CN110154065A - 用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于力矩测量装置技术领域，公开了一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法，弹性元件的内环与外环通过两条柔性筋连接；柔性筋设有挡光片安装孔，挡光片固定在柔性筋上；弹性元件外环上设有支撑座安装孔，支撑座固定在弹性元件外环上；光电式位移传感器安装在支撑座上并且位于弹性元件的内部空间中。本发明采用的两个光电式位移传感器安装方向相反，相对应的其工作方向相反，从而能够检测正反两个方向的力矩信息；弹性元件受到扭矩时发生弹性变形，产生较大的扭转角，有效的降低了机械臂的被动刚度，增大机器人的柔性。本发明既实现机械臂在正传反转两个方向上的力矩测量，又为机械臂提供极大的柔性保证机器人与外界交互的安全性。

Description

用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法

技术领域

本发明属于力矩测量装置技术领域，尤其涉及一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：随着协作机器人技术的发展，如何保证协作机器人在与外部环境交互时的安全性变得越来越重要，这就要求机器人在交互过程中能够实时检测碰撞，并且降低碰撞发生后的危害。机器人中应用关节力矩传感器可以监测外部力矩并因此检测碰撞，在碰撞发生后通过增大机器人的柔性可以有效地降低碰撞所产生的危害。

现有技术一公开了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，它的原理是当机械臂的执行端受到载荷作用时，弹性本体单元发生弹性变形，从而带动其上挡光片的的运动，通过光电式位移传感器测量出对应挡光片的位移量，从而实现检测所受载荷大小的功能。该装置的光电位移传感器采用同向分布，因此只能测量单一方向上的力矩值，另外该装置由四条弹性筋组成，其刚度良好，柔度不足。

现有技术二公开了一种直线位移传感器搭配弹性元件以实现输出力矩测量和提供柔性的装置，它的原理是通过直线位传感器计算弹性元件内外环旋转角度差，根据胡克定律得到关节负载端的力信息。该装置是利用直线位移传感器来测量弹性元件的变形，因为存在电刷与电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的能量输入，由于磨损会影响使用寿命和降低可靠性，使测量精度降低，而且直线位移传感器安装在弹性元件表面会使得装置结构变得复杂，增大该装置的轴向尺寸从而增大了关节的尺寸。

现有技术三公布了一种利用串联弹性体和两个位置传感器为关节提供扭矩测量和提供柔性的装置，它的原理是根据弹性元件两端的位置传感器测量得到的弹性元件的扭转角，利用胡克定律计算出关节力矩信息。该装置通过两个绝对位置磁编码器获得弹性元件的变形量，应用两个磁编码器不仅增大了生产成本，增大了关节的尺寸，而且增加了控制的难度。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一具有在负载力矩作用下产生的最大弹性变形小，测量力矩范围小，并且只能测量单一方向上的力矩的特征，该特征使得这种装置具有柔度有限、抗冲击能力较差，当机械臂受到反向力矩时无法测得的缺点和不足。

(2)现有技术二利用直线位移传感器来测量弹性元件变形的特征，该特征使得在力矩测量时由于直线位移传感器的摩擦作用导致测量精度下降，而且直线位移传感器安装在弹性元件表面会使得装置结构变得复杂，增大该装置的尺寸，不利于集成在关节内。

(3)现有技术三生产成本过高，结构的复杂给关节的集成带来极***烦，测量精度容易受到位置传感器测量精度的影响。

解决上述技术问题的难度：

如何能够实时获得机器人输出力矩信息，当机器人与环境发生碰撞时能够实时检测碰撞。

如何为一体化关节提供足够的柔性。

怎样便于集成到一体化关节内部。

如何降低生产成本。

解决上述技术问题的意义：

能够实时检测碰撞，在碰撞发生后提供较大的柔性，因此能够保证机器人与人交互时的安全性。

实现一体化关节精确的力控制、较好的抗冲击能力

能够广泛应用于需要低制造成本和低重量的协作机器人。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法。

本发明是这样实现的，一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器，所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器设置有：

弹性元件；

弹性元件包括外环、内环、柔性筋；

弹性元件的外环和内环之间通过两条柔性筋连接；两个光电式位移传感器安装在弹性元件内部空间中并且安装方向相反；

柔性筋设有挡光片安装孔；挡光片安装孔通过螺钉将挡光片正固定在第一柔性筋上，将挡光片逆固定在第二柔性筋上，挡光片正对应一个通过支撑座正安装在外环上的光电位移传感器；

