CN222627833U - 一种智能机械臂腕力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种智能机械臂腕力传感器，涉及智能机器人技术领域，包括：机械臂安装座，所述机械臂安装座的顶部通过螺母安装有检测处理电路，所述机械臂安装座的顶部设置有防过载测力弹性体，所述防过载测力弹性体的顶部设置有防护壳体；所述防过载测力弹性体包括内壳和外壳，所述外壳的顶部设置有外刚性连接体，检测处理电路内置高精度测量回路，满足腕关节传感器正交三个方向的力和力矩的测量需求，设计装配式机械臂安装座可与市场上绝大多数机器人关节末端匹配，满足大部分协作机器人、人形机器人的测量需求，具有空间多维力识别能力、测量精度高、抗过载能力强、安装简便，操作快捷的特点。

Description

一种智能机械臂腕力传感器

技术领域

本实用新型涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种智能机械臂腕力传感器。

背景技术

随着技术进步，人工智能的强力突进，智能机器人浪潮席卷全球，智能机器人重感知能力，力传感器（尤其是六维力传感器）备受行业关注。

按照测量维度，力传感器可分为一至六维力传感器，能测几个维度，就是几维力传感器，最常见的是一维、三维和六维力传感器，二维和五维力传感器相对较少。现有腕关节力传感器一般结构形式比较单一，尺寸较大，适应能力不强，抗过载能力不足等；如中国专利号为：CN114474160A的‘一种串联冗余型机器人腕部力传感器及其使用方法’，包括量程相同的第一应变感知主体和第二应变感知主体；二者均包括：一个刚性边界环、一个刚性边界块和至少三个应变梁；应变梁上设置有应变敏感元件，两应变感知主体上的各应变敏感元件采用相同方式分别连入惠斯通电桥。但是其公开资料缺乏对智能机器人末端的适应性设计，以及测量环境多变的逻辑处理设计。在硬件结构解耦和小型集成化方面也缺乏实际内容，很难满足智能机器人复杂应用工况和高精度测量需求。

因此，开发一种高可靠性、高灵敏度、高精度、高适应性的机械臂腕关节传感器具有广泛的应用市场，其采用装配式集成设计的多维力腕关节传感器，具有多维力适应性测量、精度高、抗过载能力强、安装简便，操作快捷的特点，能解决上述存在的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种智能机械臂腕关节传感器，以解决上述背景技术提出的结构形式比较单一，尺寸较大，适应能力不强，抗过载能力不足，难以满足智能机器人测量需求的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种智能机械臂腕力传感器，包括：机械臂安装座，所述机械臂安装座的顶部通过螺母安装有检测处理电路，所述机械臂安装座的顶部设置有防过载测力弹性体，所述防过载测力弹性体的顶部设置有防护壳体；

所述防过载测力弹性体包括内壳和外壳，所述外壳的顶部设置有外刚性连接体，所述内壳的顶部设置有内刚性连接体，所述内壳的外表壁设置有三个防过载限位辅助机构，所述内壳的外表壁设置有三个矩形应变梁，三个所述防过载限位辅助机构的顶部均固定安装有末端工具连接接口。

优选的，所述检测处理电路设置有集成微处理器MCU逻辑单元，且检测处理电路通过集成微处理器MCU逻辑单元，可实现单维力测量和多维力测量功能，也可以转换为柱坐标等其它坐标系测量方式，比如满足笛卡尔坐标系XYZ和Mx,My,Mz共六个方向的力或力矩测量，信号输出形式包含模拟信号输出或RS/RS/CAN等数字信号输出形式。

优选的，所述机械臂安装座和防过载测力弹性体通过法兰连接进行安装，让装置更换方便，同时末端工具连接接口可根据用户工具端尺寸适配加工，因此能与市场上绝大多数机器人关节末端接口匹配，满足大部分协作机器人、人形机器人的测量需求。

优选的，三个所述矩形应变梁的外表壁分别设置有八个自补偿应变计，防过载测力弹性体在满足力学测量的同时，可以有效抵消机械臂运行时碰撞、振动等恶劣工况下的意外力负载，确保传感器工作可靠性，延长使用寿命，而自补偿应变计和检测处理电路联合设计并就近安装，可满足智能机器人复杂电磁环境下的弱信号解析处理能力，确保产品测量精度，提高测试响应速度。

优选的，三个所述矩形应变梁和三个所述防过载限位辅助机构均匀分布在外刚性连接体和内刚性连接体之间，且三个所述矩形应变梁采用矩形对称结构，三个所述矩形应变梁的内部均开设有梁内部中空，三个所述矩形应变梁的外壁一侧均设置有弱耦合结构梁，且三个弱耦合结构梁的内表壁均固定安装在外壳的内表壁，三个所述防过载限位辅助机构的外壁一侧和外壳的内表壁之间均设置有过载防护间隔，末端工具连接接口设置于防过载限位辅助机构传力路径，通过有效的过载防护间隔的开闭，实现多维力传感器防过载功能，确保在碰撞、振动等恶劣工况下，传感器的测量性能，提升传感器寿命，同时，梁内部中空有利于增强应力应变测试性能，适应不同测量量程的需求，而采用弱耦合结构梁，增强弹性体多维力空间矢量辨别能力，提高产品解耦精度，以满足空间多维力测量需求，提高多维力传感器测量精度。

