專利名稱：三維指力傳感器及其信息獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種安裝在機(jī)器人靈巧手或者手爪上，能夠同時(shí)檢測(cè)機(jī)器人手指三維力信息的力傳感器，以及實(shí)現(xiàn)三維力信息獨(dú)立獲取的方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人靈巧手或者手爪是一種智能型通用機(jī)械手，其外形類似于人手，在機(jī)器人工作時(shí)，需要在手指上安裝指力傳感器來(lái)檢測(cè)靈巧手或者手爪抓取物體時(shí)的握力、檢測(cè)被抓物體的重量以及判斷在抓取操作過(guò)程中是否存在滑動(dòng)、振動(dòng)等現(xiàn)象。三維指力傳感器安裝在靈巧手或者手爪的指頭上，能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)機(jī)器人工作時(shí)各手指的三維力信息Fx、Fy、Fz的大小，供機(jī)器人操作時(shí)使用。
在現(xiàn)有技術(shù)中有多種結(jié)構(gòu)的三維力傳感器，例如專利號(hào)為CN98251146.9的“框架式三維力傳感器”、專利號(hào)為CN93213754.7的“三維力傳感器”、專利號(hào)為CN00236964.8的“多維力傳感器”、專利號(hào)為JP10249768的“力傳感器”、專利號(hào)為JP1119731的“多維力傳感器”、專利號(hào)為CN2032318U的“應(yīng)變式三維單指觸覺(jué)傳感器”以及專利號(hào)為US6622575的“安裝在指尖的六維力傳感器”等。
其中專利號(hào)為CN2032318U的“應(yīng)變式三維單指觸覺(jué)傳感器”，其在Z向采用了剪幅式彈性元件，X、Y方向采用懸臂梁彈性體結(jié)構(gòu)，是一種利用微接觸力來(lái)判斷焊縫位置的觸摸識(shí)別傳感器。該傳感器采用剪幅式彈性元件和鼓膜結(jié)構(gòu)，彈性元件由帶有幅筋的內(nèi)外環(huán)構(gòu)成，鼓膜的端蓋為一圓盤狀的平面約束結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)中的三維指力傳感器存在著不足之處，其一，傳感器的彈性元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜；其二，現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器采用測(cè)量力矩的原理來(lái)檢測(cè)力的大小，當(dāng)受力位置的力臂長(zhǎng)度不同時(shí)，產(chǎn)生的力矩則不相同，傳感器對(duì)受力位置比較敏感，即同樣方向、大小的力施加在不同的位置時(shí)，傳感器檢測(cè)出的力的大小卻不相同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中彈性元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳感器對(duì)受力位置比較敏感的不足之處，提供一種彈性元件為圓狀膜片和十字梁簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、能夠同時(shí)獲取三維力信息的傳感器及其信息獨(dú)立獲取的方法。
一種三維指力傳感器，包括相互連接的觸頭、圓盤狀片、彈性件和殼體，以及置于其上的應(yīng)變電阻，特別是1)、所說(shuō)觸頭為半球狀的指尖，球心與圓盤狀片上的連桿相連接；2)、所說(shuō)圓盤狀片為圓狀膜片，其上置有相互垂直設(shè)置的兩組應(yīng)變電阻，且其圓心處置有連桿，連桿為螺栓；3)、所說(shuō)圓狀膜片上的兩組應(yīng)變電阻中的一組位于連桿的根部、另一組位于圓狀膜片的邊緣，這兩組應(yīng)變電阻由R9、R10、R11、R12構(gòu)成c組惠斯通電橋；4)、所說(shuō)彈性件為每根梁的兩側(cè)面上置有應(yīng)變電阻、端部置有連接件的十字梁，且同一走向上兩根梁上的應(yīng)變電阻連接成一組惠斯通電橋，其中，應(yīng)變電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成a組惠斯通電橋，R5、R6、R7、R8構(gòu)成b組惠斯通電橋；5)、所說(shuō)十字梁上置有穿孔，且穿孔位于兩片應(yīng)變電阻的中間；6)、所說(shuō)十字梁的端部有兩組連接件，其中一組連接件與圓狀膜片經(jīng)螺釘相連接，另一組連接件與外殼底部的連接件經(jīng)螺釘相連接，并且這兩組連接件分別在與其相連接部件的方向上呈有凸臺(tái)；7)、所說(shuō)殼體為底部為連接件的外殼，此連接件上置有安裝孔和引線孔，并與十字梁端部的連接件相連接。