挡光片逆对应一个通过支撑座逆安装在外环上的光电位移传感器，柔性筋上挡光片安装孔的位置应使挡光片正和挡光片逆挡光部分处在光电式位移传感器的中心位置。

进一步，所述外环上设有光电式开关支撑座安装槽，支撑座正安装在支撑座正安装槽上，支撑座逆安装在支撑座逆安装槽上。

进一步，所述柔性筋由两条曲线与内外环闭合而成，由两端向中间均匀变窄，并且关于弹性元件中心对称，几何回转范围0°～270°。

进一步，所述支撑座正与挡光片正组合使用，支撑座逆与挡光片逆组合使用，挡光片正和挡光片逆的几何形状镜像对称，工作方向相反；不同位置的光电位移传感器所测量的位移方向相反。

进一步，所述外环和内环之间通过两条柔性筋连接；外环沿周向设有多个外法兰安装孔，内环沿周向设有多个内法兰安装孔，外法兰安装孔与柔性机械臂关节输出端相连，内法兰安装孔与柔性机械臂关节输入端相连。

本发明的另一目的在于提供一种所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的使用方法，所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的使用方法包括：

当机械臂关节受到正向力矩作用时，负载力矩使得弹性元件的内环相对于外环发生相对位移，第一柔性筋受到拉力产生弹性变形的同时带动挡光片正运动，第一光电式位移传感器检测到挡光片正的位移量，转化为正向力矩M_(z+)信息输出；当机械臂关节受到反向力矩作用时，第二柔性筋受到压力产生弹性变形的同时带动挡光片逆反向运动，第二光电式位移传感器检测到挡光片逆的位移量，转化为反向力矩M_(z-)信息输出。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的机器人一体化关节***。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的机器人。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明的弹性元件中采用两条柔性筋连接，通过变曲率的方式延长柔性筋的长度，极大的增加了弹性元件的柔性，极好的解决了传统的力矩传感器柔性不足的缺点。

本发明利用光电式位移传感器作为检测柔性筋的传感器，***响应速度快、测量精度高、误差小，光电式位移传感器安装在弹性元件内部，极大减小了装置的外形尺寸。

本发明的抗电磁干扰能力强，稳定性高；将两个光电式位移传感器反向安装，能够实现对正反两个方向上载荷的测量；过载能力高、成本低、易安装，同时集成了力矩传感器和弹性驱动器的优点，具有良好的力矩测量和柔性驱动特性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法

图2是本发明实施例提供的中弹性元件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的光电式位移传感器安装定位装置示意图；

图4是本发明实施例提供的力矩测量示意图；

图中：1、弹性元件；2、第一光电式位移传感器；3、支撑座正；4、挡光片正；5、支撑座逆；6、第二光电式位移传感器；7、挡光片逆；8、外环；9、内环；10、第一柔性筋；11、挡光片正安装孔；12、支撑座正安装槽；13、第二柔性筋；14、挡光片逆安装孔；15、支撑座逆安装槽；16、外法兰安装孔；17、内法兰安装孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明为了克服现有技术中力矩传感器柔性不足，使用弹性元件作为基体测量力矩信息时测量方式存在的缺陷，提供了一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器装置。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器包括弹性元件1、光电式位移传感器2、支撑座正3、支撑座逆5、挡光片正4、挡光片逆7，所述弹性元件1包括外环8、内环9、柔性筋10。弹性元件1通过两条柔性筋10连接。

柔性筋10设有挡光片安装孔；挡光片安装孔通过螺钉将挡光片正4固定在第一柔性筋上，将挡光片逆7固定在第二柔性筋上，挡光片正4对应一个通过支撑座正3安装在外环8上的光电位移传感器2。挡光片逆7对应一个通过支撑座逆5安装在外环8上的光电位移传感器6，柔性筋10上挡光片安装孔的位置应使挡光片正4和挡光片逆7挡光部分处在光电式位移传感器的中心位置；外环8上设有光电式开关支撑座安装槽，支撑座正3安装在支撑座正安装槽12上，支撑座逆5安装在支撑座逆安装槽15上。

