SU1082337A3 - Датчик с шестью степен ми свободы - Google Patents

Abstract

1. ДАТЧИК С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ дл  преобразовани  сил и моментов в электрические сигналы , прикладываемых к подвижному элементу, содержащий корпус, силоввод щий элемент, преобразователи перемещени  в электрические сигналы и узел регистрации, отличающийс  тем, что, с целью повышени  надежности, преобразователи перемещени  в электрический сигнал размещены в жестком цилиндри ческом кожзгхе и выполнены в виде восьми конденсаторов, неподвижные обкладки которых выполнены в виде двух металлических полуцилиндрических пластин, расположенных под равными угламиИ закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру на равных рассто ни х одна от другой вдоль общей оси по четьфе в каждой группе металлических пластин, расположенных диаметрально противоположно парами и закрепленных на цилиндрическом корпусе, жестко св занном с силоввод щим элементом и расположенном внутри кожуха, установленного на корпусе с помощью упругих прокладок, выполненных в виде тороидальных колец из эластомерного материала, размещенных в кольцевых канавках, расположенных на торцовых и боковой поверхност х корпуса, на торцах корпуса выполнен по меньщей мере один радиальный а выступ, размещенный в канавке кожуха с возможностью ограничени  угло (Л вых перемещений кожуха относительно корпуса, а на торцах кожуха уста- ноБлены кольцевые ограничительные прокладки, обращенные к соответствующей торцовой поверхности корпуса и взаимодействующие с упругими проо эо кладками с возможностью ограничени  осевьк перемещений кожуха относитель э :л со но корпуса, а узел регистрации выполнен в виде управл емого генератора, к которому подключены восемь преобразователей напр жени  в частоту, каждый из которых подсоединен к соответствующему конденсатору, и средств обработки сигналов преобразователей напр жени . 2. Датчик ПОП.1, отличающийс  тем, что торец кожуха, противоположный силоввод щему элемен ту, снабжен средством дл  соединени  с рабочим инструментом.

Description

1 Изобретение относитс  к силоизмерительной технике, в частности к датчику с шестью степен ми свободы предназначенному дл  преобразовани  усилий и моментов прикладываемых к подвижной детали, а именно к подвижной , руке робота, в электрические сигналы. Известны датчики с шестью степен ми свободы, содержащие взаимосв занные между собой модули, каждый из которых представл ет собой брус с тонкой перемычкой. Блочный принци построени  позвол ет собирать из модулей датчики дл  измерени  усили с желаемым числом степеней свободы lj. Однако эти датчики обладают недостаточной надежностью ввиду их сложности. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство дл  измерени  сил и моментов, передаваемых захватами манипул тора, содержащее фотоэлектрические чувствительные датчики, обеспечивающие измерение сил и моментов по шести степен м свободы 2J . Однако известное устройство ввиду сложности конструкции и большой чувствительности к изменени м условий окружающей среды обладает невысокой надежностью. Целью изобретени   вл етс  повышение надежности.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в датчике с шестью степен ми свободы дл  преобразовани  сил и моментов в электрические сигналы, прикладываемых к подвижному элементу , содержащем корпусj силоввод щий элемент, преобразователи переме щени  в электрические сигналы и узел регистрации, преобразователи перемещени  в электрический сигнал размещены в жестком цилиндрическом кожухе и вьтолнены в виде восьми конденсаторов, неподвижные обкладки которых вьтолнены в виде двух металлических полуцилиндрических пластин , расположенных под равными угла ми и закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру на равных рассто ни х одна от другой вдоль общей оси по четьфе в каждой группе металНа фиг.1 изображен датчик, вид в перспективе5 на фиг.2 - то же, продольное сечение, на фиг.З - цилиндрический корпус датчика вид в перспективеJ на фиг.4 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.З - сечение Б-Б на фиг.2; на фиг.6 - сечение В-В на фиг.2 на фиг,7 - сечение Г-Г на фиг.5, на фиг.8 - электрическа  схема датчика.