三維指力傳感器的信號(hào)獲取方法，包括接收惠斯通電橋的信號(hào)，特別是三維力信息中X維的信號(hào)Fx取自a組惠斯通電橋，三維力信息中Y維的信號(hào)Fy取自b組惠斯通電橋，三維力信息中Z維的信號(hào)Fz取自c組惠斯通電橋。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是其一，與現(xiàn)有技術(shù)中專利號(hào)為CN2032318U的專利相比，現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器采用剪幅式彈性元件和鼓膜結(jié)構(gòu)，剪幅式彈性元件由帶有幅筋的內(nèi)外環(huán)構(gòu)成，鼓膜的端蓋為一圓盤狀的平面約束結(jié)構(gòu)，其彈性元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易加工。本發(fā)明中三維指力傳感器的彈性元件為圓狀膜片和十字梁，其中圓狀膜片上置有相互垂直設(shè)置的兩組應(yīng)變電阻，且其圓心處置有連桿，十字梁的每根梁的兩側(cè)面上置有應(yīng)變電阻、端部置有連接件，該彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工。并且十字梁上有穿孔，當(dāng)傳感器受到微小的力時(shí)，十字梁就會(huì)發(fā)生較大的形變，因此，本發(fā)明中的傳感器相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)精度有所提高。
其二，與現(xiàn)有技術(shù)專利號(hào)為CN2032318U的專利相比，現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器采用測(cè)量力矩的原理來(lái)檢測(cè)力的大小，當(dāng)在指尖上的不同位置施加相同大小的力時(shí)，由于受力位置的力臂長(zhǎng)度不同，產(chǎn)生的力矩就不相同，彈性元件產(chǎn)生的形變也就不相同，因此檢測(cè)出的信號(hào)大小不相同，即傳感器在使用過(guò)程中對(duì)手指的受力位置非常敏感；本發(fā)明中的三維指力傳感器則直接檢測(cè)力的大小，其中圓狀膜片檢測(cè)Fz的力信息，十字梁檢測(cè)Fx、Fy的力信息，當(dāng)在指尖上的不同位置施加相同大小的力時(shí)，圓狀膜片和十字梁產(chǎn)生的形變相同，檢測(cè)出的信號(hào)相同，即傳感器在使用過(guò)程中對(duì)手指的受力位置不敏感。
其三，本發(fā)明中的三維指力傳感器先將圓狀膜片經(jīng)螺釘與十字梁連接，再經(jīng)螺釘把外殼與十字梁連接起來(lái)，最后把指尖安裝在圓狀膜片的螺栓上，傳感器就組裝完畢，安裝方便。
其四，本發(fā)明基于上述彈性元件為圓狀膜片和十字梁的結(jié)構(gòu)，相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)，其圓狀膜片上粘貼有檢測(cè)Fz力信息的c組惠斯通電橋，十字梁上粘貼有檢測(cè)Fx力信息的a組惠斯通電橋和檢測(cè)Fy力信息的b組惠斯通電橋，且圓狀膜片和十字梁在結(jié)構(gòu)上互相垂直，獨(dú)立獲取各自的信息，具有結(jié)構(gòu)自解耦的特點(diǎn)，因此在本發(fā)明三維指力傳感器的信號(hào)獲取方法中，三維力信息中X維的信號(hào)Fx取自a組惠斯通電橋，三維力信息中Y維的信號(hào)Fy取自b組惠斯通電橋，三維力信息中Z維的信號(hào)Fz取自c組惠斯通電橋，該方法能夠獨(dú)立獲取三維力信息Fx、Fy和Fz。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明中三維指力傳感器的立體結(jié)構(gòu)安裝示意圖；圖2為本發(fā)明中圓狀膜片的主視圖和側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明中十字梁的主視圖和側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明中三維力信息獲取方法的原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是本發(fā)明中三維指力傳感器的立體結(jié)構(gòu)安裝示意圖。三維指力傳感器由指尖1、圓狀膜片2、十字梁3和外殼4組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，特別是彈性元件圓狀膜片2和十字梁3容易加工。
