CN111829714B - 多自由度力和力矩传感器及机器人 - Google Patents

Abstract

提供一种多自由度力和力矩传感器。该多自由度力和力矩传感器包括第一刚性板，第二刚性板，多个连接在第一刚性板和第二刚性板之间的弹性件，以及设置在第一刚性板和第二刚性板之间的信号对，该些信号对被配置为检测第一和第二刚性板在多个方向上的相对位移。

Description

多自由度力和力矩传感器及机器人

技术领域

本申请涉及力和力矩传感器技术，更为具体地，涉及多自由度力和力矩传感器以及机器人。

背景技术

大多数现有的力和力矩传感器使用基于接触的应变计，将由整体力和/或力矩引起的局部结构应变，转换为随后会被放大的电信号。应变计通常被粘合在这些局部结构上，通过应变计对形变的敏感而获得相应的电信号，从而最终确定施加到力和力矩传感器上的力和力矩。比如申请号为201210589784.7的中国申请即公开了这类具有粘合在机械结构上的应变组件的六维力和力矩传感器。但是，每个应变计只对独特的变形模式敏感，对其它变形则不敏感。这使得这些传感器无法广泛应用于机器人、自动化行业，以及实验室。

最近有一些产品和研究集中在非接触传感方法，如电容、电感和光学解决方案，例如公开号为KR1020130126082A的韩国申请，以及专利号为US10260970B2的美国专利都公开了这类力和力矩传感器。与将形变转换为电信号的转换部件(如，应变计)设置在形变最为剧烈的局部结构处不同，这类方案是将转换部件放置在具有最大位移的位置处并将感测到的位移转换为电信号。对于不同的应用场景，可能需要三个正交力和三个正交力矩的不同的总范围，据此所需要的机械结构要被设计为具有平衡这些力和力矩的能力。然而，很少有现有技术能够证明它的设计具有这样的能力。实际上，不同的力和力矩引起的结构变形是严重耦合的，因此很难在不影响其它力和力矩的情况下，单独调整传感器对应单个力和力矩的检测能力。

因此，有必要对六自由度的力和力矩传感器做出改进。

发明内容

下文将对本申请的各方面做简要描述以提供对这些方面的最基本的理解。该申请内容并非对所有预期方面的广泛概述，其既不意在标识出所有方面的重要或关键要素也不意在界定任何或所有方面的范围，仅在于以简化的形式呈现一个或多个方面的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的开始。

根据本申请的一个方面，提供了一种多自由度力和力矩传感器。该多自由度力和力矩传感器可包括第一刚性板；第二刚性板；连接在第一刚性板和第二刚性板之间的多个弹性件；以及设置于所述第一刚性板和所述第二刚性板之间的信号对，被配置为用于检测所述第一刚性板和所述第二刚性板在多个方向上的相对位移。各该多个弹性件可以包括第一柱状部和第二柱状部，其中，所述第一柱状部的第一端连接到所述第一刚性板，所述第二柱状部的第一端连接到所述第二刚性板，所述第一柱状部和所述第二柱状部均基本上沿所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向延伸。各该弹性部件还包括连接部，该连接部用于连接第一柱状部和第二柱状部，并且该连接部的至少一部分大体沿垂直于该多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向延伸。

根据本申请的又一个方面，提供了又一种多自由度力和力矩传感器。该多自由度力和力矩传感器包括第一刚性板；第二刚性板；连接在第一刚性板和第二刚性板之间的多个弹性件；设置于所述第一刚性板和所述第二刚性板间的信号对，被配置为用于检测所述第一刚性板和所述第二刚性板在多个方向上的相对位移；其中，所述多个弹性件被布置在第一刚性板和第二刚性板的边缘部分。各该弹性件可包括第一柱状部和第二柱状部，其中，所述第一柱状部的第一端与所述第一刚性板连接，所述第二柱状部的第一端与所述第二刚性板连接，并且所述第一柱状部和所述第二柱状部基本上沿所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向延伸。各该弹性件还包括用于连接第一柱状部和第二柱状部的连接部。该连接部被成形为该连接部的第一长度大于其在所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向上的高度，其中，该第一长度是该连接部到垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的平面上的投影的长度。

