CN114454217B - 一种冗余感知的多维力传感器及力控机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冗余感知的多维力传感器和力控机器人，所述冗余感知的多维力传感器包括：外部框架、内部平台、应变式检测组件和电容式检测组件，所述应变式检测组件包括应变梁和设置于所述应变梁的应变片，所述电容式检测组件包括检测电路单元和位移梁，所述多维力传感器通过所述应变式检测组件和电容式检测组件冗余检测力/力矩信息，将所述应变式检测组件和电容式检测组件的其中之一的检测结果作为基准值，其中另一的检测结果作为参考值，所述应变梁、位移梁和所述内部平台形成为一体结构。本发明具体实施例的有益效果在于：多维力传感器冗余检测力信息，工作稳定性和准确性得到提升，同时一体化的结构设计简单且易于加工。

Description

一种冗余感知的多维力传感器及力控机器人

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种用于测量力/力矩的冗余感知的多维力传感器及力控机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，对机器人执行机构末端的力控需要也日益增多。多维力传感器能够检测空间中力和力矩的大小，能够满足机器人末端的力控需求，以丰富机器人能够执行的工作类型。机器人领域对多维力传感器工作的可靠性、准确性提出的更高的要求，以及对于一些结构较为紧凑的产品，例如协作机器人，要求多维力传感器的结构紧凑、体积较小。

申请号为CM2010057766的专利提供了一种采用双十字梁的传感器设计，减小了维间耦合，提高了传感器精度，但是传感器体积较大，不适合应用于工业机器人；；申请号为CN201620008204的专利提供了一种结构更为紧凑的六维力传感器，整体体积小，高度低，但是具有量程小的特点。申请号为CN201910064852的专利提供了一种具有蛇形结构梁的力传感器，对传统十字梁进行改进设计，提高弹性体受力时的灵敏度，但当力传感器整体尺寸较小时，该蛇形结构梁间隙较小，难以加工制作。申请号为CN201910524444的专利提供了一种应用于工业现场的六维力传感器，采用传统的十字梁结设计，设置了限位结构，具有一定的扛过载能力，但传统十字梁刚度较大，传感器灵敏度较低，难以适用于机器人执行机构末端。

同时，在保证传感器的灵敏度和体积的基础上，当多维力传感器应用于机器人等工作场景下时，对多维力传感器的稳定性、数据可靠性提出了更高要求，以避免机器人产生误判，甚至损坏机器人。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种易于加工、工作可靠性和稳定性较好的多维力传感器和力控机器人，以解决现有技术中的多维力传感器结构复杂难以加工且无法保证工作可靠性的问题。

本发明可采用如下技术方案：一种冗余感知的多维力传感器，包括外部框架、内部平台、应变式检测组件和电容式检测组件，所述应变式检测组件包括连接所述内部平台和外部框架的应变梁和设置于所述应变梁的应变片，所述电容式检测组件包括检测电路单元和连接于所述内部平台的位移梁，所述多维力传感器通过所述应变式检测组件和电容式检测组件冗余检测力/力矩信息，将所述应变式检测组件和电容式检测组件的其中之一的检测结果作为基准值，其中另一的检测结果作为参考值，所述应变梁、位移梁和所述内部平台形成为一体结构。

进一步的，所述多维力传感器包括多个应变梁以周向均布于内部平台和外部框架之间，所述应变梁形成为四棱台结构，所述四棱台结构的大头端连接于所述内部平台，小头端连接于所述外部框架。

进一步的，所述位移梁向所述外部框架延伸并与所述外部框架之间形成间隙，所述位移梁靠近外部框架的一端包括负极面，所述负极面与所述检测电路单元的电极端形成电容，所述负极面与所述检测电路单元之间的重叠面积和/或间距为预设值，所述检测电路单元固定安装，所述位移梁受力移动以根据电容变化检测力/力矩信息。

进一步的，所述负极面形成为L形切面，所述L形切面包括第一极面和与所述第一极面正交的第二极面，所述第一极面和第二极面与所述检测电路单元之间的间距大于0.05毫米且小于0.45毫米。

进一步的，所述第一极面和第二极面与检测电路单元之间存在重叠面积，所述位移梁移动时，所述第一极面和第二极面其中之一与检测电路单元之间的重叠面积变化，其中另一的重叠面积保持不变。