圖2是本發(fā)明中圓狀膜片的主視圖和側(cè)視圖。在本發(fā)明中敘述的圓狀膜片2經(jīng)螺栓22與指尖1連接，圓狀膜片2經(jīng)螺釘與十字梁3連接在一起。應(yīng)變電阻21由R9、R10、R11和R12組成，粘貼在圓狀膜片2上，構(gòu)成c組惠斯通電橋，用來(lái)獲取Fz的力信息，其中R9和R10位于螺栓22的根部，R11和R12位于圓狀膜片2的邊緣。通過(guò)改變圓狀膜片2的直徑或者厚度，可實(shí)現(xiàn)Fz方向量程和靈敏度的調(diào)整。
圖3是本發(fā)明中十字梁的主視圖和側(cè)視圖。本發(fā)明中敘述的十字梁3，每根梁的兩側(cè)面上置有應(yīng)變電阻31，在每?jī)善瑧?yīng)變電阻31中間的十字梁3上置有穿孔。十字梁3的端部有兩組連接件32和33，其中連接件32與圓狀膜片2經(jīng)螺釘相連接，連接件33與外殼4底部的連接件41經(jīng)螺釘相連接，并且連接件32、33分別在與其相連接部件的方向上呈有凸臺(tái)。
十字梁3上的應(yīng)變電阻31由兩組構(gòu)成，其中，應(yīng)變電阻R1、R2、R3、R4粘貼在Y軸上，構(gòu)成a組惠斯通電橋，用來(lái)獲取Fx的力信息，R5、R6、R7、R8粘貼X軸上，構(gòu)成b組惠斯通電橋，用來(lái)獲取Fy的力信息。傳感器的坐標(biāo)系遵守右手螺旋定則，X、Y軸分別位于十字梁3的軸線上，0-X-Y平面位于十字梁3的中心平面，在確定X、Y軸的方向后，即可確定Z軸的方向。通過(guò)改變十字梁3的結(jié)構(gòu)尺寸或者十字梁3上穿孔的直徑，可實(shí)現(xiàn)Fx、Fy量程和靈敏度的調(diào)整。
圖4為本發(fā)明中三維力信息獲取方法的原理圖。其中a組電橋中的R1、R2、R3和R4獲取Fx的力信息，b組電橋中的R5、R6、R7和R8用來(lái)獲取Fy的力信息，c組電橋中的R9、R10、R11和R12用來(lái)獲取Fz的力信息。
實(shí)施例本發(fā)明中的三維指力傳感器先將圓狀膜片2經(jīng)螺釘與十字梁3連接，再經(jīng)螺釘把外殼4與十字梁3連接起來(lái)，最后把指尖1安裝在圓狀膜片2的螺栓22上，傳感器就組裝完畢，將三維指力傳感器通過(guò)外殼4上的連接件41固定在機(jī)械手爪或者靈巧手上。當(dāng)手爪或者靈巧手抓取物體時(shí)，三維指力傳感器的指尖1感受到力，并通過(guò)螺栓22將力傳遞到圓狀膜片2和十字梁3上，圓狀膜片2和十字梁3就發(fā)生形變，粘貼在圓狀膜片2上的應(yīng)變電阻R9、R10、R11和R12與粘貼在十字梁3上的應(yīng)變電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7和R8都發(fā)生相應(yīng)的形變，由這些電阻組成的a組、b組和c組惠斯通電橋就有電壓信號(hào)輸出，其中a組電橋獲取Fx的力信息，b組電橋獲取Fy的力信息，c組電橋獲取Fz的力信息，測(cè)量這三組惠斯通電橋的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)標(biāo)定，就能夠?qū)崟r(shí)得到傳感器指尖1上感受到的三維力信息Fx、Fy和Fz。
