CN106918413B - 一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人智能设备技术领域，具体地说是一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器。包括叶片式扭盘、光电位移传感器安装座、挡光片及光电位移传感器，叶片式扭盘包括内圈、外圈及叶片，所述内圈和外圈通过多组叶片连接，相邻两组叶片之间均设有光电位移传感器安装座和挡光片，所述光电位移传感器安装座与内圈连接，光电位移传感器安装在光电位移传感器安装座上，挡光片与外圈连接、并挡光片与光电位移传感器相对应，内圈与电机连接，外圈与外部设备连接。本发明具有测量范围大、结构紧凑、整体轻巧、可靠性高、造价低、易于安装等优点。
Description
技术领域
本发明属于机器人智能设备技术领域，具体地说是一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器。
背景技术
随着智能技术的不断发展，人们提出了对机器人等智能设备安全性与高精度可控性的追求。由于相对于商业力矩传感器，嵌入式力矩传感器具有结构紧凑、整体轻巧、便于集成、尺寸小型、满足嵌入式的使用要求等优点，嵌入式力矩传感器的设计及应用逐渐地成为现如今的热点研究方向。而光电式力矩传感器由于无电磁干扰、响应迅速、可靠性高等特点，并且随着近年来光学技术的不断发展，以精密光学测量原理所具有的非接触性测量方式及宏观测量原理的力矩传感器显然更能满足于未来机器人发展的需要，逐渐成为嵌入式力矩传感器的研究热点。但由于光电传感器基于宏观测量，形变量和最大应力存在矛盾，因此多维测量的光电嵌入式六维力矩传感器技术还处于发展完善阶段。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器。该传感器的叶片式扭盘有效的解决了形变量和最大应力之间存在的矛盾，分离式的光电位移传感器定位调节装置使用更为方便快捷。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，包括叶片式扭盘、光电位移传感器安装座、挡光片及光电位移传感器，所述叶片式扭盘包括内圈、外圈及叶片，所述内圈和外圈通过多组叶片连接，相邻两组叶片之间均设有光电位移传感器安装座和挡光片，所述光电位移传感器安装座与所述内圈连接，所述光电位移传感器安装在光电位移传感器安装座上，所述挡光片与所述外圈连接、并挡光片与光电位移传感器相对应。
所述光电位移传感器安装座上设有螺纹定位调节孔，所述螺纹定位调节孔用于调整光电位移传感器与挡光片沿水平方向的相对位置。
所述光电位移传感器安装座的一侧面上设有用于固定光电位移传感器的光电位移传感器固定孔，所述光电位移传感器安装座上设有位于光电位移传感器固定孔上方的耳座，所述耳座上设有用于与内圈连接的光电位移传感器座安装孔。
所述内圈上沿周向设有多个内圈安装座，所述光电位移传感器安装座通过光电位移传感器座安装孔与内圈安装座连接。
所述挡光片与所述外圈之间设有弹簧垫片，通过弹簧垫片调整所述挡光片与光电位移传感器沿竖直方向的相对位置。
所述挡光片上设有用于与所述外圈连接的挡光片安装孔，所述外圈上设有外圈安装座，所述挡光片通过挡光片安装孔与外圈安装座连接。
所述叶片为六组、并沿周向均布。每组叶片中均有两个叶片，所述叶片采用笛卡儿叶形线结构。
所述内圈与电机连接，所述外圈与外部设备连接。所述内圈上沿周向设有用于与电机连接的电机安装孔，所述外圈上沿周向设有用于与外部设备连接的外部设备安装孔。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明叶片式扭盘具有变形量大、最大应力小、便于光电传感器安装的优点，较好的解决了形变量和最大应力之间矛盾，有效的提高了光电式传感器扭盘的可靠性。
2.本发明光电位移传感器和其挡光片初始定位调节装置，由于分设在光电位移传感器安装座和挡光片上共同完成其定位调节，因此具有各方向定位互不干扰、便于调节的优点。
