專利名稱：帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器及其力矢量信息獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及智能機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種能夠同時(shí)檢測力信息的大小、方向、作用點(diǎn) 的微型力傳感器及其力矢量信息獲取方法。
背景技術(shù)：
智能機(jī)器人技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)和生活中起著越來越重要的作用，為了使智能機(jī)器人能夠準(zhǔn) 確無誤的完成指定的工作，對外界環(huán)境精確和及時(shí)的感知必不可少，因此智能機(jī)器人應(yīng)該具 備可以感受外界力信息的力覺傳感器。另外， 一些空間坐標(biāo)檢測裝置也可以通過作用點(diǎn)信息 來得到精確的坐標(biāo)信息。目前存在的力覺傳感器主要有六維和三維的力和力矩傳感器，如專利公開號(hào)為CN 1527040A的"微型全平面六維力、力矩傳感器"、專利公開號(hào)為CN 1982860A的"三維指 力傳感器及其信息獲取方法"等。其中，專利公開號(hào)為CN 1527040A的"微型全平面六維 力、力矩傳感器"，采用由中心體、外圈梁組成扁平盤結(jié)構(gòu)，并在扁平盤上粘貼應(yīng)變片實(shí)現(xiàn) 同時(shí)對任意空間的三維力矩和三維力的測量。這類傳感器只能對三維力或者三維力矩的大小 進(jìn)行檢測，不能檢測力的作用點(diǎn)。因?yàn)橄嗤笮『头较虻牧ψ饔迷诓煌恢脮?huì)造成不同的效 果，所以能同時(shí)檢測受力大小、方向和受力點(diǎn)的力傳感器顯得十分重要。而上述現(xiàn)有技術(shù)一 般只注重智能機(jī)器人在操作時(shí)的三維力和三維力矩信息，忽略了力矢量的作用點(diǎn)信息。少數(shù) 的傳感器雖然考慮到了作用點(diǎn)信息，但是建立在對三維力和三維力矩信息基礎(chǔ)上。并且現(xiàn)在 的大部分傳感器都未能考慮過載保護(hù)，使得傳感器無法避免在過載時(shí)造成的損壞。在現(xiàn)有技 術(shù)中，可以同時(shí)檢測所受力的大小、方向和受力點(diǎn)的力傳感器還很少，專利號(hào)為US4635479 的"Force sensing apparatus",雖然實(shí)現(xiàn)了對作力用的大小、方向和作用點(diǎn)的檢測。但該 傳感器需要在檢測到三維力信息和三維力矩信息的基礎(chǔ)上才能對作用點(diǎn)進(jìn)行估算。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)存在的問題和缺陷，提出一種新型的帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器及其力矢量信息獲取方法，其能同時(shí)獲取力矢量的大小、方向和作 用點(diǎn)信息，并能防止因傳感器受力超過額定值時(shí)對傳感器造成損壞。本發(fā)明的技術(shù)方案是帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器，包括相互連接的指尖、彈性體和底座。指尖是智能機(jī)器人力傳感器中的受力體，采用半球或者半橢球形狀或其它任何曲面方程已知的形狀，置于傳感器的頂端，指尖底部的圓筒體部分置有內(nèi)螺紋；底座內(nèi)置硬件電 路板；彈性體為雙E型膜結(jié)構(gòu)(所謂E型膜指該膜的縱剖面呈E字形)，上E型膜和下E型 膜相背設(shè)置，其間留有間距，通過中間傳力柱使上E型膜和下E型膜相互連接為一體。上、 下E型膜的外圓都置有外螺紋，其中上E型膜的外圓的外螺紋與指尖底部圓筒體部分的內(nèi) 螺紋連接；底座內(nèi)置有內(nèi)螺紋與彈性體下E型膜外螺紋連接，在底座的底部置有四個(gè)均布的 螺紋孔用于與外界相連，底座的中心置有導(dǎo)線孔用于引出導(dǎo)線。當(dāng)傳感器的指尖接觸外界時(shí)， 力將通過整個(gè)傳感器傳遞到傳感器的后續(xù)部件，由于指尖和底座的剛度比彈性體的剛度大， 主要的彈性變形將發(fā)生在彈性體上。