优选的，六个所述自补偿应变计以空间三维轴对称形式有序布置在三个矩形应变梁的四个测力面上，且三个矩形应变梁的外部四侧均有两个自补偿应变计，该二十四片自补偿应变计根据空间多维力的测量需求和应力应变有限元理论分析结果，以与之相匹配的组桥方式，每四片自补偿应变计组成一组惠斯通电桥测量电路，共计形成六路传感器弱信号输出，检测处理电路采集六路传感器弱信号输出，再根据测量需求，解算成用户需求的信号输出，从而实现智能机械臂腕关节多维力测量需求。

优选的，所述防护壳体的顶部和机械臂安装座的底部之间的距离低于32mm，所述防过载测力弹性体的直径不大于70mm，同时所有的零部件的金属材质均硬铝合金、不锈钢或钛合金等满足传感器测量需求的合金材质，以适应不同的测量需求，满足中低量程或大量程的测力需求，优先的六维力测量量程如：Fxyz=200N；Mxyz=10Nm，测量精度不低于1%。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于，

本实用新型中，检测处理电路内置高精度测量回路，满足腕关节传感器正交三个方向的力和力矩的测量需求，设计装配式机械臂安装座可与市场上绝大多数机器人关节末端匹配，满足大部分协作机器人、人形机器人的测量需求，同时具有空间多维力识别能力、测量精度高、抗过载能力强、安装简便，操作快捷的特点。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种智能机械臂腕力传感器中主视结构立体图；

图2为本实用新型提出的一种智能机械臂腕力传感器中防过载测力弹性体部分顶部平视图；

图3为本实用新型提出的一种智能机械臂腕力传感器中机械臂安装座和检测处理电路部分结构立体图；

图4为本实用新型提出的一种智能机械臂腕力传感器中防过载测力弹性体部分内部剖视结构立体图。

图例说明：1、机械臂安装座；2、检测处理电路；3、防过载测力弹性体；301、外壳；302、内壳；303、外刚性连接体；304、内刚性连接体；305、防过载限位辅助机构；306、过载防护间隔；307、矩形应变梁；308、自补偿应变计；309、梁内部中空；310、弱耦合结构梁；311、末端工具连接接口；4、防护壳体。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

请参阅图1-图4，本实用新型提供一种技术方案：一种智能机械臂腕关节传感器，包括：机械臂安装座1，所述机械臂安装座1的顶部通过螺母安装有检测处理电路2，所述机械臂安装座1的顶部设置有防过载测力弹性体3，所述防过载测力弹性体3的顶部设置有防护壳体4；所述防过载测力弹性体3包括内壳302和外壳301，所述外壳301的顶部设置有外刚性连接体303，所述内壳302的顶部设置有内刚性连接体304，所述内壳302的外表壁设置有三个防过载限位辅助机构305，所述内壳302的外表壁设置有三个矩形应变梁307，三个所述防过载限位辅助机构305的顶部均固定安装有末端工具连接接口311。

如图3所示，所述检测处理电路2设置有集成微处理器MCU逻辑单元，且检测处理电路2通过集成微处理器MCU逻辑单元，可实现单维力测量和多维力测量功能，也可以转换为柱坐标等其它坐标系测量方式，比如满足笛卡尔坐标系XYZ和Mx,My,Mz共六个方向的力或力矩测量，信号输出形式包含模拟信号输出或RS/RS/CAN等数字信号输出形式。

如图1所示，所述机械臂安装座1和防过载测力弹性体3通过法兰连接进行安装，让装置更换方便，同时末端工具连接接口311可根据用户工具端尺寸适配加工，因此能与市场上绝大多数机器人关节末端接口匹配，满足大部分协作机器人、人形机器人的测量需求。

如图2-3所示，三个所述矩形应变梁307的外表壁分别设置有八个自补偿应变计308，防过载测力弹性体3在满足力学测量的同时，可以有效抵消机械臂运行时碰撞、振动等恶劣工况下的意外力负载，确保传感器工作可靠性，延长使用寿命，而自补偿应变计308和检测处理电路2联合设计并就近安装，可满足智能机器人复杂电磁环境下的弱信号解析处理能力，确保产品测量精度，提高测试响应速度。

