CN107314852B - 一种手腕传感器 - Google Patents

Abstract

一种手腕传感器，包括支撑环、检测梁、安装块和检测感应片；检测梁两端固定于支撑环，检测感应片安装于检测梁；安装块安装于检测梁；支撑环与安装块分别安装于能产生位移的两个不同部件，当两个不同部件产生相对位移时，检测梁产生形变，使检测感应片感应所述检测梁的形变，该传感器能同时快速实时检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩。

Description

一种手腕传感器

技术领域

本发明涉及力传感器领域，尤其涉及应用于机器人关节部位的力传感器。

背景技术

随着机器人的不断发展，机器人与人类的交互越来越密切，机器人开始走向人类生活和娱乐方面，而不仅仅只是作为生产设备设置于工厂中从事加工生产，所以机器人的发展趋势会进一步地高智能化和高精细化。

机器人根据仿生原理，其运动模仿人类通过关节实现，为了让机器人能精准灵活的运动，且便于操控者对机器人、工业机械的动作进行控制，各种类型的力传感器被利用，尤其是在机器人关节处，一般需要做多自由度的工作，受力复杂，如果对力的检测数据不能实时反馈，或反馈的受力数据不精确，中枢系统就没有准确的参照数据，以至于操控者不能准确地对机器人进行相应的操控，并且非常不利于机器人的使用和维护，甚至会导致机器人损坏。

现有技术中，小型力传感器被装入作为电子设备输入装置的人机接口。为了实现小型化和结构简单化，还需要分别独立检测出关于三维空间内的各坐标轴的力，往往结构整体为环状、片状或二者的结合，以嵌套或叠加的方式组成，如日本特开2004-325367号公报(美国专利第7219561号公报)、日本特开2004-354049号公报(美国专利第6915709号公报)中公开有静电电容式多轴力传感器，静电电容元件式力传感器，其由一对电极构成电容元件，并根据电容元件的静电电容值检测由作用的力在其中一个电极上产生的位移，此类机械结构部的厚度都不可避免地增大，装置整体难以薄型化，难以大范围应用于机器人领域。

上述一类传感器存在的问题也是目前较多现有技术中普遍存在的问题，传感器应变点设置有限，往往在结构、安装和实用三个因素上不全面，结构简单的传感器不耐用，耐用的传感器结构又比较复杂，并且结构复杂的传感器在安装方面需要较多的精力。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种观测点多，并且整体结构有利于提高检测精度的手腕传感器，该装置能同时精准的检测各维度所受到的作用力，以及在多个方向上力的大小，和单一方向上力和力矩的大小。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种手腕传感器，包括支撑环、检测梁、安装块和检测感应片；所述检测梁两端固定于所述支撑环，所述检测感应片安装于所述检测梁；所述安装块安装于所述检测梁；所述支撑环与所述安装块分别安装于能产生位移的两个不同部件，当两个不同部件产生相对位移时，检测梁产生形变，使检测感应片感应所述检测梁的形变。

较佳地，所述检测梁有两个，以XY轴为平面，Z轴为中心，两个所述检测梁分别以X轴和Y轴方向设置，两个所述检测梁呈十字交叉状设置；两个所述检测梁处于同一平面，所述检测梁中心设有凹槽，所述检测梁之间通过所述凹槽相互避开。

较佳地，所述检测梁将所述支撑环内圈分隔为四个安装区域；所述安装区域中安装有所述安装块，所述安装块有四个；所述安装块安装于所述检测梁。

较佳地，所述检测梁包括检测段和凹槽，所述检测段中部粗两端细；所述检测梁包括两个所述连接段首尾相接构成，所述凹槽开设于所述检测梁中心；所述检测段中部设有扭向件，所述检测段两侧均安装有所述扭向件，所述扭向件用于安装所述安装块，所述扭向件为细条状弹性件。