彈性體的相對薄弱環(huán)節(jié)是上、下E型膜，所以由受力產(chǎn) 生的彈性變形絕大部分都發(fā)生在上、下E型膜上，由于上E型膜和下E型膜之間留有間距， 當(dāng)受到超過額定值的外力時(shí)，傳感器可以得到有效的過載保護(hù)。根據(jù)應(yīng)變電測技術(shù)，粘貼在 上、下E型膜上的應(yīng)變片組成的檢測電路將把上、下E型膜的彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。通 過所述硬件電路板對信號(hào)進(jìn)行調(diào)零、放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算，最 后通過通訊接口將獲得的力信息傳送出去。目前,基于應(yīng)變電測原理的力傳感器大都尺寸龐大，為滿足對力傳感器的微型尺寸要求， 本發(fā)明的帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器外徑尺寸為4"24mm,軸向尺寸為30mm。傳感器 所有的連接都是通過各個(gè)零件上的螺紋，不需要另外的連接件。彈性體的結(jié)構(gòu)是由上、下E型膜通過中間的中間傳力柱相連為一體。在上、下E型膜 的上放置傳感器的檢測電路組成相應(yīng)的全橋檢測電路，其中，上E型膜向上的一面帖有兩組 應(yīng)變片組成檢測電路分別用來檢測Mx和My,下E型膜向下的一面帖有三組應(yīng)變片組成檢 測電路分別用來檢測Fx, Fy和Fz。根據(jù)檢測到的五維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mx和My與指 尖的曲面方程可以得到力的作用點(diǎn)，即指尖傳感器與外界的接觸點(diǎn)。傳感器的坐標(biāo)原點(diǎn)在已 知曲面方程坐標(biāo)原點(diǎn)位置。外力F作用于傳感器上的某一點(diǎn)，這點(diǎn)的坐標(biāo)位置為(x，y，z)， 外力F可以分解成作用在作用點(diǎn)處的三個(gè)軸向分量Fx， Fy和Fz。外力F也可以等效為作用 在坐標(biāo)原點(diǎn)的三個(gè)力Fx, Fy， Fz和三個(gè)繞坐標(biāo)原點(diǎn)的力矩Mx， My, Mz。并且這三個(gè)力Fx, Fy， Fz和三個(gè)力矩Mx， My, Mz與外力F有如下關(guān)系5Fx = Fcosyff cos" F少=F cos y9 sin a Fz =Fsiny9其中a為外力F在水平面的分量Fcos/ 與OX軸的夾角，-為外力F與水平面的夾角。 考慮到本傳感器沒有對Mz進(jìn)行檢測，所以方程(1)改為-F義=F cos /5 cos or Fy = F cos / sin FT = _F sin "' (2)A/^ = z +《 x其中，/(JC，少,z)-0為指尖曲面方程。由此可知，當(dāng)指尖的曲面方程已知時(shí)，就可以由五 維力傳感器檢測得的《,Fy,《，M^My及指尖的曲面方程得到外力F的大小，外力F在水平面的分量Fcos/ 與OX軸的夾角o:，外力F與水平面的夾角"及外力的作用點(diǎn)坐標(biāo)(x,y，z)。即得到外力矢量信息。通過裝配后在指尖和底座之間形成的間距達(dá)到機(jī)械過載保護(hù)目地，傳感器在外力的作用 下會(huì)發(fā)生彈性變形，使得指尖和底座之間的間距變小，當(dāng)所受到的外力超過傳感器的額定值 時(shí)，指尖和底座之間的間距變小到零，指尖與底座會(huì)相互接觸，使力經(jīng)底座傳遞而不經(jīng)過彈 性體避免對彈性體的破壞。調(diào)整指尖與底座之間的間距的大小就能調(diào)整傳感器允許額定值， 保護(hù)彈性體不發(fā)生過大的應(yīng)變而造成永久破壞。 由此相對于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明的有益效果是.-本發(fā)明充分考慮到智能機(jī)器人作業(yè)時(shí)過載保護(hù)和作用點(diǎn)位置信息的重要性，采用雙E 型膜結(jié)構(gòu)的彈性體達(dá)到檢測接觸面法向的力Fz、切向的力Fx、 Fy，繞切向轉(zhuǎn)矩Mx和My。 并根據(jù)得到的五維力信息和指尖的曲面方程得到力矢量的作用點(diǎn)坐標(biāo)。這樣就可以得到力矢 量的大小、方向和作用點(diǎn)等矢量信息。采用機(jī)械保護(hù)模式來完成過載保護(hù)，當(dāng)傳感器受力超 過允許的額定值時(shí)，傳感器的指尖與底座會(huì)接觸到一起，防止傳感器的永久損壞。