根据本申请的再一个方面，还提供一种机器人。所述机器人包括依次连接的多个连杆和末端执行器，其中，所述末端执行器包括如上所述的任意一种多自由度力和力矩传感器。

附图说明

下文将结合附图对本申请的实施例做详细描述，可参照其更好地理解本申请，其中：

图1是根据本申请一个实施例的多自由度力和力矩传感器的示意性视图。

图2是示例性弹性件的横截面示意图，其可用于根据图1所示的多自由度力和力矩传感器。

图3示意性地示出了半环形连接部的截面图。

图4示意性地示出了根据本申请一种示例的连接部的横截面示意图。

图5示意性地示出了根据本申请的又一示例的连接部的横截面示意图。

图6示意性地示出了根据本申请的再一示例的连接部的横截面示意图，其中，连接部为梁形。

图7是根据本申请实施例的另一种用于多自由度力和力矩传感器的弹性件的示意图。

图8示意性地示例出了图7所示的连接部803的截面图。

图9是根据本申请的一个实施例的多自由度力和力矩传感器200的透视图。

图10示出了根据本申请的实施例的包括多自由度力和力矩传感器的示例性机器人900。

具体实施方式

下文结合附图的详细描述意在对各种不同的配置进行描述，而不是表示它们是可以实施本文所述概念的唯一配置。所给出的详细描述包括为提供对各种概念的透彻理解具体细节。但显然，对于本领域技术人员而言，可在没有这些具体细节的情况下实现这些概念。

图1是根据本申请的一个实施例的多自由度力和力矩传感器100的示意性视图。如图所示，多自由度力和力矩传感器100包括第一刚性板10、第二刚性板20、多个弹性件30和多个信号对(未示出)。多个弹性件30设置在第一刚性板10和第二刚性板20之间，其中，各弹性件30例如经由其一端连接到第一刚性板10，经由其另一端连接到第二刚性板20。多个信号对布置于第一刚性板10和第二刚性板20上以检测该两个板的相对位移。

在一个示例中，在外力作用于多自由度力和力矩传感器100时，第一刚性板10和第二刚性板20由于其较高的刚性而保持形状基本不变，弹性件30则可能在水平和/或垂直方向上发生偏转、变形，这使得第一刚性板10和第二刚性板20发生相对移动。其中，弹性件30的材料通常为金属材料，例如不锈钢，但在一些实施例中也可以使用塑料或橡胶等其他材料。所布置的信号对能检测第一刚性板10和第二刚性板20的相对移动。

图2是示例性弹性件的横截面示意图，其可用于根据图1所示的多自由度力和力矩传感器100。如图2所示，弹性件30包括第一柱状部301、第二柱状部302和连接部303。第一柱状部301经由其第一端301a连接至第一刚性板10，第二柱状部302经由其第一端302a连接至第二刚性板20。第一柱状部301经由其第二端301b连接至连接部303，第二柱状部302经由其第二端302b连接至连接部303。如图所示，第一柱状部301和第二柱状部302被配置成基本上沿多自由度力和力矩传感器100的轴向方向延伸。为方便描述，图2示出了与传感器100关联的包括X、Z轴的坐标系，其中，Z轴与多自由度力和力矩传感器100的轴向方向平行。Y轴没有示出，但应应理解到，Y轴垂直于X轴和Z轴构成的平面，X、Y和Z轴在本文中有时也描述为X、Y和Z方向，垂直于Z轴的平面也称为XY平面。

应当理解，表述“基本上沿多自由度力和力矩传感器100的轴向方向延伸”是指第一柱状部301和第二柱状部302在沿多自由度力和力矩传感器100的轴向方向延伸时可在一定范围内偏离该轴向方向。此外，术语“柱状部”在本申请中指的是布置在刚性板和连接部之间的构件，柱状是其可实现的形状之一，但并不受限于此，例如，柱状部301、302可以为沿多自由度力和力矩传感器100的轴向方向延伸的螺旋状结构等。根据该示例，连接部303的至少一部分在基本垂直于多自由度力和力矩传感器100的轴向方向上延伸，即图中坐标系的XY平面上延伸。

在一些实施例中，连接部具有环形。图2所示的连接部为环形。如图2所示，连接部303外表面的一侧连接到第一柱状部301的第二端301b，连接部303的外表面的另一侧连接到第二柱状部302的第二端302b。图3示意性地示出了半环形连接部403的截面图。如图所示，半环形连接部403的一端连接到第一柱状部301的第二端301b，连接部403的另一端连接到第二柱状部302的第二端302b。

