CN112146800A - 机器人加载力的测量装置、测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量设备技术领域，具体涉及一种机器人加载力的测量装置、测量系统及测量方法。本发明的测量装置包括底座、移动组件、拉压力传感器、加载杆、多个压力传感器和机器人末端，移动组件设于底座上，移动组件能够沿平行于底座所在平面且相互垂直的两个方向分别进行移动，拉压力传感器设于移动组件上，加载杆与拉压力传感器的顶部相连，拉压力传感器和加载杆能够随移动组件共同移动，多个压力传感器通过传感器支架设于底座上并贴合设于加载杆的外周壁，用于测量所述两个方向的压力，机器人末端与加载杆的顶部相连，用于驱动加载杆移动。根据本发明的测量装置，能够对空间内三个方向的力分别进行独立的测量输出，实现空间内三维力的测量。

Description

机器人加载力的测量装置、测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于测量设备技术领域，具体涉及一种机器人加载力的测量装置、 测量系统及测量方法。

背景技术

在世界工业机器人行业中，瑞士ABB、日本的安川电机(YASKAWA)、发 那科(FANUC)和德国的库卡(KUKA)在并称为国际四大家族，占据着工业机器 人市场的半壁江山。我国工业机器人发展非常迅速。当前形成了以新松机器人、 广州数控、芜湖埃夫特、南京埃斯顿为代表的国内工业机器人“四小家族”，但 在国际上市场占有率还仅有6％左右。高性能工业机器人，特别是6自由度以 上关节型工业机器人以及高性能减速机、关节电机等核心部件主要依靠进口。

目前国内工业机器人产业正由中低端向高中端产品(如高精度重载6自由 度工业机器人)转变。国产工业机器人企业最大短板在于缺乏自主知识产权的 核心技术，主要表现在精度、速度与负载能力不足、可靠性差。其中可靠性差 的问题最为凸显。随着工业机器人复杂功能逐渐增多，生产过程中产生的故障 也日益增多。此外，工业机器人的应用数量激增，应用场景日渐复杂，发生故 障后维修的难度和维修成本显著提高。在激烈的市场竞争中，机器人的高可靠 性显得非常重要。为了获得高可靠性的工业机器人，对其可靠性的检测和鉴定 便必不可少。

可靠性检测与常规检测不同，主要目的是通过系列试验诱发和暴露数控机 床的故障，测试其可以维持正常运行的时间。目前，国产工业机器人在运行过 程中出现的主要故障通常是功能性故障，这些故障是在机器人性能试验中无法 暴露的，必须经过长时间的现场运行才能够充分显现出来。然而，当前测试可 靠性的主要方法是“经时试验”，即给定机器人特定的工作条件，让机器人进行 搬运、焊接、装配等工作，通过筛选、老化及加速试验的方法发现并排除工业 机器人中的不良零部件及设计缺陷，以此检测机器人可靠性方面的缺陷，通过 弥补这些缺陷提高可靠性。该方法需要对生产车间中工业机器人工作现场的故 障数据进行收集，不可控因素过多，且耗时长、成本高、不利于工业机器人的 可靠性研究。

因此，现阶段急需一种能够模拟工业机器人在实际工作环境下所受动态载 荷的测试装置。该测试装置可以给工业机器人动态施加多维载荷，即在工业机 器人末端运动中，实现对其的随动并同时对其施加多维载荷，以模拟实际加工 过程中机器人所受到的各个方向上的力，建立尽量接近实际工况的测试环境以 测评机器人的可靠性。

测试装置实现对机器人动态施加多维载荷过程中，测量出多维加载的力大 小对于整个动态加载系统是一个非常关键的环节。常规的测量多维力的方式是 通过三维力传感器(包括X、Y、Z三个平移方向)或六维力传感器(除了沿三 个轴平移外，包括绕三个轴的转动)。但多维的力传感器通常价格昂贵、对于加 载装系统而言性价比较低，因此需要一种适用的测量多个自由度方向加载力大 小的工程方法。

