CN110216717A - 一种协作机器人表面覆盖式触觉传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业机器人技术领域，公开了一种协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，包括：形变机构，用于覆盖在协作机器人的待测部件上，形变机构响应于施加在形变机构的外部接触力产生与外部接触力相对应的形变量；传动放大结构，与形变机构相连，用于将形变机构产生的形变运动进行传动，并放大形变机构的形变量得到传动放大结构的位移量。传动放大结构起放大作用，将形变机构的形变运动进行传动，并放大形变机构的形变量得到传动放大结构的位移量，进而将外部接触力转换为容易测量、直观的量，本发明结构简单，易于大规模配置，方便测量外部接触力。

Description

一种协作机器人表面覆盖式触觉传感装置

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及一种协作机器人表面覆盖式触觉传感装置。

背景技术

随着机器人领域的不断发展，工业机器人的一个发展方向是协作机器人。协作机器人是一种能够和操作人员在同一个工作空间内共同工作的机器人，因此，机器人必须具备感受外界接触的能力。

目前机器人感受外界接触的形式主要有以下几种，一种是通过测量关节力矩，通过动力学方程来确定与外界的接触力，通常使用关节安装力矩传感器反馈、电流反馈等方式进行关节力的估计；另一种是通过在机器人表面覆盖电子皮肤传感器的方式，能够有效的检测机器人与外界环境的接触。电子皮肤传感器能够精确的定位碰撞的位置，精确的测量接触的力度，具有效果较好、响应快等特点，但是由于使用材料、制作工艺等原因，使得电子皮肤传感器的造价非常高，目前也只是处于实验室的研究阶段并没有成熟的产品出现，更没有在工业现场得到进行应用。

为了能够有效的检测碰撞、降低成本，提出一种通过机械传动方式的表面覆盖式检测传感器。将覆盖在机械臂表面的材料变形通过机械传动结构进行传动和转换，将变形量转换为更加容易测量、直观的量，通过分析来实现接触点位置以及接触力强度的辨识。该方法结构简单，器件容易得到且价格低廉，并且能够达到检测外界接触目的，易于大规模配置。

因此，如何将施加于机械臂的变形量进行传动放大成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何将施加于机械臂的变形量进行传动放大。

为此，根据第一方面，本发明实施例公开了一种协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，包括：形变机构，用于覆盖在协作机器人的待测部件上，所述形变机构响应于施加在形变机构的外部接触力产生与外部接触力相对应的形变量；传动放大结构，与形变机构相连，用于将形变机构产生的形变运动进行传动，并放大形变机构的形变量得到传动放大结构的位移量。

可选地，还包括：位移检测传感器，设置于传动放大结构的输出端，用于检测传动放大结构输出的位移量，并将其转换得出施加于形变机构的外部接触力。

可选地，形变机构包括：上法兰盘，其为圆环形结构；下法兰盘，平行设置于上法兰盘的一端，其为圆环形结构；钢丝网，钢丝网用于传递外部接触力，并将外部接触力转换为钢丝网的形变量。

可选地，钢丝网包括：钢丝，其一端与下法兰盘固定相连，另一端穿过上法兰盘；钢丝之间呈交叉设置。

可选地，传动放大结构包括：第一法兰盘，设置于上法兰盘的内侧；杠杆机构，设置于第一法兰盘的一端，用于输入形变机构产生的形变量并将其放大后输出。

可选地，杠杆机构包括：弹性件，设置于形变机构上，用于传递外部接触力对形变机构产生的形变量；杠杆，其一端与弹性件固定连接，杠杆用于传动放大形变机构的形变量，杠杆的另一端放大输出弹性件的形变量；杠杆支点，设置于杠杆靠近弹性件的一侧，用于支撑杠杆。

可选地，弹性件为弹簧。

本发明具有以下有益效果：形变机构与传动放大结构相连，外部接触力施加于形变机构时，形变机构起感知作用，形变机构因受到外部接触力而产生变形，进而将外部接触力转换为形变机构的形变量，由于传动放大结构起放大作用，将形变机构的形变运动进行传动，并放大形变机构的形变量得到传动放大结构的位移量，进而将外部接触力转换为容易测量、直观的量，本发明结构简单，易于大规模配置，方便测量外部接触力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例公开的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置的整体结构示意图；

