[发明专利]超薄六维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿人机器人技术，特别涉及机器人力传感器。

背景技术

随着工业机器人和仿人机器人的大量应用和研发，六维力传感器作为一种重要的力觉传感器，用来检测工业机械手或仿人机器人与环境之间的接触力和力矩的大小和方向并及时反馈，以便机械手进行精密准确的具体操作和仿人机器人完成相应动作。

针对这种情况，国内外研制了多种六维力传感器，虽然各种力传感器功能齐全、种类繁多，但是现有的六维力传感器高度尺寸都比较大，一般为40-80mm之间，这就大大制约了传感器在各个领域的应用。目前尺寸较小的传感器有美国Assurance公司的微小型六维力传感器，其外径为18mm高度为30mm。传感器的高度是影响传感器应用的一个重要因素，当机械手实际操作时，作为腕力传感器的六维力传感器高度越大，机械手后续部件所受到的力矩因为力臂的增大面成比例的增大，这将影响机械手的额定工作量程及其最大工作空间；当仿人机器人仿人行走时，作为脚力传感器的六维力传感器高度越大，不但影响其外观形状，安装在机器人踝关节的电机所需提供的力矩也相应成比例的增大。另外，一般的六维力传感器都存在不可消除的维间耦合，这使得传感器的精度大大降低。

发明内容

本发明的目的是：针对目前国内外相关技术存在的问题和缺陷，提出一种超薄六维力传感器及其测量三维力和三维力矩信息的方法，高度方向尺寸能限制在15毫米以内，并能应用于各种应用场合，同时获取不同量程要求下的精确六维力信息，为相应的应用设备准确顺利完成任务提供高质量的力信息。传感器高度尺寸小，结构简单、灵敏度高、维间耦合小、获取的力信息精度高、可靠性好，动态性能优良。

本发明的技术方案是：

一种超薄六维力传感器，包括中间有通孔的传力柱(1)，其特征在于：传力柱(1)外壁上连接有平行的上E型膜片，下E型膜片，所述的上E型膜片上连接有上内环筒与上外环筒，构成上E型膜(4)，所述的上外环筒上分布有安装螺孔作为加载环，所述的上内环筒与上外环筒之间连接有间隔90°排布的薄矩形金属片(21、22、23、24)；所述的下E型膜片上连接有下内环筒与下外环筒，构成下E型膜(5)，所述的下外环筒作为基座。

所述的超薄六维力传感器，其特征在于：所述的安装螺孔与薄矩形金属片(21、22、23、24)位置错开。

所述的超薄六维力传感器，其特征在于：所述传力柱(1)壁厚尺寸应大于上E型膜片、薄矩形金属片(21、22、23、24)厚度尺寸五倍以上。

所述的超薄六维力传感器，其特征在于：所述薄薄矩形金属片(21、22、23、24)组成，各薄矩形金属片尺寸完全一致，四片薄矩形片厚度尺寸小于径向尺寸的1/10。

所述的超薄六维力传感器，其特征在于：其材料为硬铝或不锈钢，各部件之间为一整体。

所述的超薄六维力传感器，其特征在于：所述的上E型膜片与下E型膜片，上内环筒与下内环筒，上外环筒与下外环筒结构对称，所述的薄矩形金属片上端低于传力柱、上内环筒、上外环筒的上端面。

一种用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩信息的方法，其特征在于：在传力柱的外壁及上内环筒的内壁上分别有对应贴装有间隔90°排布的应变片R5～R12，所述的位于同一平面上的薄矩形金属片(21、23)的两侧径向面上分别贴装有应变片R1、R2、R3、R4，在传力柱的外壁及下内环筒的内壁上分别有对应贴装有间隔90°、45°排布的六对应变片R13～R24；应变片R1～R4、应变片R5～R8、应变片R9～R11、应变片R13～R16、应变片R17～R20、应变片R21～R24分别构成六组全桥检测电路a、b、c、d、e、f，分别输出六维力信息中Mz、Mx、My、Fx、Fy、Fz信号。

所述的用于六维力传感器同时测量三维力和三维力矩信息的方法，其特征在于：所述的各应变片R1～R24的初始电阻值相等。

加载环上置有四个螺纹孔，用于六维力传感器与外界载荷连接在一起，加载环通过薄矩形金属片与上E型膜连接，薄矩形金属片组由上内环筒与上外环筒之间均匀分布的四片薄矩形金属片组成，基座用来对整个六维力传感器固定。超薄六维力传感器材料为硬铝，整个超薄六维力传感器为一个整体，各部件之间不需额外连接。传力柱、薄矩形金属片的上表面与加载环的上表面在高度方向有一定的间隙。传力柱中置有小孔，便于贴在不同位置的应变片组成测量电路。加载环上置有的四个螺纹孔与薄矩形金属片组在圆周方向上错开放置。