发明内容

本发明的目的是至少解决无法准确测量多个方向的施加力大小的问题。该 目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提出了一种机器人加载力的测量装置，所述机器人加载 力的测量装置包括：

底座；

移动组件，所述移动组件设于所述底座上，所述移动组件能够沿平行于所 述底座所在平面且相互垂直的两个方向分别进行移动；

拉压力传感器，所述拉压力传感器设于所述移动组件上；

加载杆，所述加载杆与所述拉压力传感器的顶部相连，所述拉压力传感器 和所述加载杆能够随所述移动组件共同移动；

多个压力传感器，多个所述压力传感器通过传感器支架设于所述底座上并 贴合设于所述加载杆的外周壁，用于测量所述两个方向的压力；

机器人末端，所述机器人末端与所述加载杆的顶部相连，用于驱动所述加 载杆移动。

根据本发明的机器人加载力的测量装置，将机器人末端通过加载杆与拉压 力传感器相连，拉压力传感器通过移动组件与底座相连，同时拉压力传感器和 加载杆能够随移动组件沿平行于底座所在平面且相互垂直的两个方向进行移 动，并在加载杆的外周壁上贴合设有用于测量所述两个方向的压力的压力传感 器，当需要进行压力测量时，将底座与加载装置相连，加载装置控制底座沿平 行于底座所在平面且相互垂直的两个方向进行移动，底座同时带动多个压力传 感器共同移动，机器人末端驱动加载杆进行移动，加载杆同时带动拉压力传感 器和移动组件共同移动，由于移动组件能够相对于底座进行移动，从而能够使 底座和加载杆之间产生位移，并通过多个压力传感器测量平行于底座所在平面 且相互垂直的两个方向上的压力，同时机器人末端与加载装置之间在垂直于底 座所在平面的方向上的相对位移产生的拉压力通过拉压力传感器进行测量，从 而对空间内三个方向的力分别进行独立的测量输出，实现空间内三维力的测量。

另外，根据本发明的机器人加载力的测量装置，还可具有如下附加的技术 特征：

在本发明的一些实施方式中，所述移动组件包括：

第一滑板，所述第一滑板沿第一方向以可滑动的方式连接于所述底座；

第二滑板，所述第二滑板沿第二方向以可滑动的方式连接于所述第一滑板；

其中，所述第一方向和所述第二方向平行于所述底座所在平面且相互垂直。

在本发明的一些实施方式中，所述第一滑板的底部设有第一滑块，所述底 座上设有与所述第一滑块相配合的第一滑轨，所述第一滑块以可滑动的方式连 接于所述第一滑轨。

在本发明的一些实施方式中，所述第二滑板的底部设有第二滑块，所述第 一滑板上设有与所述第二滑块相配合的第二滑轨，所述第二滑块以可滑动的方 式连接于所述第二滑轨。

在本发明的一些实施方式中，所述压力传感器的数量为四个，四个所述压 力传感器中任意相邻的两个所述压力传感器间相隔90°设置。

在本发明的一些实施方式中，所述加载杆包括圆柱段和方形段，所述圆柱 段与所述机器人末端相连，所述方形段与拉压力传感器相连，多个所述压力传 感器贴合设于所述方形段的外周壁。