进一步地，所述检测梁端部与所述支撑环之间均安装有弯折件，所述弯折件便于所述检测梁相对于所述支撑环产生形变。

较佳地，所述弯折件为设置于所述检测梁端部的弧形通孔，所述弧形通孔使所述检测梁端部与所述支撑环之间形成两片薄片状连接部。

进一步地，所述安装块设有上安装孔，所述支撑环设有下安装孔；所述上安装孔以环形阵列的方式开设于所述支撑环，所述下安装孔均开设于所述弧形通孔之间。

进一步地，所述检测梁顶部、底部、两侧和凹槽中均设有检测感应片。

较佳地，所述检测梁安装有检测感应片；所述检测梁中的X轴方向检测梁底面等间距设有第十一检测感应片、第十二检测感应片和第十三检测感应片；所述X轴检测梁与两个所述扭向件的接触部分别设有所述第十一检测感应片与所述第十三检测感应片；位于所述凹槽一侧等间距设有所述第八检测感应片、第九检测感应片和第十检测感应片，所述第九检测感应片位于凹槽中心线，所述X轴检测梁与两个所述扭向件接触部分别设有所述第八检测感应片以及第十检测感应片；所述凹槽两端最高处设有第五检测感应片和第六检测感应片，所述凹槽中心最低处设有第七检测感应片；以X轴和Z轴为平面，Y轴为中心，所述X轴检测梁左侧检测段与所述支撑环连接部位一上一下设有第十六检测感应片和第十五检测感应片；所述X轴检测梁右侧检测段与所述支撑环连接部位一上一下设有第十四检测感应片和第十七检测感应片；所述Y轴方向检测梁顶面位于所述凹槽中心线设有第一检测感应片，所述Y轴检测梁位于所述凹槽中心线两侧设有第二检测感应片和第四检测感应片，所述凹槽中心设有第三检测感应片。

本发明根据上述内容，提出一种手腕传感器，该装置包括一体化设置的支撑环、检测梁以及安装块，所述检测梁上设有检测感应片。所述支撑环相当于基座，当所述传感器安装固定后，所述安装块与所述支撑环用于装接设备，所述检测梁所述安装块用于接收外部作用力，当所述安装块受到所述外部作用力时，所述安装块带动所述检测梁，所述检测梁受力后，所述检测梁自身会发生一定的弹性形变，这种情况下，设置在对应位置的检测感应片可分别对所述传感器在X轴、Y轴、Z轴方向上受力情况进行检测，进而将所述传感器检测感应片置受力或力矩的情况检测并以数值形式输出。因为本方案中的传感器采用了十字交叉结构，但是交叉结构之间并不相连，从而更易于区分各分力，此外，该型传感器应点较多，能同时快速实时检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的俯视结构示意图；

图2是图1中实施例在A-A平面上感应片阵列示意图；

图3是一个实施例的X轴方向检测梁俯视图；

图4是一个实施例的X轴方向检测梁侧视图。

其中：支撑环100、弧形通孔110、下安装孔120、检测梁200、凹槽230、检测段240、安装块300、扭向件310、上安装孔320、第一检测感应片S1、第二检测感应片S2、第三检测感应片S3、第四检测感应片S4、第五检测感应片S5、第六检测感应片S6、第七检测感应片S7、第八检测感应片S8、第九检测感应片S9、第十检测感应片S10、第十一检测感应片S11、第十二检测感应片S12、第十三检测感应片S13、第十四检测感应片S14、第十五检测感应片S15、第十六检测感应片S16、第十七检测感应片S17。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1-4所述，一种手腕传感器，包括支撑环100、检测梁200、安装块300和检测感应片；所述检测梁200两端固定于所述支撑环100，所述检测感应片安装于所述检测梁200；所述安装块300安装于所述检测梁200；所述支撑环100与所述安装块300分别安装于能产生位移的两个不同部件，当两个不同部件产生相对位移时，检测梁200产生形变，使检测感应片感应所述检测梁200的形变；如图1和2所示，支撑环100与安装块300之间通过检测梁200连接，其中支撑环100与安装块300分别安装于不同的部件，安装块300便于部件安装，且安装块300的位置有利于检测数据更精确；所述检测感应片与所述检测电路电联接，当两个不同的部件产生相对位移时，带动所述检测梁200使其产生弹性变形，所述检测电路根据所述检测感应片的检测结果，输出对所述检测梁200作用的规定的坐标轴方向的力或绕规定的坐标轴的力矩的检测值。

其中，所述检测梁200有两个，以XY轴为平面，Z轴为中心，两个所述检测梁200分别以X轴和Y轴方向设置，两个所述检测梁200呈十字交叉状设置；两个所述检测梁处于同一平面，所述检测梁中心设有凹槽，所述检测梁之间通过所述凹槽相互避开；检测梁200包括Y轴检测梁210和X轴检测梁220，两检测梁200呈十字交叉不相连的方式设置，这种方式更利于多角度的受力和力矩检测，两检测梁200的受力相互不干扰，从而使检到的数据更精确，更易于区分和分辨各分力。

此外，所述检测梁200将所述支撑环100内圈分隔为四个安装区域；所述安装区域中安装有所述安装块300，所述安装块300有四个；所述安装块300安装于所述检测梁200。