智能機(jī)器 人可以利用這些力信息達(dá)到檢測和控制抓取物體時(shí)的握力，并且還可以檢測被抓取物體的重量，以及在抓取操作過程中的抓取狀態(tài)，如是否存在滑動(dòng)、振動(dòng)等現(xiàn)象，為智能機(jī)器人完成 作業(yè)提供硬件基礎(chǔ)。本發(fā)明傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、容易標(biāo)定、可以用于惡劣的環(huán)境下獲取力信,息。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的傳感器彈性體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的傳感器指尖示意圖；圖4為本發(fā)明的傳感器底座示意圖；圖5為本發(fā)明的傳感器裝配后的示意圖；圖6為傳感器彈性體上應(yīng)變片的貼片示意圖；圖7為本發(fā)明的傳感器受力示意圖；圖8為傳感器信息獲取示意圖。
具體實(shí)施方式
圖1為本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器包括指尖1，彈性 體2和底座3,其中彈性體2由上E型膜21 ，中間傳力柱22和下E型膜23組成。傳感器 結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，尤其是彈性體2相對一般的力傳感器結(jié)構(gòu)十分簡單，便于保證彈性體 的加工精度和降低成本。圖2是本發(fā)明的彈性體的剖去1/4后的結(jié)構(gòu)示意圖。上E型膜21和下E型膜23通過中 間傳力柱22連在一起,中間傳力柱22有一個(gè)通孔便于上E型膜21的檢測電路的導(dǎo)線引出。 上E型膜21和下E型膜23的外圓周都有螺紋。其中，上E型膜21的外圓周的螺紋用來與 指尖的內(nèi)螺紋相連，下E型膜22的外圓周的螺紋用來與底座的內(nèi)螺紋相連。圖3為本發(fā)明的傳感器指尖示意圖。傳感器是通過指尖的外表面與外界接觸的，可以采 用半球面、半橢球面或其它曲面作為指尖的外表面。指尖的圓筒體部分有內(nèi)螺紋與彈性體相 連。圖4為本發(fā)明的傳感器底座示意圖。底座的內(nèi)圓有內(nèi)螺紋與彈性體相連，底座的下端有 四個(gè)螺紋孔用來與外界連接固定，底座的下端圓心有一個(gè)導(dǎo)線孔用來引出導(dǎo)線，底座內(nèi)部有 一個(gè)空腔用來安放傳感器的硬件電路板。圖5為傳感器裝配后的示意圖。傳感器裝配完成后在底座與指尖之間會(huì)有條軸向尺寸一 定的間距，用作傳感器的過載保護(hù)機(jī)制。圖6為傳感器彈性體上應(yīng)變片的貼片示意圖。其中附圖6左圖為上E型膜的貼片方式， 共貼有8片初始電阻值相等的應(yīng)變片R1 R8，分為二組，R1、 R2、 R3、 R4構(gòu)成組一用于 檢測繞X軸的轉(zhuǎn)矩Mx,沿Y方向貼放；R5、 R6、 R7、 R8構(gòu)成組二用于檢測繞Y軸的轉(zhuǎn)矩 My,沿X方向貼放；附圖7右圖為下E型膜的貼片方式，共帖有12片初始值相等的應(yīng)變片 R9 R20，分為三組，R9、 R10、 R11、 R12構(gòu)成組三用于檢測Fz，與X軸成45度帖放；R13、 R14、 R15、 R16構(gòu)成組四用于檢測Fx，沿X軸帖放；R17、 R18、 R19、 R20構(gòu)成組五用于 檢測Fy，沿Y軸貼放。上述五組應(yīng)變片通過中間傳力柱的通孔連接在一起構(gòu)成五組全橋檢 測電路，并與硬件電路板相聯(lián)接。圖7為傳感器的受力示意圖。外力F作用在傳感器的(x， y， z)夕卜，其可以等效為作用 在坐標(biāo)原點(diǎn)的三個(gè)力Fx， Fy， Fz和三個(gè)力矩Mx， My， Mz。圖8為傳感器信息獲取示意圖。當(dāng)有外力作用在傳感器上時(shí)，傳感器的彈性體接受從指 尖傳來的力發(fā)生一定量的彈性形變，粘貼在彈性體上的應(yīng)變片隨彈性體發(fā)生變形，應(yīng)變片的 電阻亦發(fā)生改變，電阻變化率的大小與應(yīng)變片粘貼處彈性體的應(yīng)變的大小成比例變化，五組 電橋分別將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，由于這種電壓變化很小，所以用硬件電路 板對信號(hào)進(jìn)行調(diào)零、放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算，最后通過通訊接口 將獲得的力信息傳送出去。