在本发明的一些实施方式中，所述机器人加载力的测量装置包括调节螺钉， 所述调节螺钉用于调节所述压力传感器与所述加载杆间的贴合度。

在本发明的一些实施方式中，所述传感器支架为箱体状结构，所述移动组 件、所述拉压力传感器和至少部分所述加载杆设于所述传感器支架形成的包容 空间内。

本发明的另一方面还提出了一种机器人加载力的测量系统，所述测量系统 包括上述任一项所述的机器人加载力的测量装置，所述测量系统还包括：

机器人，所述机器人设有所述机器人末端；

加载装置，所述加载装置与底座相连，用于控制所述底座相对加载杆运动；

信号采集装置，所述信号采集装置用于获取拉压力传感器输出的电信号和 压力传感器输出的电信号；

信号处理装置，所述信号处理装置与所述信号采集装置通讯连接，用于分 析处理所述拉压力传感器输出的电信号和所述压力传感器输出的电信号。

本发明的另一方面还提出了一种机器人加载力的测量方法，所述测量方法 根据上述所述的机器人加载力的测量系统进行测量，包括以下步骤：

采用机器人驱动机器人末端带动加载杆进行空间内的移动；

采用加载装置控制底板相对所述加载杆进行运动；

采用信号采集装置获取拉压力传感器输出的电信号和压力传感器输出的电 信号；

采用信号处理装置分析处理获取的所述拉压力传感器输出的电信号和所述 压力传感器输出的电信号。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其它的优点和益处对于本领 域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并 不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的 部件。其中：

图1为本发明实施方式中测量装置的剖面结构示意图；

图2为图1中测量装置的部分结构示意图；

图3为图2中测量装置的俯视图；

图4为图1中移动组件的部分结构示意图。

附图中各标号表示如下：

100：测量装置；

10：底座；

20：移动组件、21：第一滑板、22：第一滑块、23：第一滑轨、24：第二 滑板、25：第二滑块、26：第二滑轨；

30：拉压力传感器；

40：加载杆、41：圆柱段、42：方形段；

50：压力传感器；

60：机器人末端；

70：传感器支架；

81：调节螺钉、82：连接螺钉；

90：连接螺栓。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示 了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不 应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻 地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无 意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、 “一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含 有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元 件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操 作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不 解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。 还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区 域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语 所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、 层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的 术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论 的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可 以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一 个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内 部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种 空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的 不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征 下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或 者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方” 可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向) 并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。

结合图1至图3所示，本实施方式的机器人加载力的测量装置100包括底 座10、移动组件20、拉压力传感器30、加载杆40、多个压力传感器50和机器 人末端60，移动组件20设于底座10上，移动组件20能够沿平行于底座10所 在平面且相互垂直的两个方向分别进行移动，拉压力传感器30设于移动组件 20上，加载杆40与拉压力传感器30的顶部相连，拉压力传感器30和加载杆 40能够随移动组件20共同移动，多个压力传感器50通过传感器支架70设于 底座10上并贴合设于加载杆40的外周壁，用于测量所述两个方向的压力，机 器人末端60与加载杆40的顶部相连，用于驱动加载杆40移动。

根据本发明的机器人加载力的测量装置100，将机器人末端60通过加载杆 40与拉压力传感器30相连，拉压力传感器30通过移动组件20与底座10相连， 同时拉压力传感器30和加载杆40能够随移动组件20沿平行于底座10所在平 面且相互垂直的两个方向进行移动，并在加载杆40的外周壁上贴合设有用于测 量所述两个方向的压力的压力传感器50，当需要进行压力测量时，将底座10 与加载装置相连，加载装置控制底座10沿平行于底座所在平面且相互垂直的两 个方向进行移动，底座10同时带动多个压力传感器50共同移动，机器人末端 60驱动加载杆40进行移动，加载杆40同时带动拉压力传感器30和移动组件 20共同移动，由于移动组件20能够相对于底座10进行移动，从而能够使底座 10和加载杆40之间产生位移，并通过多个压力传感器50测量平行于底座10 所在平面且相互垂直的两个方向上的压力，同时机器人末端60与加载装置之间 在垂直于底座10所在平面的方向上的相对位移产生的拉压力通过拉压力传感 器30进行测量，从而对空间内三个方向的力分别进行独立的测量输出，实现空 间内三维力的测量。其中，三个方向分别为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。 X轴方向和Y轴方向平行于底座10所在平面且相互垂直，Z轴方向为垂直于底 座10所在平面的方向。

