CN115683434B - 适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，属于空间机器人技术领域。本发明是为了解决在提高六轴力/力矩测量装置的刚度和过载保护能力的同时，还能提高其测量灵敏度的问题。本发明采用柔性的分载梁承担大部分力/力矩载荷，在提高测量装置刚度的同时，还可以起到过载保护作用；采用特殊结构的T性敏感梁承担小部分力/力矩载荷，起检测和测量作用。根据实际工作情况，合理分配分载梁和敏感梁的刚度比值，解决了高刚度、大过载与灵敏度之间的矛盾关系，从而更适用于尺蠖爬行的空间机械臂。本发明主要用于测量尺蠖爬行的空间机械臂基座和末端的六轴力和力矩。

Description

适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置

技术领域

本发明属于空间机器人技术领域，涉及一种多轴力测量装置，具体是指适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置。

背景技术

随着航天技术的飞速发展，对于具有多传感器感知的空间机器人技术提出了更大挑战。传统基座固定在卫星或舱体表面的空间机器人显然已无法适应日益发展的技术需求，具备尺蠖爬行能力的空间机械臂是未来发展的趋势。作为空间机器人力觉感知最重要的一种传感器，六轴力/力矩测量装置可同时安装于机械臂的基座和末端。然而，在末端时，要求六轴力/力矩测量装置具有较高的灵敏度，在基座时，要求六轴力/力矩测量装置具有较高的刚度和较强的过载保护能力。因此，传统的仅适用于机器人末端的六轴力/力矩测量装置已无法满足要求。

专利公开号“CN103528726A”公开了一种具有过载保护功能的十字梁式六维力传感器，具体公开了在过载保护梁及外梁上均开有保护孔，保护销插在保护孔内并与过载保护梁通孔为过盈配合、与外环工艺通孔为间隙配合，间隙的大小可以调整，由过载要求而定，采用保护销来实现过载保护；通过保护梁和保护销的方式虽然可以实现被动过载保护，但是保护梁为实心结构，刚度大，其整体的灵敏度相对较低。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：在提高六轴力/力矩测量装置的刚度和过载保护能力的同时，还能提高其测量灵敏度的问题；进而提供一种适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，它包括同轴设置的下端盖、测量元件、上端盖和信息采集板；

所述的测量元件包括中心轮毂、若干个外环轮辋、若干个柔性梁、若干个分载梁、若干个敏感梁和若干个应变计；所述的若干个外环轮辋以中心轮毂的中轴线为轴周向均匀设置在中心轮毂的外侧；每个外环轮辋与中心轮毂之间通过一个分载梁进行连接；所述的分载梁为柔性铰链结构；相邻的两个外环轮辋之间设置一个敏感梁，所述敏感梁的两端与外环轮辋通过柔性梁进行连接，敏感梁朝向中心轮毂的一侧与中心轮毂进行连接；所述的敏感梁上开有通孔，每个敏感梁上粘贴有若干个应变计；

所述的上端盖置于下端盖的上方，且二者之间留有间隙；所述的测量元件和信息采集板置于上端盖内，上端盖的顶端连接在空间机械臂末端的作用器上，上端盖的底端与测量元件外环轮辋的底端进行连接，所述的信息采集板安装在测量元件的中心轮毂的顶端；所述的下端盖安装在测量元件的中心轮毂的底端。

进一步的，所述的敏感梁为T型梁结构，其包括内敏感梁和外敏感梁，所述的外敏感梁处于相邻的两个外环轮辋之间，外敏感梁与外环轮辋之间通过柔性梁进行一体连接；所述的内敏感梁处于外敏感梁与中心轮毂之间，内敏感梁的一端垂直连接在外敏感梁的内侧壁上，内敏感梁的另一端垂直连接在中心轮毂的外侧壁上。