图2是本发明实施例公开的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置中钢丝网的结构示意图；

图3是本发明实施例公开的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置中杠杆机构连接示意图；

图4是本发明实施例公开的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置的传动示意图。

附图标记：1、形变机构；11、上法兰盘；12、下法兰盘；13、钢丝网；131、钢丝；2、传动放大结构；21、第一法兰盘；22、杠杆机构；221、弹性件；222、杠杆、223、杠杆支点；3、位移检测传感器；4、机械臂。

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，以下结合附图及实施例，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

一种协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，如图1所示，包括：形变机构1与传动放大结构2，形变机构1用于覆盖在协作机器人的待测部件上，形变机构1响应于施加在形变机构1的外部接触力产生与外部接触力相对应的形变量；传动放大结构2与形变机构1相连，传动放大结构2用于将形变机构1产生的形变运动进行传动，并放大形变机构1的形变量得到传动放大结构2的位移量。

需要说明的是，形变机构1与传动放大结构2相连，外部接触力施加于形变机构1时，形变机构1起感知作用，形变机构1因受到外部接触力而产生变形，进而将外部接触力转换为形变机构1的形变量，由于传动放大结构2起放大作用，将形变机构1的形变进行放大传动，并放大形变机构的形变量得到传动放大结构的位移量，进而将外部接触力转换为容易测量、直观的量，本发明结构简单，易于大规模配置，方便测量外部接触力。

还包括：位移检测传感器3，位移检测传感器3设置于传动放大结构2的输出端，位移检测传感器3用于检测传动放大结构2输出的位移量，并将其转换得出施加于形变机构1的外部接触力。

需要说明的是，位移检测传感器3检测传动放大结构2输出的位移量，得到接触点的接触强度，进而将外部接触力转换为容易测量、直观的量，从而使机器人能快速感知外部接触。

如图1和图2所示，形变机构1包括：上法兰盘11、下法兰盘12与钢丝网13，上法兰盘11为圆环形结构；下法兰盘12平行设置于上法兰盘11的一端，下法兰盘12为圆环形结构；钢丝网13用于传递外部接触力，并将外部接触力转换为钢丝网13的形变量。

需要说明的是，钢丝网13的两端分别与上法兰盘11以及下法兰盘12相连，当外部接触力作用于钢丝网13上，钢丝网13受力会产生变形，进而将外部接触力转换为钢丝网13的形变量。

如图1和图2所示，钢丝网13包括：钢丝131，其一端与下法兰盘12固定相连，另一端穿过上法兰盘11；钢丝131之间呈交叉设置。

需要说明的是，钢丝131之间交叉设置形成钢丝网13，外部接触力作用于钢丝网13上时，钢丝131受到挤压，进而使钢丝131产生变形，从而将外部接触力转换为钢丝网13的形变量。

如图4所示，传动放大结构2包括：第一法兰盘21与杠杆机构22，第一法兰盘21设置于上法兰盘11的内侧；杠杆机构22其一端与上法兰盘11相连，，杠杆机构22另一端用于输入形变机构1产生的形变量并将其放大后输出。

需要说明的是，形变机构1与传动放大结构2相连，外部接触力施加于形变机构1时，形变机构1起感知作用，将外部接触力转换为形变机构1的形变量，由于传动放大结构2起放大作用，将形变机构1的形变量进行放大处理，位移检测传感器3检测传动放大结构2输出的位移量，得到接触点的接触强度，进而将外部接触力转换为容易测量、直观的量，从而使机器人能快速感知外部接触。

如图4所示，杠杆机构22包括：弹性件221、杠杆222与杠杆支点223，弹性件221设置于形变机构1上，弹性件221用于传递外部接触力对形变机构1产生的形变量；杠杆222的一端与弹性件221固定连接，杠杆222用于传动放大形变机构1的形变量，杠杆222的另一端放大输出弹性件221的形变量；杠杆支点223设置于杠杆222靠近弹性件221的一侧，杠杆支点223用于支撑杠杆222。在具体实施例中，通过杠杆机构22将钢丝131的位移量进行放大，可降低对位移检测传感器3的测量精度要求。

需要说明的是，形变机构1与传动放大结构2相连，外部接触力施加于形变机构1时，形变机构1起感知作用，将外部接触力转换为形变机构1的形变量，由于位移检测传感器3起检测作用，位移检测传感器3检测形变机构1的形变量，并通过杠杆222的放大作用将形变机构1的形变量进行放大处理，得到接触点的接触强度，进而将外部接触力转换为容易测量、直观的量，从而使机器人能快速感知外部接触。

