CN106918411A - 用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置 - Google Patents

用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置 Download PDF

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刘玉旺
田恬
张德福
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Abstract

本发明涉及一种测量装置，具体地说是一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置。包括弹性本体单元、挡光片、支持装置及光电位移传感器，其中弹性本体单元包括外环、内环及弹性筋，所述外环和内环通过多个所述弹性筋连接，各弹性筋上均设有一个挡光片，各挡光片均对应一个通过支持装置安装在外环上的光电位移传感器。本发明结构简单、尺寸小、重量轻、可靠性高、刚度良好、实时性好，适用于对轻型结构紧凑要求的机械臂关节的使用。

Description

用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量装置，具体地说是一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置。
背景技术
轻型柔性机械臂是面向与人共融环境的新一代机械臂***。随着机器人面向家庭，进入服务及医疗领域，新一代轻型柔性机械臂***越来越受到人们的关注。与人共融是新一代轻型柔性机械臂***设计的核心思想。
为了提高轻型柔性机械臂执行任务的灵活性、柔顺性以及与环境接触交互的能力，除了需要准确地获得机械臂在执行任务中的关节位置、速度信息外，还需要获取其力及力矩信息且使其结构紧凑并具有一定柔性度。
轻型柔性机械臂区别于传统机械臂，其设计核心要求为小空间、低重量，高柔性。对于应用于轻型柔性机械臂关节的多维力及力矩测量装置则要求体积小，质量轻，可靠性高，能够嵌入于轻型柔性机械臂关节中。而传统多维力及力矩测量装置则由于作业环境及要求的不同，其尺寸较大，重量，难以集成于关节且定制困难，因此不适于对轻型柔性机械臂的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置。该装置适用于轻型柔性且结构紧凑的机械臂关节。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，包括弹性本体单元、挡光片、支持装置及光电位移传感器，其中弹性本体单元包括外环、内环及弹性筋，所述外环和内环通过多个所述弹性筋连接，各弹性筋上均设有一个挡光片，各挡光片均对应一个通过支持装置安装在外环上的光电位移传感器。
所述弹性筋均由两条样条曲线闭合形成，样条曲线一端与外环连接，另一端与内环连接。
所述弹性筋的宽度由内环到外环逐渐变宽，且多个弹性筋关于弹性本体单元的中心对称。
所述弹性本体单元在受力矩载荷作用时，其形变与弹性本体单元的材料弹性模量E、弹性筋数量N及弹性本体单元的总体厚度h成正比。
所述的弹性本体单元在受力载荷作用时，其形变与弹性本体单元的材料弹性模量E和弹性筋数量N成正比。
所述外环上沿周向多个设有支持装置安装槽，所述支持装置通过螺钉安装在外环上的支持装置安装槽上。
所述弹性筋上设有挡光片安装槽，所述挡光片通过螺钉安装在所述挡光片安装槽上。
所述弹性筋上的挡光片安装槽的位置需使其上挡片处在所述光电位移传感器的中心位置。
所述外环上沿周向设有多个外法兰安装孔，所述内环上沿周向设有多个内法兰安装孔。
所述内法兰安装孔与轻型柔性机械臂关节的输入端相连，所述外法兰安装孔与轻型柔性机械臂关节的输出端相连。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明结构简单、尺寸小、重量轻、可靠性高、刚度良好、实时性好，适用于对轻型结构紧凑要求的机械臂关节的使用。
2.本发明可以满足对三维力及力矩信息的测量，适用面广。
3.本发明测量实时性好。通过采用光电测量原理，其***响应速度快。
4.本发明的抗电磁干扰性强。
5.本发明的可靠性高，过载能力强，可在一定范围内通过撤除过载保护装置，有效降低轻型机械关节的设计尺寸。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中弹性本体单元的结构示意图；
图3为本发明中挡光片的结构示意图；
图4为本发明中支撑装置的结构示意图；
图5为本发明的力及力矩测量示意图。
其中：1为弹性本体单元，2为挡光片，3为支持装置，4为光电位移传感器，11为外环，12为内环，13为第一弹性筋，14为第二弹性筋，15为第三弹性筋，16为第四弹性筋，17为走线孔，18为外法兰安装孔，19为内法兰安装孔，110为第一支持装置安装槽，111为第二支撑装置安装槽，112为第三支撑装置安装槽，113为第四支持装置安装槽，114为第一挡光片安装槽，115为第二挡光片安装槽，116为第三挡光片安装槽，117为第四挡光片安装槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详述。
如图1-4所示，本发明提供的一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，包括弹性本体单元1、挡光片2、支持装置3及光电位移传感器4，其中弹性本体单元1包括外环11、内环12及弹性筋，所述外环11和内环12通过多个所述弹性筋连接，各弹性筋上均设有一个挡光片2，各挡光片2均对应一个通过支持装置3安装在外环11上的光电位移传感器4。
所述弹性筋均由两条样条曲线闭合形成，样条曲线一端与外环11连接，另一端与内环12连接。所述弹性筋的宽度由内环12到外环11逐渐变宽，且宽度均匀变化，使结构受力均匀，以确保其柔性度及可靠性。多个弹性筋关于弹性本体单元1的中心对称。
所述的弹性本体单元1，其弹性筋的宽度将会影响测量装置对载荷力及力矩的承载能力，且宽度越小，承载能力越差，而柔性度越好。
所述弹性本体单元1在受力矩载荷作用时，其形变与弹性本体单元1的材料弹性模量E、弹性筋数量N及弹性本体单元的总体厚度h成正比，即传感器的力矩载荷承载能力T∝E，T∝N，T∝h。
所述的弹性本体单元1在受力载荷作用时，其形变与弹性本体单元1的材料弹性模量E和弹性筋数量N成正比，即传感器的力载荷承载能力F∝E，F∝N。
所述外环11上沿周向多个设有支持装置安装槽，所述支持装置3通过螺钉安装在外环11上的支持装置安装槽上。所述弹性筋上设有挡光片安装槽，所述挡光片2通过螺钉安装在所述挡光片安装槽上。所述外环11上沿周向设有多个外法兰安装孔18，所述内环12上沿周向设有多个内法兰安装孔19，所述内环12的中心为走线孔17。弹性本体单元1中弹性筋上的挡光片安装槽的位置需使其上挡片11处在光电位移传感器4的中心位置。
实施例
所述的弹性本体单元1中外环11和内环12通过第一弹性筋13、第二弹性筋14、第三弹性筋15及第四弹性筋16连接于一体，且第一弹性筋13、第二弹性筋14、第三弹性筋15以及第四弹性筋16关于中心对称。所述第一弹性筋13、第二弹性筋14、第三弹性筋15及第四弹性筋16上分别设有第一挡光片安装槽114、第二挡光片安装槽115、第三挡光片安装槽116及第四挡光片安装槽117，所述第一挡光片安装槽114、第二挡光片安装槽115、第三挡光片安装槽116及第四挡光片安装槽117上通过螺钉分别与第一挡光片21、第二挡光片22、第三挡光片23及第四挡光片24连接。所述外环11上沿周向均布有第一支持装置安装槽110、第二支持装置安装槽111、第三支持装置安装槽112及第四安装支持装置槽113，所述第一支持装置安装槽110、第二支持装置安装槽111、第三支持装置安装槽112及第四安装支持装置槽113通过螺钉分别与结构相同的第一支持装置31、第二支撑装置32、第三支持装置33及第四支持装置34相连，所述第一支持装置31、第二支撑装置32、第三支持装置33及第四支持装置34分别与第一光电位移传感器41、第二光电位移传感器42、第三光电位移传感器43及第四光电位移传感器44相连。本实施例中，各光电位移传感器均选用ROHM公司的RPI-131型产品。
本发明的安装及工作原理为：
本发明提供的用于轻型柔性机械臂关节嵌入式三维力及力矩传感器测量装置，其内法兰安装孔19与轻型柔性机械臂关节的输入端相连，外法兰安装孔18与轻型柔性机械臂关节的输出端相连。当机械臂的执行端受到载荷作用时，弹性本体单元1发生变形，从而带动其上安装的挡光片2运动。通过光电位移传感器4测量其对应挡光片2的位移量，从而达到检测及测量机械臂执行端所受载荷大小。
如图5所示，其中第一光电位移传感器41可检测力载荷Fx，力矩载荷Mz；第二光电位移传感器42可检测力载荷Fy，力矩载荷Mz；第三光电位移传感器43可检测力载荷Fx，力矩载荷Mz；第四光电位移传感器44可检测力载荷Fy，力矩载荷Mz。
当受到力载荷Fx时，第一光电位移传感器41与第三光电位移传感器43信号相反，且第二光电位移传感器42与第四光电位移传感器44为初始信号值；当受到力载荷Fy时，第二光电位移传感器42与第四光电位移传感器44信号相反，且第一光电位移传感器41与第三光电位移传感器43为初始信号值；当受到力矩载荷Mz作用时，第一光电位移传感器41，第二光电位移传感器42，第三光电位移传感器43，第四光电位移传感器44信号相同。