實(shí)施例1:參見圖1-8,本發(fā)明中的五維力傳感器先將由20片應(yīng)變片組成的五組全橋檢 測電路粘貼在彈性體的上E型膜和下E型膜上，每四片為一組，其中上E型膜向上的一面 粘貼兩組用來檢測Mx和My,下E型膜向下的一面粘貼三組用來檢測Fx、 Fy和Fz，將五組 檢測電路與置于底座空腔中的硬件電路板中的放大電路連接，硬件電路板的電源輸入與輸出 通過底座中部的導(dǎo)線孔引出與外界的電路處理板相連。將上E型膜與指尖旋合連接，下E 型膜與底座旋合連接完成傳感器的裝配。通過底座上的四個(gè)螺紋孔與具體應(yīng)用場合連接固 定。當(dāng)有力作用在傳感器指尖時(shí)，傳感器將發(fā)生一定的彈性變形，由于指尖與底座的剛度比 彈性體的剛度大，所以彈性變形將主要發(fā)生在彈性體上，檢測電路實(shí)時(shí)將彈性體上的彈性應(yīng) 變轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，輸出信號(hào)經(jīng)硬件電路板相應(yīng)的處理得到力的大小和力矢量的信息。 實(shí)時(shí)為力控制提供受到的力矢量信息。本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)簡單、容易標(biāo)定，獲取的力信息 精度高、可靠性好。實(shí)施例2:以指尖的曲面是球面為例，根據(jù)檢測到的五維力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mx和My與指尖的球面方程可以得到力的作用點(diǎn)，即指尖傳感器與外界的接觸點(diǎn)。傳感器的坐標(biāo)原點(diǎn)在半球的球心位置。外力F作用于傳感器上的某一點(diǎn)，這點(diǎn)的坐標(biāo)位置為(x， y， z),外力F可以分解成作用在作用點(diǎn)處的三個(gè)軸向分量Fx, Fy和Fz。外力F也可以等效為作用在坐標(biāo)原點(diǎn)的三個(gè)力Fx， Fy， Fz和三個(gè)繞坐標(biāo)原點(diǎn)的力矩Mx, My， Mz。并且這三個(gè)力Fx,Fy, Fz和三個(gè)力矩Mx， My, Mz與外力F有如下關(guān)系Fj = Fcos"cosa 巧=F cos yff sin or Fz = F sin ;9少 z ^風(fēng)=《-少+尸,2其中a為外力F在水平面的分量Fcosp與OX軸的夾角，"為外力F與水平面的夾角。考慮到本傳感器沒有對Mz進(jìn)行檢測，所以方程(1)改為= F cos " cos a F少=i7 cos々sin aK = F sin "' (2)x2十y2 +z2 =r2其中，r為球的半徑。由此可知，當(dāng)指尖的曲面方程己知時(shí)，就可以由五維力傳感器檢測得 的《,g,Fz,Mx,My及指尖的曲面方程得到外力F的大小，外力F在水平面的分量Fcos"與OX軸的夾角a，外力F與水平面的夾角"及外力的作用點(diǎn)坐標(biāo)(x, y， z)。即得到外力矢量信息。其它曲面方程已知的指尖形狀，其獲取力矢量信息方法以此類推，具體步驟如下a) 傳感器的坐標(biāo)系與指尖曲面方程的坐標(biāo)系重合；b) 外力的矢量信息大小(F)，作用點(diǎn)坐標(biāo)位置(x，y，z)和外力的方向(a，々)由 方程組(2)獲取C)五組全橋檢測電路分別將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，通過所述硬件電路 板對信號(hào)進(jìn)行調(diào)零、放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算，最后通過通訊接口 將獲得的力信息傳送出去。
權(quán)利要求