Датчик 1 имеет шесть степеней свободы и подсоедин етс  к одному концу подвижной детали 2, представл ющей , например, подвижную руку робота. Датчик содержит жесткий корпус 3 цилиндрической формы, располагаемый внутри жесткого кожуха А, имеющего цилиндрическую внутреннюю поверхность. Корпус 3 содержит полый цилиндрический элемент 5, внутренн   поверхность которого имеет нарезку на конце, обращенном к руке 2 робота 7 лических пластин, расположенных диаметрально противоположно парами и закрепленных на цилиндрическом корпусе, жестко св занном с силоввод щим элементом и расЬоложенном внутри кожуха, установленного на корпусе с помощью упругих прокладок , выполненных в виде тороидальных колец из эластомерного материгша , размещенных в кольцевых канавках, расположенных на торцовых и боковой поверхност х корпуса , на торцах корпуса выполнен по меньшей мере один радиальный выступ , размещенный в канавке кожуха с возможностью, ограничени  угловых перемещений кожуха относительно корпуса, а на торцах кожуха установлены кольцевые ограничительные прокладки, обращенные к соответствующей торцовой поверхности корпуса и взаимодействующие с упругими прокладками с возможностью ограничени  осевых перемещений кожуха относительно корпуса, а узел регистрации выполнен в виде управл емого генератора, к которому подключены восемь преобразователей напр жени  в частоту, каждый из которых подсоединен к соответствующему конденсатору , и средств обработки сигналов преобразователей напр жени . Кроме того, торец кожуха, противоположный силоввод щему элементу, снабжен средством дл  соединени  с рабочим инструментом.

Нижн   часть боковой поверхности цилиндрического соединительного элемента 6, предназначенного дл  подсо динени  корпуса 3 к концу руки 2 робота, имеет резьбу и входит в зацепление с соответствующей резьбово частью полого цилиндрического элемента 5.

Соединительный элемент 6 дл  подсоединени  корпуса 3 к концу руки 2 робота имеет цилиндрическую форму и нижн   часть его боковой поверхности имеет резьбу и входит в зацепление с соответствующей резьбовой частью полого цилиндрического элемента 5. Соединительный элемент 6 снабжен кольцевым фланцем 6а, который служит в качестве торцового ограничител  дл  верхнего кра  полого цилиндрического элемента 5.

Кольцевой элемент 7 закреплен на конце подвижной руки 2 при помоощ болтов 8 и снабжен осевой цилиндрической камерой, содержащей первую и вторую соосные цилиндрические части 9а и 9Ь через которые проходит соединительный элемент 6. Торцова  часть 6Ъ элемента 6 частично имеет резьбу дл  сочленени  с гайкой 10, котора  служит дл  подсоединени  элемента 6 к кольцевому элементу 7.

Соединительный элемент 6 снабжен осевым отверстием 6с и парой, расположенных друг против друга, радиальных отверстий 6 d которые служат в качестве посадочных мест дл  двух поперечных пальцев 11, концы которых выступают в радиальном направ лении наружу из отверстий 6d.

Бокова  поверхность полого цилиндрического элемента 5 содержит первую и вторую осевые части, кажда  из которых снабжена четырьм  располагаемыми под равными углами металлическими пластинами 12, размешаемыми диаметрально противоположно и парах (фиг.З и 4) . Между двум  соседними металлическими пласти|нами 12 предусмотрен палец 13,удерживаемый полым цилиндрическим элементом 5 дл  облегчени  установки мталлических пластин 12 на боковой поверхности полого цилиндрического элемента 5 во врем  сборки.

Пальцы 13 могут быть металлическими , в этом случае их боковые поверхности покрываютс  тонким слое

электроизол ционного материала,получаемого , например, при помощи оксидировани .

Поверхность полого цилиндрического корпуса 5 снабжена трем  кольцевыми канавками 14, в которых расположены соответствующие тороидальные кольца 15 ИЗ эластомерного материала, которые взаимодействуют с внутренней поверхностью кожуха 4 и служат в качестве упругих распорных элементов. Полый цилиндрический элемент 5 также имеет кольцевую канавку 16 в нижней торцовой поверхности, в которой размещено тороидальное кольцо 17 изэластомерного материала. поверхность кольцевого фланца 6а соединительного элемента 6 также снабжена кольцевой канавкой 18, в которой размещено тороидальное кольцо 19 из эластомерного материала.

Стенка полого цилиндрического элемента 5 снабжена в соответствии с каждой из металлических пластин 12 отверстием 20, через которое проходит соответствующий электрический проводник 21, один конец которого припаиваетс  к соответствующей металлической пластине 12. Проводники 21 проход т через отверсти  6с соединительного элемента 6 и отверстие 2а на торце подвижного рычага 2. Полый цилиндрический корпус 5 имеет цилиндрический торцовый выступ 5а снабженный диаметральным отверстием 5Ь в котором расположен палец 22, концы которого выступают в радиальном направлении наружу из выступа 5а.