进一步的，所述位移梁包括向外部框架延伸的水平梁以及形成于所述水平梁端部的竖直梁，所述竖直梁形成于所述水平梁靠近外部框架的端部，所述L形切面形成于所述竖直梁。

进一步的，所述位移梁相对于所述应变梁在高度方向下沉设置。

进一步的，所述外部框架包括浮动梁以及连接相邻浮动梁的支撑部，所述支撑部向内部平台延伸以形成延伸部，所述延伸部和位移梁之间形成间隙以使得多维力传感器具有过载保进一步的，相邻应变梁之间设置有两个位移梁，所述两个位移梁形成为具有弧形缺口，所述延伸部具有与所述弧形缺口配合的弧形凸起。

进一步的，所述多维力传感器的内部平台包括形成于中部的安装孔，所述内部平台包括矩形的凸起部分以适用于压装安装方式。

本申请还可采用如下技术方案：一种力控机器人，所述力控机器人包括底座、关节、连杆以及设置于机器人末端的工具法兰，所述关节和工具法兰的至少其一安装前文中任一项所述的多维力传感器。

与现有技术相比，本发明具体实施方式的有益效果为：多维力传感器包括独立检测的电容式检测组件和应变式检测组件，检测的准确性和可靠性得到提升；通过将内部平台、位移梁、应变梁一体化结构设计，多维力传感器结构紧凑、易于加工；通过应变梁和位移梁的结构分布及设计，使得多维力传感器检测的灵敏度较好且易于解耦，同时具备过载保护能力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的多维力传感器的示意图

图2是图1所示多维力传感器的剖面图

图3是图2所示剖面图的局部放大图

图4是本发明一个实施例的力控机器人的示意图

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“竖向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述或简化描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造、安装及操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明保护一种冗余感知的多维力传感器，参图1-3，包括外部框架、内部平台10、应变式检测组件和电容式检测组件，应变式检测组件包括连接所述内部平台10和外部框架20的应变梁31和设置于所述应变梁31的应变片32，所述电容式检测组件包括检测电路单元43和连接于所述内部平台10的位移梁41，多维力传感器100受力时，应变梁31变形以通过应变变化检测力/力矩信息，位移梁41移动以通过电容变化检测力/力矩信息，多维力传感器100通过所述应变式检测组件和所述电容式检测组件能够冗余的检测力/力矩信息，将所述应变式检测组件和电容式检测组件的其中之一的检测结果作为基准值，其中另一的检测结果作为参考值，例如，比较基准值和参考值的大小，当两者保持一致或者两者之间的差异在误差范围内时，说明此时检测的结果是准确的；或者，当电容式检测组件和应变式检测组件的其中之一的检测结果失灵时，依靠其中另一的检测也能够输出力/力矩信息。通过电容式检测组件和应变式检测组件两种不同的方式检测力/力矩信息，两者的检测独立且检测原理不同，可理解的，所述电容式检测组件和应变式检测组件具有独立的电源，两者能够独立的工作，且两者的电气检测也独立，源头上保证电容式检测组件和应变式检测组件独立工作、互不干涉，以保证多维力传感器输出的数据的准确性，以及任何一路的检测出错都不会影响另一路的检测输出，多维力传感器的稳定性较好。

在一个具体的实施例中，将所述应变式检测组件和电容式检测组件集合于一体，将所述应变梁31、位移梁41和内部平台10形成为一体结构，所述应变梁31连接内部平台10和外部框架20，所述位移梁41一端连接于内部平台10，另一端向外部框架20延伸并与所述外部框架20之间形成间隙，所述多维力传感器100受力时，位移梁41和应变梁31都能够得到运动，位移梁41和应变梁31均连接于内部平台10，使得三者形成为整体结构，结构简单易于加工。可选的，应变式检测组件的多个应变梁31周向均布于内部平台10和外部框架20之间，所述位移梁41和应变梁31交错设置，以保证应变梁31和位移梁41的均衡受力，保证检测结果的准确性。

应变梁31可以形成为多种形式，可选的，所述应变梁31形成为四棱台结构，四棱台结构的4个侧面较为平整，便于粘贴应变片32，所述四棱台结构的大头端连接于所述内部平台10，小头端连接于所述外部框架20，以提高应变检测的灵敏度，以及，通过改变大头端和小头端之间的比例，能够容易的适配特定方向的灵敏度，提高应变式检测组件的信噪比。