如图3和图4所示，弹性件221为弹簧。在具体实施例中，弹簧的一端与上法兰盘11焊接，弹簧的另一端与杠杆222焊接。

需要说明的是，弹簧始终处于压缩状态，当钢丝131受到外部接触力时，钢丝131受到拉力，带动杠杆222沿弹簧的下侧方向进行移动，进而压缩弹簧，通过杠杆222的移动，将钢丝131的变形量转换为杠杆222的位移量，且杠杆机构22的输入量等于弹簧的形变量，由于杠杆支点223的支撑作用，杠杆222对钢丝131的变形量进行放大。

如图1所示，协作机器人本体包括：机械臂4，套设于形变机构1内，用于实现协作机器人本体的动作。

需要说明的是，机械臂4套设于形变机构1内，钢丝网13和机械臂4之间安装时保留一定间隙，以保证钢丝131有一定变形空间，从而使钢丝网13能更好的感知外部接触力，提高了形变机构1的适应性。

工作原理：钢丝网13的一端与下法兰盘12焊接，钢丝131的另一端与上法兰盘11活动连接，当外部接触力作用于钢丝网13时，钢丝网13因受力而产生变形，钢丝网13的接触点由于受力进行凹陷，该接触点处对应的钢丝131受到拉力而运动，钢丝131带动杠杆222运动，进而使弹簧受力压缩，并通过杠杆支点223的支撑作用，再通过杠杆222的运动传递，将钢丝网13的变形量进行放大，通过位移检测传感器3检测由杠杆222放大后的位移量；由于安装完成后的传感器位置固定，因此可以通过判断杠杆222的最大位移变化量，以及相互交叉的两根钢丝131来确定受力点的位置，已知杠杆222的位移量和弹簧的弹性系数，从而可测试得到接触点处钢丝131的受力，最终可经过处理转换成接触点的受力强度；当钢丝131的密度越高时，协作机器人表面覆盖式触觉传感装置的分辨率也越高。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种协作机器人表面覆盖式传感装置，其特征在于，包括：

形变机构(1)，用于覆盖在协作机器人的待测部件上，所述形变机构(1)响应于施加在所述形变机构(1)的外部接触力产生与所述外部接触力相对应的形变量；

传动放大结构(2)，与所述形变机构(1)相连，用于将所述形变机构(1)产生的形变运动进行传动，并放大所述形变机构(1)的形变量得到所述传动放大结构(2)的位移量。

2.根据权利要求1所述的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，其特征在于，还包括：

位移检测传感器(3)，设置于所述传动放大结构(2)的输出端，用于检测传动放大结构(2)输出的位移量，并将其转换得出施加于所述形变机构(1)的外部接触力。

3.根据权利要求1所述的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，其特征在于，所述形变机构(1)包括：

上法兰盘(11)，其为圆环形结构；

下法兰盘(12)，平行设置于所述上法兰盘(11)的一端，其为圆环形结构；

钢丝网(13)，所述钢丝网(13)用于传递外部接触力，并将外部接触力转换为所述钢丝网(13)的形变量。

4.根据权利要求3所述的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，其特征在于，所述钢丝网(13)包括：

钢丝(131)，其一端与所述下法兰盘(12)固定相连，另一端穿过所述上法兰盘(11)；所述钢丝(131)之间呈交叉设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，其特征在于，所述传动放大结构(2)包括：

第一法兰盘(21)，设置于所述上法兰盘(11)的内侧；

杠杆机构(22)，其一端与所述上法兰盘(11)相连，另一端用于输入所述形变机构(1)产生的形变量并将其放大后输出。

6.根据权利要求5所述的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，其特征在于，所述杠杆机构(22)包括：

弹性件(221)，设置于所述形变机构(1)上，用于传递外部接触力对所述形变机构(1)产生的形变量；

杠杆(222)，其一端与所述弹性件(221)固定连接，所述杠杆(222)用于传动放大所述形变机构(1)的形变量，所述杠杆(222)的另一端放大输出所述弹性件(221)的形变量；

杠杆支点(223)，设置于所述杠杆(222)靠近所述弹性件(221)的一侧，用于支撑所述杠杆(222)。

7.根据权利要求6所述的协作机器人表面覆盖式触觉传感装置，其特征在于，所述弹性件(221)为弹簧。