三維指力傳感器能實(shí)時(shí)地檢測(cè)三維空間各手指的三維力信息Fx、Fy、Fz，利用這些力信息，機(jī)械手爪或者靈巧手的控制系統(tǒng)不但能檢測(cè)和控制抓取物體時(shí)的握力，而且還可以檢測(cè)被抓取物體的重量，以及判斷在抓取操作過(guò)程中是否存在滑動(dòng)、振動(dòng)等現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種三維指力傳感器，包括相互連接的觸頭、圓盤狀片、彈性件和殼體，以及置于其上的應(yīng)變電阻，其特征在于1.1、所說(shuō)觸頭為指尖(1)，所說(shuō)指尖(1)為半球狀，所說(shuō)半球狀的球心與連桿(22)相連接；1.2、所說(shuō)圓盤狀片為圓狀膜片(2)，所說(shuō)圓狀膜片(2)上置有相互垂直設(shè)置的兩組應(yīng)變電阻(21)，且其圓心處置有連桿(22)，所說(shuō)兩組應(yīng)變電阻(21)電連接成c組惠斯通電橋；1.3、所說(shuō)彈性件為十字梁(3)，所說(shuō)十字梁(3)的每根梁的兩側(cè)面上置有應(yīng)變電阻(31)、端部置有連接件(32，33)，所說(shuō)同一走向上的兩根梁上的應(yīng)變電阻(31)電連接成一組惠斯通電橋，所說(shuō)連接件(32)與所說(shuō)圓狀膜片(2)相連接；1.4、所說(shuō)殼體為外殼(4)，所說(shuō)外殼(4)的底部為連接件(41)，所說(shuō)連接件(41)與所說(shuō)連接件(33)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是連桿(22)為螺栓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是兩組應(yīng)變電阻(21)中的一組位于連桿(22)的根部、另一組位于圓狀膜片(2)的邊緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維指力傳感器，其特征是c組惠斯通電橋由應(yīng)變電阻R9、R10、R11、R12構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是十字梁(3)上置有穿孔，所說(shuō)穿孔位于所說(shuō)兩片應(yīng)變電阻(31)的中間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是應(yīng)變電阻(31)分別由a、b兩組構(gòu)成，其中，a組為應(yīng)變電阻R1、R2、R 3、R4，b組為R5、R6、R7、R8。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是連接件(32，33)分別在與其相連接部件的方向上呈有凸臺(tái)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是十字梁(3)的端部有兩組連接件(32、33)，其中連接件(32)與圓狀膜片(2)經(jīng)螺釘相連接，連接件(33)與外殼底部的連接件(41)經(jīng)螺釘相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器，其特征是殼體的連接件(41)上置有安裝孔和引線孔。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指力傳感器的信號(hào)獲取方法，包括接收惠斯通電橋的信號(hào)，其特征在于10.1、三維力信息中X維的信號(hào)Fx取自a組惠斯通電橋；10.2、三維力信息中Y維的信號(hào)Fy取自b組惠斯通電橋；10.3、三維力信息中Z維的信號(hào)Fz取自c組惠斯通電橋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種安裝在機(jī)器人靈巧手或手爪上，能夠同時(shí)檢測(cè)機(jī)器人手指三維力信息的傳感器及其信息獲取方法。傳感器包括指尖、粘貼有多只應(yīng)變電阻的彈性元件和外殼，其中彈性元件為圓狀膜片和有穿孔的十字梁，圓狀膜片上置有相互垂直設(shè)置的兩組應(yīng)變電阻，十字梁的每根梁的兩側(cè)面上置有一組應(yīng)變電阻，十字梁的端部置有連接件，傳感器的彈性元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工；基于三維指力傳感器中彈性元件為圓狀膜片和十字梁的結(jié)構(gòu)，三維力信息Fx、Fy、Fz分別取自a組、b組和c組惠斯通電橋，該方法能夠獨(dú)立獲取三維力信息Fx、Fy和Fz。
文檔編號(hào)G01L1/22GK1982860SQ200510123188
公開日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者吳仲城, 申飛, 戈瑜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院