如图2和图4所示，三个所述矩形应变梁307和三个所述防过载限位辅助机构305均匀分布在外刚性连接体303和内刚性连接体304之间，且三个所述矩形应变梁307采用矩形对称结构，三个所述矩形应变梁307的内部均开设有梁内部中空309，三个所述矩形应变梁307的外壁一侧均设置有弱耦合结构梁310，且三个弱耦合结构梁310的内表壁均固定安装在外壳301的内表壁，三个所述防过载限位辅助机构305的外壁一侧和外壳301的内表壁之间均设置有过载防护间隔306，末端工具连接接口311设置于防过载限位辅助机构305传力路径，通过有效的过载防护间隔306的开闭，实现多维力传感器防过载功能，确保在碰撞、振动等恶劣工况下，传感器的测量性能，提升传感器寿命，同时，梁内部中空309有利于增强应力应变测试性能，适应不同测量量程的需求，而采用弱耦合结构梁310，增强弹性体多维力空间矢量辨别能力，提高产品解耦精度，以满足空间多维力测量需求，提高多维力传感器测量精度。

如图2和图4所示，六个所述自补偿应变计308以空间三维轴对称形式有序布置在三个矩形应变梁307的四个测力面上，且三个矩形应变梁307的外部四侧均有两个自补偿应变计308，该二十四片自补偿应变计308根据空间多维力的测量需求和应力应变有限元理论分析结果，以与之相匹配的组桥方式，每四片自补偿应变计308组成一组惠斯通电桥测量电路，共计形成六路传感器弱信号输出，检测处理电路2采集六路传感器弱信号输出，再根据测量需求，解算成用户需求的信号输出，从而实现智能机械臂腕关节多维力测量需求。

如图1所示，所述防护壳体4的顶部和机械臂安装座1的底部之间的距离低于32mm，所述防过载测力弹性体3的直径不大于70mm，同时所有的零部件的金属材质均硬铝合金、不锈钢或钛合金等满足传感器测量需求的合金材质，以适应不同的测量需求，满足中低量程或大量程的测力需求，优先的六维力测量量程如：Fxyz=200N；Mxyz=10Nm，测量精度不低于1%。

详细参数如下：

a)量程：Fx= Fy=Fz=200N；Mx=My= Mz=10Nm；

b)综合精度：0.5%Fs～1%FS；

c)安全过载能力：200%；

d)重复精度：0.1%FS；

e)分辨率：0.03%FS；

f)工作温度：-10℃～80℃；

g)采样频率：500Hz；

h)供电电压：5V-12V；

i)通信接口：RS422/RS485/CAN。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其他领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：包括机械臂安装座（1），所述机械臂安装座（1）的顶部通过螺母安装有检测处理电路（2），所述机械臂安装座（1）的顶部设置有防过载测力弹性体（3），所述防过载测力弹性体（3）的顶部设置有防护壳体（4）；

所述防过载测力弹性体（3）包括内壳（302）和外壳（301），所述外壳（301）的顶部设置有外刚性连接体（303），所述内壳（302）的顶部设置有内刚性连接体（304），所述内壳（302）的外表壁设置有三个防过载限位辅助机构（305），所述内壳（302）的外表壁设置有三个矩形应变梁（307），三个所述防过载限位辅助机构（305）的顶部均固定安装有末端工具连接接口（311）。

2.根据权利要求1所述的一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：所述检测处理电路（2）设置有集成微处理器MCU逻辑单元，且检测处理电路（2）通过集成微处理器MCU逻辑单元，可实现单维力测量和多维力测量功能。

3.根据权利要求1所述的一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：所述机械臂安装座（1）和防过载测力弹性体（3）通过法兰连接进行安装。

4.根据权利要求1所述的一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：三个所述矩形应变梁（307）的外表壁分别设置有八个自补偿应变计（308）。

5.根据权利要求1所述的一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：三个所述矩形应变梁（307）和三个所述防过载限位辅助机构（305）均匀分布在外刚性连接体（303）和内刚性连接体（304）之间，且三个所述矩形应变梁（307）采用矩形对称结构，三个所述矩形应变梁（307）的内部均开设有梁内部中空（309），三个所述矩形应变梁（307）的外壁一侧均设置有弱耦合结构梁（310），且三个弱耦合结构梁（310）的内表壁均固定安装在外壳（301）的内表壁，三个所述防过载限位辅助机构（305）的外壁一侧和外壳（301）的内表壁之间均设置有过载防护间隔（306）。

6.根据权利要求4所述的一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：六个所述自补偿应变计（308）以空间三维轴对称形式有序布置在三个矩形应变梁（307）的四个测力面上，且三个矩形应变梁（307）的外部四侧均有两个自补偿应变计（308）。

7.根据权利要求1所述的一种智能机械臂腕力传感器，其特征在于：所述防护壳体（4）的顶部和机械臂安装座（1）的底部之间的距离低于32mm，所述防过载测力弹性体（3）的直径不大于70mm。