3.本发明适用于机器人等智能设备的多维力矩测量，整体具有测量范围大、结构紧凑、整体轻巧、可靠性高、造价低、易于安装等优点。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中扭盘的结构示意图；
图3为本发明的光电位移传感器定位调节装置示意图。
其中：1为叶片式扭盘，2为光电位移传感器安装座，3为挡光片，5为光电位移传感器，4为弹簧垫片，11为外部设备安装孔，12为电机安装孔，13为叶片，14为内圈，15为外圈，16为内圈安装座，17为外圈安装座，21为螺纹定位调节孔，22为光电位移传感器固定孔，23为光电位移传感器座安装孔，31为挡光片安装孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1-2所示，本发明提供的一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，包括叶片式扭盘1、光电位移传感器安装座2、挡光片3及光电位移传感器5，所述叶片式扭盘1包括内圈14、外圈15及叶片13，所述内圈14和外圈15通过多组叶片13连接，相邻两组叶片13之间均设有光电位移传感器安装座2和挡光片3，所述光电位移传感器安装座2与所述内圈14连接，所述光电位移传感器5安装在光电位移传感器安装座2上，所述挡光片3与所述外圈15连接、并挡光片3与光电位移传感器5相对应。
所述内圈14上沿周向设有用于与电机连接的电机安装孔12，所述外圈15上沿周向设有用于与外部设备连接的外部设备安装孔11。所述内圈14在电机安装孔12处通过螺栓与电机连接，所述外圈15在外部设备安装孔11处通过螺栓与外部设备连接，实现嵌入式连接。
如图3所示，所述光电位移传感器安装座2上设有螺纹定位调节孔21，所述螺纹定位调节孔21用于调整光电位移传感器5与挡光片3沿水平方向的相对位置。
所述光电位移传感器安装座2的一侧面上设有用于固定光电位移传感器5的光电位移传感器固定孔22，所述光电位移传感器安装座2上设有位于光电位移传感器固定孔22上方的耳座，所述耳座上设有用于与内圈14连接的光电位移传感器座安装孔23。所述内圈14上沿周向设有多个内圈安装座16，所述光电位移传感器安装座2在光电位移传感器座安装孔23处通过螺栓与内圈安装座16连接。
所述挡光片3上设有用于与所述外圈15连接的挡光片安装孔31，所述外圈15上设有外圈安装座17，所述挡光片3在挡光片安装孔31处通过螺栓与外圈安装座17连接。所述挡光片3与所述外圈15之间设有弹簧垫片4，弹簧垫片4位于挡光片安装孔31的下方，通过弹簧垫片4调整所述挡光片3与光电位移传感器5沿竖直方向的相对位置。
所述叶片13为六组、并沿周向均布。每组叶片13中均有两个叶片，所述叶片13采用笛卡儿叶形线结构。六组叶片13之间共设有六个光电位移传感器5。
所述光电位移传感器5的定位调节通过螺纹定位调节孔21和弹簧垫片4共同完成实现。螺纹定位调节孔21设在光电位移传感器安装座2上，弹簧垫片4设在挡光片3下，分别负责调节定位光电位移传感器5的不同的方向。螺纹定位调节孔21和弹簧垫片4共同完成光电位移传感器5和挡光片3的定位调节。
所述螺纹定位调节孔21通过转动与其配合的螺钉，完成光电位移传感器5在扭盘平面方向的微调，实现此方向的准确定位；所述弹簧垫片4通过转动其上的安装螺钉，完成挡光片3在垂直扭盘平面方向的微调，实现此方向的准确定位；螺纹定位调节孔21和弹簧垫片4共同完成光电位移传感器5和挡光片3的定位调节。
本发明的叶片式扭盘1、光电位移传感器安装座2和挡光片3均采用碳素弹簧钢65Mn。
本发明的工作原理为：
本发明通过叶片式扭盘1的电机安装孔12和电机固定，外部设备安装孔11和外部设备固定连接；光电位移传感器5通过光电位移传感器安装座2上的光电位移传感器固定孔22以销的方式固定连接；光电位移传感器安装座2和挡光片3通过安装孔固定在叶片式扭盘1的相应安装座上。当外部设备受到力/力矩时，就会引起内圈14和外圈15在两个方向的相对位移变化。由于受到了不同力/力矩时，内圈14和外圈15在两个方向的相对位移不同，进而各个光电位移传感器5的输出值也不同。根据六个光电传感器5的电压输出值可以解算出x、y、z方向上的力/力矩值(以叶片式扭盘平面为xy平面，叶片式扭盘中心为O，建立三维正交坐标系)。解算公式为F＝C*U+G；其中：F为力/力矩向量，C为系数矩阵，U为电压值向量，G为常数向量。