Полый цилиндрический элемент 5 может быть изготовлен из электроизол ционного материала, имеющего значительную механическую прочность Кожух 4 содержит цилиндрическую втулку 23, к концам которой подсоединены при помощи болтов 24 и 25 соответствующие закрывающие элементы 26 и 27 (фиг.2). Закрывающий элемент 26 имеет круглое цилиндрическое отверстие 28 (фиг.З), через которое проходит соединительный элемент 6. По сторонам отверсти  28 вьшолнены две диаметрально противоположные канавки 28 о в которые выступают концы пальцев 11, установленных на соединительном элементе.6

Кольцева  ограничительна  прокладка 29 расположена вокруг соединительного элемента 6 над фланцем бй. Нижн   поверхность прокладки 2 взаимодействует с тороидальным кольцом 19, служащим в качестве упругого распорного элемента. Кольцева  ограничительна  прокладка 30 расположена вокруг нижнего выступа За полого цилиндрического корпуса 5 и опираетс  на закрывающий .элемент 27. Верхн   поверхность прокладки 30 взаимодействует с торовдальным кольцом 17, располагаемым на нижнем конце полого цилиндрического корпуса 5 и служащим в качестве упругого распорного элемента.

Нижний закрывающий элемент 27 снабжен осевой цилиндрической камерой 31 (фиг.6), состо щей из двух частей. Цилиндрический выступ 50 палого цилиндрического элемента 5 проходит в первую часть камеры 31. Стенка этой первой части камеры 31 сделана с двум  диаметрально противоположными канавками 3101, в которые выступают концы пальца 22, установленного на нижнем конце полого цилиндрического корпуса 5. Втора  цилиндрическа  часть 31Ь (фиг.2) и бокова  поверхность закрывающего элемента 27 выполнены с резьбой .

Внутренн   поверхность втулки 23 снабжена двум  полуцилиндрическими металлическими пластинами 32, расположенными под равными углами по отношению друг к другу и напротив пластин 12, удерживаемых на полом цилиндрическом корпусе 5 таким образом , что между ними образовьшаетс  узкое пространство и получаетс  восемь конденсаторов, емкость которых зависит от положени  пластин 32 кожуха 4 по отношению к пластинам 12 корпуса 3. Втулка 23 может быть изготовлена иэ электроизол ционного материала, обладакмцего большой механичёской прочностью. Дл  экранировани  внешн   поверхность втулки может быть покрыта провод щим материном.

Электрический проводник 33 (фиг.7) подсоединен с каждой из пластин 32. Каждый проводник 33 выходит из кожуха 4 через соответствующее отверстие 34 (фиг.5 и 7) закрывающего элемента 26 кожуха 4. Кожух 4, образованный втулкой 23 и закрывающими элементами 26 и 27, упруго подвешен на корпусе 3 (образованном

полым цилиндрическим корпусом 5 и соединительным элементом 6) при помощи тороидальных колец 15, 17 и 19 Кож5пс 4 может осуществл ть ограниченные перемещени  с шестью степен ми свободы по отношению к корпусу 3.

Прокладки 29 и 30 соответственно взаимодействуют с тороидальными кольцами 19 и 17 дл  ограничени  осевых перемещений кожуха 4 по отнощению к корпусу 3. Концы пальцев 11 и 22, которые вход т с зазором в канавки 28 и 31 С| соответственно ограничивают угловые перемещени  кожуха 4 по отношению к корпусу 3.

Действие сил или моментов, прикладываемых во врем  работы к подвижному рычагу 2 при помощи датчика 1, преобразуетс  в изменени  емкости восьми конденсаторов.

Узел регистрации (фиг.8) подсоединен к пластинам 12 корпус,а 3 и к пластинам 32 кожуха 4 дл  измерени  во врем  работы величин емкости каждого из конденсаторов и дл  обеспечени  на основе такого замера электрических сигналов, показывающих силы и моменты, прикладываемые к подвижной детали, представл ющей подвижную руку 2 робота. Пластины 12а, 12%, 120, 12d, l2e, 12f, 12 и ,12h установлены на корпусе 3, а пластины 32 а и 32Ь установлены на кожухе 4.

На фиг.8 введена система ортогональных декартовых координат OXYZ, ось Z которой совпадает с осью концентрических цилиндрических поверхностей , часть которых образуют пластины 12 и 32, ось X направлена перпендикул рно к двум соответствующим парам противоположных пластин и проходит через центр этих пластин а ось Y направлена перпендикул рно к оси Z и к оси X. Пластины 32oi и 32b обе заземл ютс .

Восемь преобразователей 35-42 напр жени  в частоту управл ютс  от одного общего генератора 43.

Каждый из преобразователей 35-42 напр жени  в частоту подсоединен к конденсатору, образованному одной из пластин 12 и обращенной к ней S соответствующей пластиной 32. Преобразователи 35-42 обеспечивают на выходе сигнал напр жени , амплитуда которого пропорциональна емкости

7

соответствующего конденсатора, к ко торому они соответственно подключаютс . Вькодные напр жени  преобразователей 35-42 обозначены соотве ственно V , Vj ,. , . ,Vg .