进一步的，所述的内敏感梁上轴向开有一个内敏感梁孔。

进一步的，当内敏感梁孔为通孔时，在每个内敏感梁的两侧侧壁处分别并排粘贴两个应变计。

进一步的，当内敏感梁孔盲孔时，每个内敏感梁的上、下端面分别粘贴两个应变计。

进一步的，所述的外敏感梁上并排开有两个径向的外敏感梁孔，两个外敏感梁孔以内敏感梁为轴对称分布；所述的外敏感梁孔为通孔，每个外敏感梁的顶部和底部各粘贴两个应变计。

进一步的，所述的测量元件还包括若干个热敏电阻，在每个外敏感梁上两个外敏感梁孔之间的位置处安装一个热敏电阻。

进一步的，所述的分载梁为柔性铰链结构，可以为柔性铰链、U型铰链或球形铰链中的一种。

进一步的，所述的柔性梁为薄板梁，柔性梁的厚度小于其长度和宽度。

进一步的，所述的上端盖为圆筒状结构，所述上端盖顶端的外环面上设置有一圈连接耳Ⅰ，所述的连接耳Ⅰ上周向开有若干个连接通孔，所述上端盖的顶端通过连接耳Ⅰ上的连接通孔和螺栓连接在空间机械臂末端的作用器上；所述上端盖底端的内环面上设置有一圈连接耳Ⅱ，所述的连接耳Ⅱ上周向开有若干个连接通孔；所述上端盖的底端通过连接耳Ⅱ上的连接通孔和螺栓与测量元件的外环轮辋进行连接；

所述的下端盖为圆环形板状结构，所述的下端盖上靠近中心通孔的位置处开有一圈连接通孔，所述的下端盖通过其上的连接通孔和螺栓与测量元件的中心轮毂进行连接；所述下端盖的下端面上设置一圈连接环，所述连接环的下端面上开有连接通孔，所述的下端盖通过连接环上的连接通孔和螺栓与空间机械臂关节处进行连接。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明采用柔性的分载梁承担大部分力/力矩载荷，在提高测量装置刚度的同时，还可以起到过载保护作用；敏感梁承担小部分力/力矩载荷，起检测和测量作用。

2、本发明采用主动保护方式，根据实际工作情况，合理分配分载梁和敏感梁的刚度比值，在提高六轴力/力矩测量装置刚度的同时，为提高测量装置灵敏度，采用特殊结构的T性梁，即在敏感梁上开孔，降低其刚度，通过低刚度的敏感梁实现末端六轴力/力矩的精确检测，完成空间机械臂末端精细操作；本发明同时满足尺蠖爬行的空间机械臂对基座力矩测量装置的高刚度、大过载的要求和机械臂末端对高灵敏度的要求，解决了高刚度、大过载与灵敏度之间的矛盾关系，从而更适用于尺蠖爬行的空间机械臂。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。

图1为六轴力/力矩测量装置的装配图；

图2为六轴力/力矩测量装置的俯视图；

图3为测量元件与上端盖装配的俯视图，其中内敏感梁为剪切梁；

图4为测量元件与上端盖装配的俯视图，其中内敏感梁为弯曲梁；

图5为测量元件上装配应变计的轴测图；

图6为测量元件上未装配应变计的轴测图。

附图标记说明：1-下端盖；101-连接环；2-测量元件；21-中心轮毂；22-外环轮辋；23-柔性梁；24-分载梁；25-敏感梁；251-内敏感梁；2511-内敏感梁孔；252-外敏感梁；2521-外敏感梁孔；26-应变计；27-热敏电阻；3-上端盖；301-连接耳Ⅰ；302-连接耳Ⅱ；4-信息采集板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图6，本申请实施例提供一种适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，其包括下端盖1、测量元件2、上端盖3和信息采集板4；

参见图1，所述的上端盖3为圆筒状结构，用于连接空间机械臂末端的作用器；其具体结构为：所述上端盖3顶端的外环面上设置有一圈连接耳Ⅰ301，所述的连接耳Ⅰ301上周向开有若干个连接通孔，所述上端盖3的顶端通过连接耳Ⅰ301上的连接通孔和螺栓连接在空间机械臂末端的作用器上；所述上端盖3底端的内环面上设置有一圈连接耳Ⅱ302，所述的连接耳Ⅱ302上周向开有若干个连接通孔；测量元件2置于上端盖3内，所述上端盖3的底端通过连接耳Ⅱ302上的连接通孔和螺栓与测量元件2进行连接。

参见图1，所述的下端盖1为圆环形板状结构，用于连接空间机械臂关节；其具体结构为：所述的下端盖1上靠近中心通孔的位置处开有一圈连接通孔，所述的下端盖1通过其上的连接通孔和螺栓与测量元件2进行连接；所述下端盖1的下端面上设置一圈连接环101，所述连接环101的下端面上开有连接通孔，所述的下端盖1通过连接环上的连接通孔和螺栓与空间机械臂关节处进行连接。