本实施例中，所述光电位移传感器的型号选择为RPI-131。该光电位移传感器的结构外形尺寸为4.2*4.2*5.2mm，质量为0.05g，其两个方向的线性范围分别为0.7mm和0.3mm。所述光电位移传感器体积小、质量轻、线性范围大，可有效保证所述嵌入式六维力矩传感器的测量范围和测量精度。
Claims (10)
1.一种基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：包括叶片式扭盘(1)、光电位移传感器安装座(2)、挡光片(3)及光电位移传感器(5)，所述叶片式扭盘(1)包括内圈(14)、外圈(15)及叶片(13)，所述内圈(14)和外圈(15)通过多组叶片(13)连接，相邻两组叶片(13)之间均设有光电位移传感器安装座(2)和挡光片(3)，所述光电位移传感器安装座(2)与所述内圈(14)连接，所述光电位移传感器(5)安装在光电位移传感器安装座(2)上，所述挡光片(3)与所述外圈(15)连接、并挡光片(3)与光电位移传感器(5)相对应。
2.根据权利要求1所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述光电位移传感器安装座(2)上设有螺纹定位调节孔(21)，所述螺纹定位调节孔(21)用于调整光电位移传感器(5)与挡光片(3)沿水平方向的相对位置。
3.根据权利要求2所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述光电位移传感器安装座(2)的一侧面上设有用于固定光电位移传感器(5)的光电位移传感器固定孔(22)，所述光电位移传感器安装座(2)上设有位于光电位移传感器固定孔(22)上方的耳座，所述耳座上设有用于与内圈(14)连接的光电位移传感器座安装孔(23)。
4.根据权利要求3所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述内圈(14)上沿周向设有多个内圈安装座(16)，所述光电位移传感器安装座(2)通过光电位移传感器座安装孔(23)与内圈安装座(16)连接。
5.根据权利要求2所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述挡光片(3)与所述外圈(15)之间设有弹簧垫片(4)，通过弹簧垫片(4)调整所述挡光片(3)与光电位移传感器(5)沿竖直方向的相对位置。
6.根据权利要求5所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述挡光片(3)上设有用于与所述外圈(15)连接的挡光片安装孔(31)，所述外圈(15)上设有外圈安装座(17)，所述挡光片(3)通过挡光片安装孔(31)与外圈安装座(17)连接。
7.根据权利要求1所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述叶片(13)为六组、并沿周向均布。
8.根据权利要求7所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：每组叶片(13)中均有两个叶片，所述叶片(13)采用笛卡儿叶形线结构。
9.根据权利要求1-8任一项所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述内圈(14)与电机连接，所述外圈(15)与外部设备连接。
10.根据权利要求9所述的基于光电式的嵌入式六维力矩传感器，其特征在于：所述内圈(14)上沿周向设有用于与电机连接的电机安装孔(12)，所述外圈(15)上沿周向设有用于与外部设备连接的外部设备安装孔(11)。
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