安装块300安装于两个不相连的检测梁200，并且安装块有4个，这种安装方式对于各分力和力矩的检测更加灵敏和精细，当安装于安装块300的部件动作，则会带动检测梁，多个安装块带动检测梁能够检测到更多的数据进行分析，从而得到更精确的结果。

其中，所述检测梁200包括检测段240和凹槽230，所述检测段240中部粗两端细；所述检测梁200包括两个所述连接段240首尾相接构成，所述凹槽230开设于所述检测梁200中心；所述检测段240中部设有扭向件310，所述检测段240两侧均安装有所述扭向件310，所述扭向件310用于安装所述安装块300，所述扭向件310为细条状弹性件；连接梁与安装块之间设有扭向件310，扭向件310的作用是使检测装置更灵敏，同样的，检测段240的形状使检测梁220与支撑环之间更容易产生弹性形变，两种方式都是能容易检测到更小的力，进一步提升了传感器整体的检测精度。

此外，所述检测梁200端部与所述支撑环100之间均安装有弯折件，所述弯折件便于所述检测梁200相对于所述支撑环100产生形变；弯折件的作用是为了使检测梁200与支撑环100之间容易产生弹性形变，从而使检测感应片能够感应到检测梁200细微的形变，如此便能检测到更细微的力度数据，使检测结果更精确。

所述弯折件为设置于所述检测梁200端部的弧形通孔，所述弧形通孔使所述检测梁200端部与所述支撑环100之间形成两片薄片状连接部；弧形通孔110的设置是利于检测梁200的弹性形变，相对于实体的支撑环100，设置了弧形通孔110的支撑环与检测梁200之间更容易产生弹性形变，更容易产生弹性形变的目的就是使检测感应片能够检测到更细小的力，从使检测结果更精确。

所述安装块300设有上安装孔320，所述支撑环100设有下安装孔120；所述上安装孔320以环形阵列的方式开设于所述支撑环100，所述下安装孔120均开设于所述弧形通孔110之间；上安装孔320和下安装孔120的设置方式有利于其他部件的安装，并且安装孔的排列方式有利于对于分力及力矩的集中和传输，从而有利于分力及力矩的检测。

所述检测梁顶部、底部、两侧和凹槽中均设有检测感应片；感应片的位置设置于检测梁的各个部位，这些位置包括检测梁的顶部和底部，还包括检测梁的侧面，使感应片全方位设置于检测梁，两检测梁检测到的数据不相互干扰，从而能够立体的检测出X、Y、Z轴方面的分力或力矩数据。

所述检测梁200安装有检测感应片；所述X轴方向的检测梁200底面等间距设有第十一检测感应片S11、第十二检测感应片S12和第十三检测感应片S13；所述X轴检测梁200与两个所述扭向件310的接触部分别设有所述第十一检测感应片S11与所述第十三检测感应片S13；位于所述凹槽230一侧等间距设有所述第八检测感应片S8、第九检测感应片S9和第十检测感应片S10，所述第九检测感应片S9位于凹槽230中心线，所述X轴检测梁200与两个所述扭向件310接触部分别设有所述第八检测感应片S8以及第十检测感应片S10；所述凹槽230两端最高处设有第五检测感应片S5和第六检测感应片S6，所述凹槽230中心最低处设有第七检测感应片S7；以X轴和Z轴为平面，Y轴为中心，所述X轴检测梁220左侧检测段240与所述支撑环100连接部位一上一下设有第十六检测感应片S16和第十五检测感应片S15；所述X轴检测梁220右侧检测段240与所述支撑环100连接部位一上一下设有第十四检测感应片S14和第十七检测感应片S17；所述Y轴方向检测梁顶面位于所述凹槽中心线设有第一检测感应片S1，所述Y轴检测梁位于所述凹槽中心线两侧设有第二检测感应片S2和第四检测感应片S4，所述凹槽中心设有第三检测感应片S3；如图2所示，本发明的测点数比同类产品增加了许多，现代的计算机数据处理能力已经大大提高，在中大数据建立模型上更加高效了，应变片也更加便宜了，因此多点测力是个发展方向，所以对应于每一个分力和扭矩力都有10个以上的测力点主要测量其力的数值和方向，使力的测量更准确。

