能測量單一方向上的力矩的特征，該特征使得這種裝置具有柔度有限、抗沖擊能力較差，當機械臂受到反向力矩時無法測得的缺點和不足。

(2)現有技術二利用直線位移傳感器來測量彈性元件變形的特征，該特征使得在力矩測量時由于直線位移傳感器的摩擦作用導致測量精度下降，而且直線位移傳感器安裝在彈性元件表面會使得裝置結構變得復雜，增大該裝置的尺寸，不利于集成在關節內。

(3)現有技術三生產成本過高，結構的復雜給關節的集成帶來極大麻煩，測量精度容易受到位置傳感器測量精度的影響。

解決上述技術問題的難度：

如何能夠實時獲得機器人輸出力矩信息，當機器人與環境發生碰撞時能夠實時檢測碰撞。

如何為一體化關節提供足夠的柔性。

怎樣便于集成到一體化關節內部。

如何降低生產成本。

解決上述技術問題的意義：

能夠實時檢測碰撞，在碰撞發生后提供較大的柔性，因此能夠保證機器人與人交互時的安全性。