本实施例中，所述的上端盖3与下端盖1之间留有一定的间隙，使二者之间不发生直接接触；当空间机械臂末端作用器抓取或操作载荷时，会产生作用力/力矩，作用力/力矩通过上端盖3传递给测量元件2，测量元件2再通过下端盖1传递给机械臂关节，由于机械臂关节通过基座固定，因此，末端作用器抓取或操作时产生的作用力/力矩才能通过测量元件2的变形进行检测和测量，如果不留间隙，作用力/力矩直接通过上端盖3传递给下端盖1，相当于测量装置是一个刚性体，内部不发生变形，因此，也就无法进行六轴力/力矩的测量。

参见图1和图2，所述的信息采集板4设置在测量元件2的上方并与测量元件2之间通过螺栓进行连接。

参见图5和图6，所述的测量元件2用于测量空间机械臂末端作用器抓取或操作载荷时所产生的作用力/力矩，其包括中心轮毂21、四个外环轮辋22、八个柔性梁23、四个分载梁24、四个敏感梁25、三十二个应变计26和四个热敏电阻27；所述的四个外环轮辋22以中心轮毂21的中轴线为轴周向均匀设置在中心轮毂21的外侧，并与中心轮毂21之间产生间隙；每个外环轮辋22与中心轮毂21之间通过一个分载梁24进行连接，所述的分载梁24处于外环轮辋22与中心轮毂21所形成的间隙内，即分载梁24的一端连接在外环轮辋22的内壁上，分载梁24的另一端连接在中心轮毂21的外壁上。

参见图3和图4，相邻的两个外环轮辋22的中间位置处设置一个敏感梁25，所述的敏感梁25为T型梁结构，其包括内敏感梁251和外敏感梁252，所述的外敏感梁252处于相邻的两个外环轮辋22之间，外敏感梁252与外环轮辋22之间通过柔性梁23进行一体连接，即柔性梁23的一端一体连接在外环轮辋22的侧壁处，柔性梁23的另一端一体连接在外敏感梁252的侧壁处；所述的内敏感梁251处于外敏感梁252与中心轮毂21之间的间隙处，内敏感梁251的一端垂直连接在外敏感梁252的内侧壁上，内敏感梁251的另一端垂直连接在中心轮毂21的外侧壁上。

参见图4和图6，所述的内敏感梁251上轴向开有一个内敏感梁孔2511，所述的内敏感梁孔2511可以为通孔，也可以为盲孔；根据内敏感梁251上内敏感梁孔2511的开孔方式，内敏感梁251具有不用的应变性，应变计26的安装位置也会不同；即参见图4，当内敏感梁孔2511为通孔时，内敏感梁251在受到径向载荷时，内敏感梁251的两侧侧壁更易弯曲，故内敏感梁251为弯曲梁，在每个内敏感梁251的两侧侧壁处分别并排粘贴两个应变计26；每个内敏感梁251上粘贴四个应变计26，四个内敏感梁251上共粘贴十六个应变计26，更易测量出机械臂末端或者基座处的径向力矩，其中所述的应变计26为拉压式应变计，用来测量线应变(正应变)，通孔形式的敏感梁，其结构更为对称，更适用于温度变化较大的工作场合，其温度漂移更小(相对于盲孔形式，且均采用惠斯通全桥方式)。

参见图3，当内敏感梁孔2511为盲孔时，内敏感梁251在受到轴向载荷时，内敏感梁251的上下两端更易弯曲，故内敏感梁251为剪切梁，每个内敏感梁251的上、下端面分别溅射两个应变计26，所述应变计26的设置位置与内敏感梁孔2511的开孔位置相对设置，四个内敏感梁251上共溅射十六个应变计26，更易测量出机械臂末端或者基座处的轴向力矩。盲孔形式的敏感梁更适合溅射工艺，采用溅射工艺直接在敏感梁表面溅射应变计，替代粘贴应变计的方式。

所述的内敏感梁251为剪切梁还是弯曲梁，会导致在敏感梁的应变类型不同，从而导致表面粘贴的应变计(应变片)形式不同；若为剪切梁，则粘贴测量剪切应变的应变计，用来测量切应变；若为弯曲梁，则为拉压式应变计，用来测量线应变(正应变)。

参见图5和图6，所述的外敏感梁252上并排开有两个径向的外敏感梁孔2521，两个外敏感梁孔2521以内敏感梁251为轴对称分布；所述的外敏感梁孔2521为通孔，外敏感梁252为弯曲梁，每个外敏感梁252的顶部和底部各粘贴两个应变计26，即每个外敏感梁252上粘贴四个应变计26，四个外敏感梁252上共粘贴十六个应变计26，所述应变计26的粘贴位置与外敏感梁孔2521的位置相对设置。