在本发明的优选实施例中，柔性筋10是由两条曲线与内外环闭合而成，由两端向中间均匀变窄，并且关于弹性元件1是中心对称，几何回转范围0°～270°。

在本发明的优选实施例中，支撑座正3与挡光片正4组合使用，支撑座逆5与挡光片逆7组合使用，挡光片正4和挡光片逆5的几何形状镜像对称，工作方向相反；不同位置的光电位移传感器2所测量的位移方向相反。

在本发明的优选实施例中，外环8和内环9之间通过两条柔性筋10连接，外环8沿周向设有多个外法兰安装孔16，内环9沿周向设有多个内法兰安装孔17，外法兰安装孔16与柔性机械臂关节输出端相连，内法兰安装孔17与柔性机械臂关节输入端相连。

在本发明的优选实施例中，弹性元件1采用弹簧钢50CrVA。

本发明当机械臂关节受到正向力矩作用时，负载带动弹性元件1的外环8相对于内环9发生相对位移，第一柔性筋10受到拉力产生弹性变形的同时带动挡光片正4运动，第一光电式位移传感器2检测到挡光片正的位移量，根据胡克定律将其转化为正向力矩M_(z+)信息输出；当机械臂关节受到反向力矩作用时，第二柔性筋13受到压力产生弹性变形的同时带动挡光片逆7反向运动，第二光电式位移传感器6检测到挡光片逆的位移量，将其转化为反向力矩M_(z-)信息输出。

本发明的光电式位移传感器的型号选择RPI-131，该光电位移传感器的外形尺寸为4.2*4.2*5.2mm，体积小便于集成在关节内部，其纵向线性测量范围为0.7mm～1.4mm，量程为0.7mm。该光电式力矩传感器线性测量范围大，能够提供很大的过载保护空间，测量精度高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器，其特征在于，所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器设置有：

弹性元件；

弹性元件包括外环、内环、柔性筋；

弹性元件的外环和内环之间通过两条柔性筋连接；两个光电式位移传感器安装在弹性元件内部空间中并且安装方向相反；

柔性筋设有挡光片安装孔；挡光片安装孔通过螺钉将挡光片正固定在第一柔性筋上，将挡光片逆固定在第二柔性筋上，挡光片正对应一个通过支撑座正安装在外环上的光电位移传感器，挡光片逆对应一个通过支撑座逆安装在外环上的光电位移传感器；

柔性筋上挡光片安装孔的位置应使挡光片正和挡光片逆挡光部分处在光电式位移传感器的中心位置。

2.如权利要求1所述的用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器，其特征在于，所述外环上设有光电式开关支撑座安装槽，支撑座正安装在支撑座正安装槽上，支撑座逆安装在支撑座逆安装槽上。

3.如权利要求1所述的用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器，其特征在于，所述柔性筋由两条曲线与内外环闭合而成，由两端向中间均匀变窄，并且关于弹性元件中心对称，几何回转范围0°～270°。

4.如权利要求1所述的用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器，其特征在于，所述支撑座正与挡光片正组合使用，支撑座逆与挡光片逆组合使用，挡光片正和挡光片逆的几何形状镜像对称，工作方向相反；不同位置的光电位移传感器所测量的位移方向相反。

5.如权利要求1所述的用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器，其特征在于，所述外环和内环之间通过两条柔性筋连接；外环沿周向设有多个外法兰安装孔，内环沿周向设有多个内法兰安装孔，外法兰安装孔与柔性机械臂关节输出端相连，内法兰安装孔与柔性机械臂关节输入端相连。

6.一种如权利要求1所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的使用方法，其特征在于，所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的使用方法包括：

当机械臂关节受到正向力矩作用时，负载力矩使得弹性元件的内环相对于外环发生相对位移，第一柔性筋受到拉力产生弹性变形的同时带动挡光片正运动，第一光电式位移传感器检测到挡光片正的位移量，转化为正向力矩M_(z+)信息输出；当机械臂关节受到反向力矩作用时，第二柔性筋受到压力产生弹性变形的同时带动挡光片逆反向运动，第二光电式位移传感器检测到挡光片逆的位移量，转化为反向力矩M_(z-)信息输出。

7.一种应用权利要求1～5任意一项所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的机器人一体化关节***。

8.一种应用权利要求1～5任意一项所述用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器的机器人。