本实施方式的加载杆40包括圆柱段41和方形段42，圆柱段41与机器人 末端60相连，方形段42与拉压力传感器30相连，多个压力传感器50贴合设 于方形段42的外周壁。其中，圆柱段41与机器人末端60相连的一端具有盘状 结构的大径段，其表面设有多个贯穿设置的通孔，从而便于机器人末端60与圆 柱段41之间通过连接螺栓90连接。本实施方式的压力传感器50的数量为四个， 四个压力传感器50中任意相邻的两个压力传感器50间相隔90°设置。传感器 支架70为箱体状结构，移动组件20、拉压力传感器30和加载杆40的方形段 42设于传感器支架70形成的包容空间内。传感器支架70的四个侧面上均设有 四个同心设置的沉头孔，连接螺钉82插入沉头孔中并用于固定压力传感器50。 同时，与沉头孔分布在同一圆周上设有四个均布的螺纹通孔，将调节螺钉81插 入螺纹通孔内并压紧压力传感器50的表面，通过改变调节螺钉81的插入深度， 调整压力传感器50与加载杆40表面之间的预紧力，从而调整X轴方向和Y轴 方向上拉压力测量的准确性。本实施方式的连接螺钉82为沉头内六角螺钉。

本实施方式的加载杆40的方形段42设有四个外侧面，处于X轴方向上的 相对设置的两个外侧面上分别贴合设有一个压力传感器50，当加载杆40轴随 着机器人末端60在空间内沿着X方向运动时，X轴方向上的相对设置的两个 压力传感器50之间产生压力，输出X轴方向的加载力。同样的，处于Y轴方 向上的相对设置的两个外侧面上分别贴合设有一个压力传感器50，当加载杆40 轴随着机器人末端50在空间内沿着Y方向运动时，Y轴方向上的相对设置的 两个压力传感器50之间产生压力，输出Y轴方向的加载力。Z轴方向上拉压力传感器30的一端通过连接螺栓90与加载杆40的方形段42的底部相连，拉压 力传感器30的另一端通过连接螺栓90与移动组件20相连。当加载杆40随着 机器人末端60沿Z轴方向运动时，由拉压力传感器30输出Z轴方向的作用力。 从而通过本实施方式的测量装置100，通过四个压力传感器50和一个拉压力传 感器30，实现对空间内X轴方向、Y轴方向和Z轴方向的三维测量。

结合图4所示，本实施方式的移动组件20包括第一滑板21和第二滑板24。 其中第一滑板21的底部设有第一滑块22，底座10上设有与第一滑块22相配 合的第一滑轨23，第一滑块22以可滑动的方式连接于第一滑轨23。第一滑轨 23沿X轴方向设置，从而保证第一滑板21能够通过第一滑块22沿X轴方向 进行移动。第二滑板24的底部设有第二滑块25，第一滑板21上设有与第二滑 块25相配合的第二滑轨26，第二滑块25以可滑动的方式连接于第二滑轨26。 第二滑轨26沿Y轴方向设置，从而保证第二滑板24能够通过第二滑块25沿Y 轴方向进行移动。其中，第一滑轨23与第一滑块22间为滚动连接，从而减小 沿X轴方向运动时的摩擦力。第二滑轨26与第二滑块25间同样为滚动连接， 从而减小沿Y轴方向运动时的摩擦力。

本发明的另一方面还提出了一种机器人加载力的测量系统，该测量系统包 括上述任一项实施方式的机器人加载力的测量装置100，还包括机器人、加载 装置、信号采集装置和信号处理装置。机器人设有机器人末端60，加载装置与 底座10相连，用于控制底座10相对加载杆40运动，信号采集装置用于获取拉 压力传感器30的信号和压力传感器50的信号，信号处理装置与信号采集装置 通讯连接，用于分析处理拉压力传感器30的信号和压力传感器50的信号。