Предположим, что к кожуху 4 приложена сила, направленна  в отрицательном направлении вдоль оси X (фиг.8). Эта сила вызывает перемещение кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 таким образом, что рассто ние между пластинами 12а, 12 и 32а уменьшаетс , в то врем  как рассто ние между пластинами 12b 2d и 32 а увеличиваетс . Соответственно емкость конденсаторов, образованных пластинами 12Ь, 12; и 32 а увеличиваетс , в то врем  как емкость конденсаторов, образованных пластинами 12а, 12с и 32b уменьшаетс . Следовательно, напр жени  V;j и Vg создаваемые на выходах преобразователей 35 и 39 соответственно , увеличиваютс , а напр жени  Vx И Vg, создаваемые соответственно на выходах преобразователей 38 и 42, уменьшаютс . Поэтому  сно, что величина

() (Vg-Vg)

показывает относительное перемещение кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 вследствие приложени  силы, действующей вдоль оси X. Аналогично можно определить, что величина

() + ()

показывает величину перемещени  кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 под действием силы, действующей вдоль оси Y. Кроме того, величины

(Vj-V,) - () () - (Vj-Vg)

показывают величину относительного поворота кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 под действием моментов, действующих соответственно вокруг оси X и вокруг оси Y,

Если к кожуху 4 приложена некотора  сила, параллельна  оси Z, например в положительном направлении этой оси, то ее действие приводит к осевому перемещению пластины 32

0823378

по отношению к восьми пластинам 12, Вследствие этого перемещени  емкости четырех конденсаторов, образованных пластинами 12а, 12Ь, 12е, 5 12f, и част ми обращенных к ним пластин 32о и 32Ь, увеличиваютс  вследствие увеличени  перекрывающихс  поверхностей. Наоборот, емкость конденсаторов, образованных пласти10 нами 12с, 12(3, , 12h и обращенными к ним част ми пластин 32о( и 32Ь уменьшаетс  вследствие уменьшени  перекрывающейс  области поверхности этих пластин.

15 С другой стороны, если сила,

действующа  на кожух 4, направлена параллельно оси Z, но в отрицательном направлении, то емкости конденсаторов , содержащих пластины 12с,

20 12cj, 12h, увеличиваютс , а емкости конденсаторов, содержащих пластины 12q, 12Ь, 12{ и 12 уменьшаютс .

Когда направление силы, дейст25 вующей на кожух 4, параллельно оси Z, величина (например)

() + ()

показывает величину и направление относительного перемещени  между ко . жухом 4 и внутренним корпусом 3 вдоль

оси Z вследствие приложени  силы, действующей на кожух 4 параллельно

оси Z, и таким образом, эта величина 5 также показывает величину и направление этой силы.

Очевидно, что, с целью вы снени  отношени  между изменением емкости . восьми конденсаторов и величиной О и направлением силы, действующей . параллельно оси Z, необходимо,чтобы окружности, соответственно ограничиваемые верхними кромками пластин 12а, 12Ъ, 12е, 12i и нижними кром5 ками пластин 12с, 12с, 12, 12h

лежали в соответствующих плоскост х, . которые не пересекают пластицы 32а и 32Ъ.

Если момент, действующий вокруг 0 оси Z, например, в направлении против часовой стрелки, приложен к кожуху , то вследствие действи  этого момента емкость конденсаторов,содержа цих пластины 12е, 12f, 12 и 5 12h уменьшаетс  в результате уменьшени  площадей частей пластин 32ci и 32Ь которые перекрывают эти пластины. Наоборот, емкости конден-

саторов, содержащих пластины |2а, 12§, 12с и 12г увеличиваютс  вследствие увеличени  площадей их перекрыти  с пластинами 32а и 32Ъ

В случае момента, действующего на кожух 4 вокруг оси Z в направлении по часовой стрелке, увеличени  и уменьшени  емкостей конденсаторов обратны по отношению к случаю, описанному дл  момента,действующего против часовой стрелки.

В каждом из этих случаев величина

() + (Vi,-V)

показывает величину и направление относительного вращени  между кожухом 4 и внутренним корпусом 3 вследствие приложени  к кожуху 4 момента , действующего вокруг оси Z, и поэтому эта величина дает информацию как о величине, так и о направлении этого момента.