参见图3，在每个外敏感梁252上两个外敏感梁孔2521之间的位置处安装一个热敏电阻27，四个外敏感梁252上共安装了四个热敏电阻，所述的热敏电阻27用于检测测量元件2的温度。

本实施例中，所述的分载梁24为柔性铰链结构，可以为柔性铰链、U型铰链或球形铰链中的一种；当空间机械臂末端作用器抓取或操作载荷时，会产生作用力/力矩，作用力/力矩会通过上端盖3传递给测量元件2的四个外环轮辋22上，四个外环轮辋22再通过分载梁24和柔性梁23将载荷分别传递给中心轮毂21和敏感梁25，中心轮毂21通过下端盖1将载荷传递给机械臂关节；由于分载梁24为柔性铰链，而敏感梁25上开孔，使得测量元件2整体为弹性体而不是刚体，在外环轮辋22与中心轮毂21传递载荷过程中，分载梁24和柔性梁23均会产生一定程度的变形，外环轮辋22与中心轮毂21之间发生错位，那么敏感梁25必然会产生变形，在通过应变计26间接测量出力矩；如果分载梁24为刚性体，那么外环轮辋22与中心轮毂21形成刚性的一体结构，外环轮辋22与中心轮毂21传递载荷过程中，分载梁24不产生变形或者产生的微小变形使得外环轮辋22与中心轮毂21之间的位置保持不变，所有的载荷均直接由上端盖3通过测量元件2的刚性的分载梁24直接传递给下端盖2，从而在敏感梁25上无力/力矩载荷传递，敏感梁25不发生变形，从而不产生应变，因此也无法利用应变计26检测变形，无法通过惠斯通电桥将非电物理量(力/力矩信号)直接转换为电信号，从而无法测量力/力矩信号。

由于分载梁24为柔性铰链结构，敏感梁25上开有通孔，通过上端盖3传递过来的作用力/力矩是由分载梁24和敏感梁25共同承担；其中所述分载梁24的刚度大于敏感梁25的刚度，分载梁24承担中心轮毂21和外环轮辋22间传递的大部分载荷，起分流、过载保护作用，所述的敏感梁25承担少部分载荷，起检测、测量作用；假设分载梁24的刚度和敏感梁25的刚度一致，则分载梁24承担二分之一的载荷，如果分载梁24的刚度是敏感梁25刚度的4倍，则分载梁24承担80％的载荷，如果分载梁24的刚度是敏感梁25刚度的9倍，则分载梁24承担90％的载荷；其中，分载梁24的刚度和敏感梁25的刚度的比值是设计六轴力/力矩测量装置的关键。

本实施例中，通过调整分载梁24的结构参数，降低分载梁24对敏感梁25灵敏度的影响；当所述的分载梁24为球型铰链结构时，调整分载梁球型铰链的半径R，改变分载梁的截面积，从而改变抗弯、抗扭、抗拉、抗压、抗剪等刚度，当减小半径R，增大分载梁截面积后，分载梁抗弯刚度、抗扭刚度、抗拉刚度、抗压刚度、抗剪刚度均增大，从而当外部施加载荷一定时，分载梁可承受更多载荷，从而作用在敏感梁上的载荷进一步减小，因此，敏感梁的灵敏度降低。

本实施例通过在内敏感梁251与外敏感梁252上开孔，以减小敏感梁25的刚度，在外部施加载荷一定的情况下，增大了敏感梁部位的应变，增大应力集中，增大应变值，从而提高了敏感梁的灵敏度。

参见图3、图4、图5和图6，所述的柔性梁23为薄板梁，柔性梁23的厚度远小于其长度和宽度；所述柔性梁23的长度方向与外敏感梁252的长度方向一致，柔性梁23的宽度方向与外敏感梁252的宽度方向一致；由于柔性梁23为薄板梁，具有一定的应变性，因此柔性梁23可以较好的传递外敏感梁252与外环轮辋22之间的应变力。

参见图3和图5，本实施例中，所述的应变计26粘贴在敏感梁25上，多个应变计26构成惠斯通电桥，检测六轴力/力矩作用下应变计26的微小变形，通过信息采集板4的放大、滤波变成电压电流等电信号，测量六轴力/力矩信息，热敏电阻27用于检测测量元件2的温度，通过信息采集板4对温度数据进行处理，可实现对六轴力/力矩测量装置的温度监测。

参见图1，其中，所述测量元件2的外环轮辋22上轴向开有两个贯穿的通孔，上端盖3的连接耳Ⅱ302与测量元件2的外环轮辋22通过螺栓进行连接；所述测量元件2的中心轮毂21上周向开有若干个连接通孔，下端盖1通过内侧的连接通孔与测量元件2的中心轮毂21通过螺栓进行连接。所述的信息采集板4安装在中心轮毂21上。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，其特征在于：它包括同轴设置的下端盖(1)、测量元件(2)、上端盖(3)和信息采集板(4)；