Claims (10)

1.一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，包括弹性本体单元(1)、挡光片(2)、支持装置(3)及光电位移传感器(4)，其中弹性本体单元(1)包括外环(11)、内环(12)及弹性筋，所述外环(11)和内环(12)通过多个所述弹性筋连接，各弹性筋上均设有一个挡光片(2)，各挡光片(2)均对应一个通过支持装置(3)安装在外环(11)上的光电位移传感器(4)。
2.根据权利要求1所述用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述弹性筋均由两条样条曲线闭合形成，样条曲线一端与外环(11)连接，另一端与内环(12)连接。
3.根据权利要求2所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述弹性筋的宽度由内环(12)到外环(11)逐渐变宽，且多个弹性筋关于弹性本体单元(1)的中心对称。
4.根据权利要求3所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述弹性本体单元(1)在受力矩载荷作用时，其形变与弹性本体单元(1)的材料弹性模量E、弹性筋数量N及弹性本体单元的总体厚度h成正比。
5.根据权利要求3所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述的弹性本体单元(1)在受力载荷作用时，其形变与弹性本体单元(1)的材料弹性模量E和弹性筋数量N成正比。
6.根据权利要求1所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述外环(11)上沿周向多个设有支持装置安装槽，所述支持装置(3)通过螺钉安装在外环(11)上的支持装置安装槽上。
7.根据权利要求1所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述弹性筋上设有挡光片安装槽，所述挡光片(2)通过螺钉安装在所述挡光片安装槽上。
8.根据权利要求7所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述弹性筋上的挡光片安装槽的位置需使其上挡片(11)处在所述光电位移传感器(4)的中心位置。
9.根据权利要求1-8任一项所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述外环(11)上沿周向设有多个外法兰安装孔(18)，所述内环(12)上沿周向设有多个内法兰安装孔(19)。
10.根据权利要求9所述的用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，其特征在于，所述内法兰安装孔(19)与轻型柔性机械臂关节的输入端相连，所述外法兰安装孔(18)与轻型柔性机械臂关节的输出端相连。
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