位移梁41沿多维力传感器100周向分布于内部平台10和外部框架20之间，位移梁41沿内部平台10向所述外部框架20延伸并与所述外部框架之间形成间隙，所述位移梁41靠近外部框架20一端包括负极面42，所述负极面42与所述检测电路单元43的电极端形成电容。内部平台10用于固定安装，当多维力传感器100受力矩时，位移梁41的长度与位移大小正相关，将所述负极面42设置于位移梁41靠近外部框架20的远端，位移梁41受力矩时能够获得更大的位移，使得对力矩的检测更为灵敏。负极面42与检测电路单元43之间存在重叠面和间距，根据具体采用的解耦算法，可以基于重叠面积和间距其中之一或之二进行电容检测，所述负极面42与检测电路之间的重叠面和/或间距为预设值，所述位移梁41移动时，重叠面和/或间距发生变化以检测电容变化进而检测力/力矩信息。可理解的，所述检测单元固定安装，所述位移梁41受力移动以根据电容变化检测力/力矩信息，检测单元固定安装使得其稳定性较好，位移梁41的变化更灵敏且易于检测，同时，保证位移梁41和应变梁结构的一体化，结构上容易实现。

所述负极面42可选的具有多种形状，在一个优选的实施例中，参图2-3，所述负极面42形成为L形切面，即所述负极面包括第一极面和与所述第一极面正交的第二极面，所述第一极面和第二极面分别与检测电路单元43之间存在间距，该间距较小则不利于位移梁41的变形，较大时易影响电容检测的灵敏度，根据分析，所述间距大于0.05毫米且小于0.45毫米时，电容式检测组件呈现出较好的性能，所述位移梁41移动时，间距变化以通过电容的变化可以得到多维力传感器100的受力信息。其中，该间距范围适用于空气为介质的电容，当采用其他介质时，该间距可以发生变化，采用空气为介质，能够使得电容结构较为简单。采用L形极面，当第一极面和第二极面其中之一与检测电路单元之间的距离发生变化时，其中另一与检测电路之间的距离保持不变，便于传感器进行解耦。可选的，所述第一极面和第二极面与检测电路单元43存在重叠面积，当位移梁41移动时，所述第一极面和第二极面其中之一与检测电路之间的重叠面积变化，其中另一的重叠面积保持不变，可理解的，所述的重叠面积为投影的重叠面积，据此，位移梁41受一个方向的力时，仅有一个极面的重叠面积发生变化，而另一极面的重叠面积不变以使得电容式检测组件易于解耦。通过设置L形的负极面，假设多维力传感器100的Z轴方向为高度方向，所述第一极面和第二极面其中之一沿Z轴方向延伸，其中另一沿XY轴方向延伸，L形负极面可以通过间距和重叠面积两者的变化引起电容变化，能够分别检测水平和竖直方向的位移以及由于受力矩而引起的倾角变化；同时，当电容的两个电极板垂直设置时，相对于普通的平行设置，电容检测的灵敏度会相应提高。

在一个具体的实施例中，所述多维力传感器100为六维力传感器，应变式检测组件包括4个应变梁31均布于外部框架20和内部平台10之间，所述4个应变梁31形成为十字梁结构，应变梁31分布有24个应变片以形成6个全桥电路，输出六组力检测信息。相邻的应变梁31之间设置有位移梁41，每个位移梁41靠近外部框架20一端形成为负电极以与所述检测电路单元43形成电容，电容式检测组件包括8个位移梁，每个位移梁能够获得一个电容参数，通过设置8个位移梁，当所述多维力传感器为六维力传感器时，能够通过8个电容参数的变化趋势反映六维力的变化情况，如下表所示：

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

Fx

-

-

↓

↓

-

-

↑

↑

Fy

↑

↑

-

-

↓

↓

-

-

Fz

↑

↑

↑

↑

↑

↑

↑

↑

Tx

-

-

↑

↓

-

-

↓

↑

Ty

↑

↓

-

-

↓

↑

-

-

Tz

↓

↑

↓

↑

↓

↑

↓

↑

X、Y、Z方向分别能够受力和力矩，且8个电容在受力时呈现出6种不同的组合，使得对多维力传感器的电容检测结果易于解耦，不同方向受力互不干扰。

多维力传感器100的外部框架20包括浮动梁22以及连接相邻浮动梁22的支撑部21，所述支撑部21向内部平台10延伸以形成延伸部211，所述延伸部211和位移梁之间形成间隙以使得多维力传感器100具有过载保护能力。具体的，相邻的应变梁31之间设置有两个位移梁41，两个位移梁41形成为具有弧形缺口，所述延伸部211具有与所述弧形缺口配合的弧形凸起，使得多维力传感器100受力时具有过载保护能力不易损坏，弧形的配合易于加工，且受力接触时柔性较好，不易损坏。所述位移梁41兼用作过载保护的结构，无需额外的过载保护梁，简化了结构的设计，多维力传感器的结构紧凑。