所述的测量元件(2)包括中心轮毂(21)、若干个外环轮辋(22)、若干个柔性梁(23)、若干个分载梁(24)、若干个敏感梁(25)和若干个应变计(26)；所述的若干个外环轮辋(22)以中心轮毂(21)的中轴线为轴周向均匀设置在中心轮毂(21)的外侧；每个外环轮辋(22)与中心轮毂(21)之间通过一个分载梁(24)进行连接；所述的分载梁(24)为柔性铰链结构；相邻的两个外环轮辋(22)之间设置一个敏感梁(25)，所述敏感梁(25)的两端与外环轮辋(22)通过柔性梁(23)进行连接，敏感梁(25)朝向中心轮毂(21)的一侧与中心轮毂(21)进行连接；所述的敏感梁(25)上开有通孔，每个敏感梁(25)上粘贴有若干个应变计(26)；

所述的敏感梁(25)为T型梁结构，其包括内敏感梁(251)和外敏感梁(252)，所述的外敏感梁(252)处于相邻的两个外环轮辋(22)之间，外敏感梁(252)与外环轮辋(22)之间通过柔性梁(23)进行一体连接；所述的内敏感梁(251)处于外敏感梁(252)与中心轮毂(21)之间，内敏感梁(251)的一端垂直连接在外敏感梁(252)的内侧壁上，内敏感梁(251)的另一端垂直连接在中心轮毂(21)的外侧壁上；所述的内敏感梁(251)为剪切梁，内敏感梁(251)上轴向开有一个内敏感梁孔(2511)，内敏感梁孔(2511)为盲孔，每个内敏感梁(251)的上、下端面分别溅射两个应变计(26)；

所述的外敏感梁(252)上并排开有两个径向的外敏感梁孔(2521)，两个外敏感梁孔(2521)以内敏感梁(251)为轴对称分布；所述的外敏感梁孔(2521)为通孔，每个外敏感梁(252)的顶部和底部各粘贴两个应变计(26)；

所述的上端盖(3)置于下端盖(1)的上方，且二者之间留有间隙；所述的测量元件(2)和信息采集板(4)置于上端盖(3)内，上端盖(3)的顶端连接在空间机械臂末端的作用器上，上端盖(3)的底端与测量元件(2)外环轮辋(22)的底端进行连接，所述的信息采集板(4)安装在测量元件(2)的中心轮毂(21)的顶端；所述的下端盖(1)安装在测量元件(2)的中心轮毂(21)的底端。

2.根据权利要求1所述的适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，其特征在于：所述的测量元件(2)还包括若干个热敏电阻(27)，在每个外敏感梁(252)上两个外敏感梁孔(2521)之间的位置处安装一个热敏电阻(27)。

3.根据权利要求1所述的适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，其特征在于：所述的分载梁(24)为柔性铰链结构，可以为柔性铰链、U型铰链或球形铰链中的一种。

4.根据权利要求1所述的适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，其特征在于：所述的柔性梁(23)为薄板梁，柔性梁(23)的厚度小于其长度和宽度。

5.根据权利要求1所述的适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置，其特征在于：所述的上端盖(3)为圆筒状结构，所述上端盖(3)顶端的外环面上设置有一圈连接耳Ⅰ(301)，所述的连接耳Ⅰ(301)上周向开有若干个连接通孔，所述上端盖(3)的顶端通过连接耳Ⅰ(301)上的连接通孔和螺栓连接在空间机械臂末端的作用器上；所述上端盖(3)底端的内环面上设置有一圈连接耳Ⅱ(302)，所述的连接耳Ⅱ(302)上周向开有若干个连接通孔；所述上端盖(3)的底端通过连接耳Ⅱ(302)上的连接通孔和螺栓与测量元件(2)的外环轮辋(22)进行连接；

所述的下端盖(1)为圆环形板状结构，所述的下端盖(1)上靠近中心通孔的位置处开有一圈连接通孔，所述的下端盖(1)通过其上的连接通孔和螺栓与测量元件(2)的中心轮毂(21)进行连接；所述下端盖(1)的下端面上设置一圈连接环(101)，所述连接环的下端面上开有连接通孔，所述的下端盖(1)通过连接环(101)上的连接通孔和螺栓与空间机械臂关节处进行连接。

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