1、帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器，包括指尖(1)、彈性體(2)和底座(3)，三者相互連接；所述指尖(1)為該傳感器與外界接觸的接口，采用任何曲面方程已知的形狀；所述底座(3)內(nèi)置硬件電路板，其特征在于所述彈性體(2)為雙E型膜結(jié)構(gòu)，上E型膜(21)和下E型膜(23)相背設(shè)置，其間留有間距，通過中間傳力柱(22)使上E型膜(21)和下E型膜(23)相互連接為一體；所述中間傳力柱(22)置有通孔；所述上E型膜(21)和下E型膜(23)置有應(yīng)變片組成的檢測電路并通過所述中間傳力柱(22)的通孔連接在一起構(gòu)成五組全橋檢測電路，并與所述硬件電路板相聯(lián)接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器，其特征在于所述上E型膜 (21)上面粘貼有兩組全橋檢測電路用來檢測傳感器受力時(shí)受到的繞x軸的轉(zhuǎn)矩Mx和繞y軸的轉(zhuǎn)矩My;所述下E型膜(23)上面粘貼有三組全橋檢測電路用來檢測傳感器受力時(shí)受 到的沿x軸的力Fx、沿y軸的力Fy和沿z軸的力Fz。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器，其特征在于所述上E型膜 (21)上面粘貼8片初始電阻值相等的應(yīng)變片R1 R8，構(gòu)成兩組全橋檢測電路，其中R1、R2、 R3、 R4構(gòu)成組一用于檢測繞X軸的轉(zhuǎn)矩Mx,沿Y軸方向貼放;，R5、 R6、 R7、 R8構(gòu) 成組二用于檢測澆Y軸的轉(zhuǎn)矩My，沿X軸方向貼放；所述下E型膜(23)上面粘貼有12 片初始值相等的應(yīng)變片R9 R20，構(gòu)成三組全橋檢測電路分為三組，其中R9、 R10、 R11、 R12構(gòu)成組三用于檢測Fz,與X軸成45度帖放；R13、 R14、 R15、 R16構(gòu)成組四用于檢測 Fx,沿X軸帖放；R17、 R18、 R19、 R20構(gòu)成組五用于檢測Fy，沿Y軸貼放。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器，其特征在于所述上E型膜 (21)和下E型膜(23)的外圓置有外螺紋，所述底座(3)內(nèi)部置有內(nèi)螺紋；其中上E型膜(21)的外螺紋和所述的指尖(1)的圓筒體部分上的內(nèi)螺紋相連，其中下E型膜(23) 的外螺紋與底座(3)的內(nèi)螺紋相連。
5、 一種獲取權(quán)利要求1所述的五維力傳感器的力矢量信息獲取方法，其特征在于a) 傳感器的坐標(biāo)系與指尖曲面方程的坐標(biāo)系重合；b) 外力的矢量信息大小(F)，作用點(diǎn)坐標(biāo)位置(x，y，z)和外力的方向("，")由 以下方程組獲取2<formula>formula see original document page 3</formula>乾=Fr-z + F,x其中a為外力F在水平面的分量Fcos/ 與OX軸的夾角，/ 為外力F與OXY平面的夾角，/(x,;;,z)二0為指尖曲面方程，《,^^,《,Jl^，My為五維力傳感器檢測得到的五維 力信息；C)所述五組全橋檢測電路分別將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，通過所述硬件 電路板對信號(hào)進(jìn)行調(diào)零、放大、模擬濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)值計(jì)算，最后通過通訊 接口將獲得的力信息傳送出去。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶過載保護(hù)的微型五維力傳感器及其力矢量信息獲取方法，用于安裝在機(jī)器人或者操作手上，傳感器由指尖、雙E型膜結(jié)構(gòu)的彈性體和底座組成。采用應(yīng)變電測技術(shù)，通過中間傳力柱連接在一起的雙E型膜作為彈性體，在彈性體上粘貼應(yīng)變片，同時(shí)獲取作用在傳感器上的五維力信息。并根據(jù)獲得的五維力信息換算出外力的大小、方向和作用點(diǎn)等力矢量信息。本發(fā)明的傳感器具有過載保護(hù)機(jī)制，能防止因?yàn)閭鞲衅鞯墓ぷ鳝h(huán)境惡劣如外力波動(dòng)大等原因?qū)鞲衅髟斐捎谰眯云茐摹?br> 文檔編號(hào)G01L1/20GK101598613SQ20091011663
公開日2009年12月9日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者梁橋康, 葛運(yùn)建 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院