在一些示例中，连接部可包括第一部分和第二部分，其中，第一部分在基本垂直于多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向上延伸。图4示意性地示出了根据该示例的一种连接部503的横截面示意图。如图4所示，第一部分501在基本上垂直于多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向延伸，即在图中坐标系的XY平面上延伸；第二部分502a和502b分别从第一部分501延伸到第二柱状部302的第二端302b。例如，第二部分502a和502b分别从第一部分501的两端延伸到第二柱状部302的第二端302b。第一柱状部301连接到该第一部分501的中间。图5示意性地示出了根据该示例的又一种连接部603的横截面示意图。如图5所示，第一部分包括第一子部分601a和第二子部分601b，第一子部分601a连接到第一柱状部301的第二端301b而第二子部分601b连接到第二柱状部302b的第二端302b。第一子部分和第二子部分601a、601b各自在大体垂直于多自由度力和力矩传感器100的轴向方向的方向上延伸，即在图中坐标系的XY平面上延伸。第二部分602连接在第一子部分601a和第二子部分601b之间。在图5所示的示例中，第二部分602连接到第一子部分601a和第二子部分601b位于不同延伸方向的端部，实际应用中，并不以此为限，且第二部分602可被构造为所需的任意合适形状。

图6示意性地示出了连接部的一种可替代示例的横截面示意图，其中，连接部为梁形。如图6所示，连接部703为基本上垂直于多自由度力和力矩传感器100的轴向方向的梁，即，基本上位于图中坐标系的XY平面上的梁。连接部703的一侧连接第一柱状部301，与该一侧相对的另一侧连接第二柱状部302。

应理解，图3、4、5、和6所示的连接部仅用于示意性地说明该连接部的不同变形，而不是给出该连接部的准确形状和比例。

根据本申请的一些示例，可将多个弹性件布置在第一刚性板10和第二刚性板20的边缘部分。而在本申请的另一些实施例中，可以将多个弹性件布置在靠近第一刚性板10和第二刚性板20中心的位置。当弹性件靠近刚性板10和20的中心布置时，传感器100对力矩的感测能力较小，而当弹性件靠近刚性板10和20的边缘部分布置时，传感器100对力矩的感测能力较大。通过调整弹性件在传感器100上的径向位置，可以将传感器100对力矩的感测能力和对力的感测能力调整至合适的比例。

参考图1，多个弹性件30被布置在多自由度力和力矩传感器100的第一刚性板10和第二刚性板20的边缘部分。各弹性件30具有基本沿着多自由度力和力矩传感器100的轴向方向延伸的第一柱状部301和第二柱状部302，还有基本沿垂直于多自由度力和力矩传感器100轴向方向的方向延伸的连接部303。

当施加力到多自由度力和力矩传感器100时，弹性件30在Z方向、X方向或y方向变形(可参照图2～图6)。在X方向和Y方向的变形使得设置在多自由度力和力矩传感器100上的信号对能感测X方向和Y方向的力以及围绕Z轴的力矩。在Z方向的变形使得多自由度力和力矩传感器100的信号对能感测绕X轴和Y轴的力矩，以及沿Z方向的力。在对多自由度力和力矩传感器100有不同的力和力矩感测范围的要求的情况下，可通过调整两个柱状部301和302，以及连接部303各自在Z轴的高度、XY平面上的长度等来适应该要求。

根据本申请的又一些实施例，连接部被成形为连接部的第一长度L大于该连接部沿多自由度力和力矩的轴向方向的高度H，其中，第一长度L是连接部在垂直于多自由度力和力矩传感器的轴向方向的平面上的投影的长度。参照图1和图7，该多传感器力和力矩传感器包括第一刚性板10、第二刚性板20和多个弹性件30，弹性件30连接在第一刚性板10和第二刚性板20之间。多个弹性件30中的每一个包括第一柱状部301和第二柱状部302。第一柱状部301的第一端301a与第一刚性板10连接，第二柱状部302的第一端302a与第二刚性板20连接。第一柱状部301和第二柱状部302各自基本上沿着多自由度力和力矩传感器10的轴向方向延伸，即，基本上沿着图中坐标系的Z轴。连接部803连接到第一柱状部301的第二端301b和第二柱状部302的第二端302b。根据本实施例，连接部803的形状使得连接部803的第一长度L大于它沿多自由度力和力矩传感器100的轴向方向的高度H，其中，第一长度L是连接部803在垂直于多自由度力和力矩传感器100的轴向方向的平面(即，图中坐标系的XY平面)上的投影的长度。设置在第一刚性板10和第二刚性板20间的多个信号对(未示出)被配置成检测第一刚性板10和第二刚性板20在多个方向上的相对位移。根据本申请，上文结合图2～图6所描述的连接部的形状也适用于结合图1和图7所描述的多自由度力和力矩传感器，只要确保第一长度L大于高度H即可，就不再一一赘述连接部的各种变型。