如图1所示，一种手腕传感器，设有支撑环100、检测梁200以及安装块300，所述检测梁200上设有检测感应片；所述支撑环100相当于基座，当所述传感器安装固定后，所述安装块300与所述检测梁200分别安装于不同的两个部件，所述检测梁200用于接收外部作用力，当所述安装块300受到所述外部作用力时，所述安装块300带动所述检测梁200，所述检测梁200受力后，所述检测梁200相对于所述支撑环100会发生形状变化，这种情况下，设置在对应位置的检测感应片可分别对所述传感器在X轴、Y轴、Z轴方向上受力情况进行检测，进而将所述传感器检测感应片置受力或力矩的情况检测并以数值形式输出。因为本方案中的传感器采用了十字交叉结构，但是交叉结构之间并不相连，从而更易于区分各分力，此外，该型传感器应点较多，能同时快速实时检测XYZ三维正交坐标系中各坐标轴方向的力以及绕各坐标轴的力矩中、关于至少一个轴的力或力矩，所述检测梁200材质为弹性材质；所述支撑环100具有一定的刚度，由于传感器是机器手传递载荷的组成部分，所以支撑环100使用刚性材料制作有利于提高设备的使用寿命。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种手腕传感器，其特征在于：包括支撑环、检测梁、安装块和检测感应片；

所述检测梁两端固定于所述支撑环，所述检测感应片安装于所述检测梁；

所述安装块安装于所述检测梁；

所述支撑环与所述安装块分别安装于能产生位移的两个不同部件，当两个不同部件产生相对位移时，检测梁产生形变，使检测感应片感应所述检测梁的形变；

所述检测梁有两个，以XY轴为平面，Z轴为中心，两个所述检测梁分别以X轴和Y轴方向设置，两个所述检测梁呈十字交叉状设置；

两个所述检测梁处于同一平面，所述检测梁中心设有凹槽，所述检测梁之间通过所述凹槽相互避开。

2.根据权利要求1所述的手腕传感器，其特征在于：所述检测梁将所述支撑环内圈分隔为四个安装区域；

所述安装区域中安装有所述安装块，所述安装块有四个；所述安装块安装于所述检测梁。

3.根据权利要求2所述的手腕传感器，其特征在于：所述检测梁包括检测段和凹槽，所述检测段中部粗两端细；

所述检测梁包括两个连接段首尾相接构成，所述凹槽开设于所述检测梁中心；

所述检测段中部设有扭向件，所述检测段两侧均安装有所述扭向件，所述扭向件用于安装所述安装块，所述扭向件为细条状弹性件。

4.根据权利要求3所述的手腕传感器，其特征在于：所述检测梁端部与所述支撑环之间均安装有弯折件，所述弯折件便于所述检测梁相对于所述支撑环产生形变。

5.根据权利要求4所述的手腕传感器，其特征在于：所述弯折件为设置于所述检测梁端部的弧形通孔，所述弧形通孔使所述检测梁端部与所述支撑环之间形成两片薄片状连接部。

6.根据权利要求5所述的手腕传感器，其特征在于：所述安装块设有上安装孔，所述支撑环设有下安装孔；

所述上安装孔以环形阵列的方式开设于所述支撑环，所述下安装孔均开设于所述弧形通孔之间。

7.根据权利要求6所述的手腕传感器，其特征在于：所述检测梁顶部、底部、两侧和凹槽中均设有检测感应片。

8.根据权利要求7所述的手腕传感器，其特征在于：所述检测梁安装有检测感应片；

所述检测梁中的X轴方向检测梁底面等间距设有第十一检测感应片、第十二检测感应片和第十三检测感应片；所述X轴检测梁与两个所述扭向件的接触部分别设有所述第十一检测感应片与所述第十三检测感应片；

位于所述凹槽一侧等间距设有第八检测感应片、第九检测感应片和第十检测感应片，所述第九检测感应片位于凹槽中心线，所述X轴检测梁与两个所述扭向件接触部分别设有所述第八检测感应片以及第十检测感应；

所述凹槽两端最高处设有第五检测感应片和第六检测感应片，所述凹槽中心最低处设有第七检测感应片；

以X轴和Z轴为平面，Y轴为中心，所述X轴检测梁左侧检测段与所述支撑环连接部位一上一下设有第十六检测感应片和第十五检测感应片；所述X轴检测梁右侧检测段与所述支撑环连接部位一上一下设有第十四检测感应片和第十七检测感应片；

所述Y轴方向检测梁顶面位于所述凹槽中心线设有第一检测感应片，所述Y轴检测梁位于所述凹槽中心线两侧设有第二检测感应片和第四检测感应片，所述凹槽中心设有第三检测感应片。