相邻的应变梁31之间设置有位移梁41，所述位移梁41在Z方向的高度小于应变梁31的高度，位移梁41相对于所述应变梁31下沉设计，以便于应变梁进行贴片。

所述多维力传感器的内部平台10用于安装至目标安装位置，所述内部平台10包括形成于中部的安装孔，所述内部平台10形成为包括矩形的凸起/凹陷部分以适用于压装的安装方式，所述内部平台10与目标安装位置进行压装后，内部平台10与目标安装位置之间受力时不产生位移，可以仅通过1个安装孔将内部平台10固定，因此内部平台的体积可以减小，在空间有限的情况下，外部框架20的大小不变，而内部平台体积减小，有利于延长设置于内部平台和外部框架20之间的位移梁41和应变梁31的长度，以增强多维力传感器检测的灵敏度。

以上优选实施例的有益效果是：通过设置可独立检测的应变式检测组件和电容式检测组件，多维力传感器冗余的检测力/力矩信息，保证传感器检测的准确性和可靠性，同时位移梁、应变梁和内部凸台的一体化设计使得多维力传感器的结构简单且易于加工，提供了一种冗余检测力/力矩信息且简化结构设计的多维力传感器。

本发明还用于提供一种力控机器人，参图4，力控机器人200包括底座210、关节220、连杆230以及设置于机器人末端的工具法兰240，所述关节作为连接元件和动力元件，所述工具法兰240用于连接工作工具，所述力控机器人包括前文中任一项所述的多维力传感器100，所述关节220和工具法兰240至少其一安装有所述多维力传感器，所述多维力传感器的内部平台具有矩形凸起或者凹陷，安装所述多维力传感器的关节或工具法兰对应的具有与所述内部平台配合的矩形凹陷或者凸起以与所述多维力传感器的内部平台形成压装结构。

需要说明的是，本文中关于“力”的说明，若无特别指出，则当然的包括“力”和“力矩”，不应该对此做出不必要的排除。

最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (9)

1.一种冗余感知的多维力传感器，其特征在于，包括外部框架、内部平台、应变式检测组件和电容式检测组件，所述应变式检测组件包括连接所述内部平台和外部框架的应变梁和设置于所述应变梁的应变片，所述电容式检测组件包括检测电路单元和连接于所述内部平台的位移梁，所述多维力传感器通过所述应变式检测组件和电容式检测组件冗余检测力/力矩信息，将所述应变式检测组件和电容式检测组件的其中之一的检测结果作为基准值，其中另一的检测结果作为参考值，所述应变梁、位移梁和所述内部平台形成为一体结构；所述位移梁向所述外部框架延伸并与所述外部框架之间形成间隙，所述位移梁靠近外部框架的一端包括负极面，所述负极面与所述检测电路单元的电极端形成电容，所述负极面与所述检测电路单元之间的重叠面积和/或间距为预设值，所述检测电路单元固定安装，所述位移梁受力移动以根据电容变化检测力/力矩信息；所述负极面形成为L形切面，所述L形切面包括第一极面和与所述第一极面正交的第二极面，所述第一极面和第二极面分别与所述检测电路单元之间的间距大于0.05毫米且小于0.45毫米。

2.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述多维力传感器包括多个应变梁以周向均布于内部平台和外部框架之间，所述应变梁形成为四棱台结构，所述四棱台结构的大头端连接于所述内部平台，小头端连接于所述外部框架。

3.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述第一极面和第二极面分别与检测电路单元之间存在重叠面积，所述位移梁移动时，所述第一极面和第二极面其中之一与检测电路单元之间的重叠面积变化，其中另一的重叠面积保持不变。

4.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述位移梁包括向外部框架延伸的水平梁以及形成于所述水平梁端部的竖直梁，所述竖直梁形成于所述水平梁靠近外部框架的端部，所述L形切面形成于所述竖直梁。

5.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述位移梁相对于所述应变梁在高度方向下沉设置。

6.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述外部框架包括浮动梁以及连接相邻浮动梁的支撑部，所述支撑部向内部平台延伸以形成延伸部，所述延伸部和位移梁之间形成间隙以使得多维力传感器具有过载保护能力。

7.根据权利要求6所述的多维力传感器，其特征在于，相邻应变梁之间设置有两个位移梁，所述两个位移梁形成为具有弧形缺口，所述延伸部具有与所述弧形缺口配合的弧形凸起。

8.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述多维力传感器的内部平台包括形成于中部的安装孔，所述内部平台包括矩形的凸起部分以适用于压装安装方式。

9.一种力控机器人，其特征在于，所述力控机器人包括底座、关节、连杆以及设置于机器人末端的工具法兰，所述关节和工具法兰的至少其一安装有权利要求1-8中任一项所述的多维力传感器。