当通过本实施方式的测量系统进行加载力测试时，包括以下步骤：

采用机器人驱动机器人末端60带动加载杆40进行空间内的移动，采用加 载装置控制底板10相对加载杆40进行运动，从而使加载杆40的底面与Z轴方 向的拉压力传感器30之间会产生拉力或压力作用，同时使加载杆40的四个侧 面与传感器支架70内壁的X轴方向和Y轴方向的压力传感器50之间产生压力 作用，从而输出电信号。采用信号采集装置获取拉压力传感器30输出的电信号 和压力传感器50输出的电信号，并将采集到的电信号发送至信号处理装置。采 用信号处理装置分析处理获取的拉压力传感器30输出的电信号和压力传感器 50输出的电信号。最终将空间内三个方向的力分别进行独立的测量输出，实现空间内三维力的测量。由于结构简单，可以根据测量力的的大小合理选择合适 量程的拉压力传感器30对该测量装置100进行调整，实现不同范围内的压力测 量，通过调整X轴方向和Y轴方向上的调节螺钉81的预紧力调整测量结果的 精确度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种机器人加载力的测量装置，其特征在于，包括：

底座；

移动组件，所述移动组件设于所述底座上，所述移动组件能够沿平行于所述底座所在平面且相互垂直的两个方向分别进行移动；

拉压力传感器，所述拉压力传感器设于所述移动组件上；

加载杆，所述加载杆与所述拉压力传感器的顶部相连，所述拉压力传感器和所述加载杆能够随所述移动组件共同移动；

多个压力传感器，多个所述压力传感器通过传感器支架设于所述底座上并贴合设于所述加载杆的外周壁，用于测量所述两个方向的压力；

机器人末端，所述机器人末端与所述加载杆的顶部相连，用于驱动所述加载杆移动。

2.根据权利要求1所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述移动组件包括：

第一滑板，所述第一滑板沿第一方向以可滑动的方式连接于所述底座；

第二滑板，所述第二滑板沿第二方向以可滑动的方式连接于所述第一滑板；

其中，所述第一方向和所述第二方向平行于所述底座所在平面且相互垂直。

3.根据权利要求2所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述第一滑板的底部设有第一滑块，所述底座上设有与所述第一滑块相配合的第一滑轨，所述第一滑块以可滑动的方式连接于所述第一滑轨。

4.根据权利要求2所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述第二滑板的底部设有第二滑块，所述第一滑板上设有与所述第二滑块相配合的第二滑轨，所述第二滑块以可滑动的方式连接于所述第二滑轨。

5.根据权利要求1所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述压力传感器的数量为四个，四个所述压力传感器中任意相邻的两个所述压力传感器间相隔90°设置。

6.根据权利要求1所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述加载杆包括圆柱段和方形段，所述圆柱段与所述机器人末端相连，所述方形段与拉压力传感器相连，多个所述压力传感器贴合设于所述方形段的外周壁。

7.根据权利要求1所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述机器人加载力的测量装置包括调节螺钉，所述调节螺钉用于调节所述压力传感器与所述加载杆间的贴合度。

8.根据权利要求1所述的机器人加载力的测量装置，其特征在于，所述传感器支架为箱体状结构，所述移动组件、所述拉压力传感器和至少部分所述加载杆设于所述传感器支架形成的包容空间内。

9.一种机器人加载力的测量系统，其特征在于，包括根据权利要求1至8中任一项所述的机器人加载力的测量装置，所述测量系统还包括：

机器人，所述机器人设有所述机器人末端；

加载装置，所述加载装置与底座相连，用于控制所述底座相对加载杆运动；

信号采集装置，所述信号采集装置用于获取拉压力传感器输出的电信号和压力传感器输出的电信号；

信号处理装置，所述信号处理装置与所述信号采集装置通讯连接，用于分析处理所述拉压力传感器输出的电信号和所述压力传感器输出的电信号。

10.一种机器人加载力的测量方法，其特征在于，根据权利要求9所述的机器人加载力的测量系统进行测量，包括以下步骤：

采用机器人驱动机器人末端带动加载杆进行空间内的移动；

采用加载装置控制底板相对所述加载杆进行运动；

采用信号采集装置获取拉压力传感器输出的电信号和压力传感器输出的电信号；

采用信号处理装置分析处理获取的所述拉压力传感器输出的电信号和所述压力传感器输出的电信号。

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