图8示意性地示例出了图7所示的连接部803的截面图。如图8所示，接触端3036设置在连接部303的外表面的一侧，另一接触端3038设置在连接部303的外表面的另一侧。第一柱状部301的第二端301b经由接触端3036连接到连接部303。第二柱状部302的第二端302b经由连接端3038连接到连接部303。

使连接部303具有相对较长的第一长度L和相对较短的高度H意味着连接部303的大部分在垂直于多自由度力和力矩传感器100轴向方向的方向上延伸，小部分在多自由度力和力矩传感器100的轴向方向上延伸。如此，连接部303由于其大部分在XY平面上延伸而产生的梁弯曲效应而有助于它在Z方向上的偏转。连接部303的所述大部分越薄越长，它在Z方向的刚度就越低。如图7所示，对于在X方向的偏转，连接部803主要是在XY平面上旋转，连接部803和两个柱状部之间的连接的刚度决定了该旋转的阻力；对于在Y方向的偏转，连接部(i)可绕X轴扭曲变形，同时(ii)绕Z轴弯曲。下面将以如图7所示的环形连接部为例。在该示例中，该环形连接部包括长环形部，且该连接部有助于沿Y方向的梁弯曲；该环形在Z方向上越厚且在Y方向上越薄(即，在XZ平面上类似带状)越容易在Y方向上发生梁弯曲偏转(对应于前面提到的(i)情况)；该环形在Y方向上越厚且在Z方向上的厚度越小(即，在XY平面上类似带状)，更容易绕X轴以扭曲(或屈曲)的形式偏转(对应于前面提到的(ii)情况)。

可选地，在以上各示例中，可将弹性件设置在第一刚性板和第二刚性板的边缘部分，这有助于降低传感器对力矩的阻力，增大针对力矩的感测范围。简单讲，弹性件的位置可能影响多自由度力和力矩传感器的刚性和感测范围，当弹性件被朝向多自由度力和力矩传感器的中心位置放置时，沿Z轴的刚度和感测范围不受影响，但绕X轴和Y轴的力矩性能将因力矩臂变短而被削弱；该原理同样适用于沿X和Y方向的力以及绕Z轴的力矩。

可以理解，施加在多自由度力和力矩传感器上的外力和力矩均可转换为弹性件上的局部垂直力和水平力，因此可调整第一柱状部、第二柱状部和连接部的形状以及它们之间的连接来适应这些局部力。

在以上各实施例和示例中，信号对例如可以设置在第一刚性板10和第二刚性板20之间，并且可以与弹性件30平行设置。信号对包括信号发射器和信号接收器。示例地，如果设置了6个信号通道，则其中3个通道可用于感测两个刚性板之间的相对水平位移，另外3个通道可用于感测两个刚性板之间的垂直位移，从而根据这些数据计算出传感器在X、Y、Z三个方向上的承受力以及承受的绕X、Y、Z轴的力矩。应当理解，本领域的技术人员可以传感器的实际结构确定信号对的具体安装方式，只要能实现上述功能即可，本申请不对信号对的具体安装方式和安装位置进行限定。

图9是根据本申请实施例的多自由度力和力矩传感器200的透视图。如图所示，传感器200包括第一刚性板11、第二刚性板22和六个弹性件33。六个弹性件33位于第一刚性板11和第二刚性板22之间，且位于它们的外缘，同时，弹性件33均连接到第一刚性板11和第二刚性板22。弹性件33可采用上文结合附图所描述的各弹性件，为简洁起见，将不再对其形状进行描述。根据图9所示的示例，在刚性板11和第二刚性板22之间设置信号对，部分信号对用于感测弹性件33的局部水平位移，部分信号对用于感测弹性件33的局部垂直位移。弹性件33的数量并不以六个为限制，可更多也可更少。

图10示出了根据本申请的实施例的包括多自由度力和力矩传感器的示例性机器人900。如图10所示，多个连接臂901和末端执行器902相继连接。末端执行器902包括多自由度力和力矩传感器，用于检测施加在末端执行器902上的外力和力矩。在此，多自由度力和力矩传感器可采用上文结合各示例所描述的多自由度力和力矩传感器，例如多自由度力和力矩传感器100或200。应当理解，在另一些实施例中，上述多自由度力和力矩传感器也可安装在机器人900的其它部件中，例如，多自由度力和力矩传感器可安装在机器人900的关节执行器中。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (15)

1.一种多自由度力和力矩传感器，其包括：

第一刚性板；

第二刚性板；

多个弹性件，其被连接在第一刚性板和第二刚性板之间，每个所述弹性件包括：

第一柱状部和第二柱状部，所述第一柱状部的第一端与所述第一刚性板连接，所述第二柱状部的第一端与所述第二刚性板连接，所述第一柱状部和所述第二柱状部基本上沿所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向延伸；以及