Действительно, чтобы однозначно представить отношение, между мгновенными значени ми емкостей конденсаторов и величиной и направлением сил, действующий на кожух 4, необходимо, чтобы кажда  из пластин 12, установленных на внутреннем корпусе 3, ни в коем случае не перекрывалась одновременно обеими пла тинами 32, установленными на кожухе 4. Така  ситуаци  предотвращаетс  именно наличием пальцев 11 и 22 (фиг.5 и 6). Вследствие того, что эти пальцы могут вращатьс  с ограниченным люфтом в соответствующих канавках 28а и 31 а они ограничивают угловые перемещени  кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3.

На фиг.8 показаны средства 44 обработки сигналов, генерируемых преобразовател ми 35-42, и показывающих составл ющие сил и моментов вдоль осей X, Y и Z, прикладываемых к кожуху 4 и, следовательно, передаваемых к руке 2 при помощи внутреннего корпуса 3.

Средства обработки сигналов преобразователей напр жени  44 со8233710

держат, например, дифференциальные усилители 45-54 и четьфе аналоговые суммирующие схемы 55-58. Соединени  меж,цу входами дифференциальных уси5 лителей 45-52 и выходами преобразователей 35-42, так же как соединени  между этими дифференциальными усилител ми и суммирующими схемами 55-58 образуют схему, эквивалентную шести

О приведенным отношени м между напр жени ми , обеспечиваемыми на выходах преобразователей 35-42, и составл ющими ВДОЛЬ осей X, Y, Z сил и номентов , прикладываемых к кожуху 4

15 и передаваемых к подвижной руке 2 при помощи внутреннего корпуса 3,

В частности, на выходных зажимах суммирующих.схем 55, 56 и 57 существуют при работе соответствующие сиг20 .налы напр жени , показывающие составл ющие вдоль осей X, Y, Z соотвётственно сил, прикладываемых к кожуху 4.

На выходных зажимах дифферен25 циальных усилителей 53, 54 и суммирующей схемы 58 существуют при работе соответствующие сигналы напр жени , показывающие составл ющие вдоль осей X, У, Z соответственно

30 моментов, прикладываемых к кожуху 4,

Предлагаемое устройство может представл ть руко тку дл  ручного управлени  подвижной рукой 2 робота в период обучени . В этом случае

, сигналы, обеспечиваемые на выходе средств обработки сигналов 44, могут использоватьс  центральным процессором робота дл  минимизировани  сил и моментов, прикладываемьк к

40 руко тке дл  того, чтобы рука робота проходила в пространстве определенный путь, по которому она будет перемещатьс  впоследствии при работе самого робота.

К нижнему концу кожуха 4 предлагаемого устройства может подсоедин тьс  рабочий инструмент, и в этом случае устройство работает как чувствительное зап стье, способное определ ть напр жени ,которым подвергаетс  рабочий инструмент во врем  работы.

. , .r™

II/I/I

/II

Фиг. f

т

6Ь

15

15

2:31F

22

Фиг.з

А-А

12

13

20

2

28а

2

Фиг 5

ЗГа

5d

25

0LfZ.6

Claims (2)

1. ДАТЧИК С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ для преобразования сил и моментов в электрические сигналы, прикладываемых к подвижному элементу, содержащий корпус, силовводящий элемент, преобразователи перемещения в электрические сигналы и узел регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, преобразователи перемещения в электрический сигнал размещены в жестком цилиндри ческом кожухе и выполнены в виде восьми конденсаторов, неподвижные обкладки которых выполнены в виде двух металлических полуципиндрических пластин, расположенных под равными углами·и закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру на равных расстояниях одна от другой вдоль общей оси по четыре в каждой группе металлических пластин, расположенных диаметрально противоположно парами и закрепленных на цилиндрическом корпусе, жестко связанном с силовводящим элементом и расположенном внутри кожуха, установленного на корпусе с помощью упругих прокладок, выполненных в виде тороидальных.колец из эластомерного материала,' размещенных в кольцевых канавках, расположенных на торцовых и боковой поверхностях корпуса, на торцах корпуса выполнен по меньшей мере один радиальный выступ, размещенный в канавке кожуха с возможностью ограничения угловых перемещений кожуха относительно корпуса, а на торцах кожуха уста- новлены кольцевые ограничительные прокладки, обращенные к соответствующей торцовой поверхности корпуса и взаимодействующие с упругими прокладками с возможностью ограничения осевых перемещений кожуха относительно корпуса, а узел регистрации выполнен в виде управляемого генератора, к которому подключены восемь преобразователей напряжения в частоту, каждый из которых подсоединен к соответствующему конденсатору, и средств обработки сигналов преобразователей напряжения.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что торец кожуха, противоположный силовводящему элемен ту, снабжен средством для соединения с рабочим инструментом.