连接部，其被用于连接第一柱状部和第二柱状部，所述连接部的至少一部分大体沿垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向延伸，所述连接部被成形为该连接部的第一长度大于其在所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向上的高度，所述第一长度是所述连接部到垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的平面上的投影的长度；以及多个信号对，设置于所述第一刚性板和所述第二刚性板间，配置为检测所述第一刚性板和所述第二刚性板在多个方向上的相对位移。

2.根据权利要求1所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部为环形，所述连接部外表面的一侧连接所述第一柱状部的第二端而所述连接部外表面的相对侧连接所述第二柱状部的第二端。

3.根据权利要求1所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部为半环形，所述连接部的一端被连接到所述第一柱状部的第二端，所述连接部的另一端部被连接到所述第二柱状部的第二端。

4.根据权利要求1所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部包括第一部分和第二部分，所述第一部分在基本垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向上延伸且连接到所述第一柱状部的第二端，所述第二部分从所述第一部分的不同位置延伸到所述第二柱状部的第二端。

5.根据权利要求1所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括第一子部分和第二子部分，所述第一子部分连接到所述第一柱状部的第二端而所述第二子部分连接到所述第二柱状部的第二端，所述第一子部分和所述第二子部分均在基本垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向上延伸，所述第二部分连接在所述第一子部分和第二子部分之间。

6.根据权利要求1所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部为粱形，且基本垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向。

7.根据权利要求1所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述多个弹性件布置于所述第一刚性板和第二刚性板的边缘部分。

8.一种多自由度力和力矩传感器，其包括：

第一刚性板；

第二刚性板；

多个弹性件，其被连接在第一刚性板和第二刚性板之间，每个所述弹性件包括：

第一柱状部和第二柱状部，所述第一柱状部的第一端与所述第一刚性板连接，所述第二柱状部的第一端与所述第二刚性板连接，所述第一柱状部和所述第二柱状部基本上沿所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向延伸；以及

连接部，其连接在所述第一柱状部和第二柱状部之间，所述连接部被成形为该连接部的第一长度大于其在所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向上的高度，所述第一长度是所述连接部到垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的平面上的投影的长度；以及

多个信号对，设置于所述第一刚性板和所述第二刚性板间，配置为测量所述第一刚性板和所述第二刚性板在多个方向上的相对位移；以及

其中，所述多个弹性件布置于所述第一刚性板和第二刚性板的边缘部分。

9.根据权利要求8所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部为梁形，且基本垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向。

10.根据权利要求8所述的多自由度力和力矩传感器，其中，所述连接部为环形，其中，所述连接部的外表面的一侧连接到所述第一柱状部的第二端，所述连接部的外表面的相对侧连接到所述第二柱状部的第二端。

11.根据权利要求10所述的多自由度力和力矩传感器，其中，在所述连接部的外表面的所述一侧上设置有接触端而在所述连接部外表面的所述相对侧上设置有另一接触端，使得所述第一柱状部的所述第二端和所述第二柱状部的所述第二端分别连接到所述接触端和所述另一接触端。

12.一种机器人，其包括依次连接的多个连杆和末端执行器，其中，所述末端执行器包括多自由度力和力矩传感器，所述多自由度力和力矩传感器包括：

第一刚性板；

第二刚性板；

多个弹性件，其被连接在第一刚性板和第二刚性板之间，每个所述弹性件包括：

第一柱状部和第二柱状部，所述第一柱状部的第一端与所述第一刚性板连接，所述第二柱状部的第一端与所述第二刚性板连接，所述第一柱状部和所述第二柱状部基本上沿所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向延伸；以及

连接部，其被用于连接第一柱状部和第二柱状部，所述连接部的至少一部分大体沿垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的方向延伸，所述连接部被构造为其第一长度大于其沿着所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的高度，所述第一长度为所述连接部到垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向的平面上的投影的长度；以及

多个信号对，设置于所述第一刚性板和所述第二刚性板间，配置为测量所述第一刚性板和所述第二刚性板在多个方向上的相对位移。

13.根据权利要求12所述的机器人，其中，所述连接部为环形，所述连接部外表面的一侧连接所述第一柱状部的第二端而所述连接部外表面的相对侧连接所述第二柱状部的第二端。

14.根据权利要求12所述的机器人，其中，所述连接部为梁形，且基本垂直于所述多自由度力和力矩传感器的轴向方向。

15.根据权利要求12所述的机器人，其中，所述多个弹性件布置于所述第一刚性板和第二刚性板的边缘部分。

Images