专利名称：依靠从使用者接收的力和扭矩控制物体的位置及方位的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于依靠从使用者接收的力和扭矩控制物体的位置和 方位的系统。操作人员利用该系统来控制物体的位置和方位，物体可以是 例如由工业机器人操纵的真实物体或计算机屏幕上的虚拟物体。该系统例 如用益于操纵杆控制计算机屏幕上的物体，或用益于控制由与机器人的引 入编程相关的由工业机器人操纵的工具或作业物体。其也可用于需要若干 自由度操纵的其他应用，例如用于遥控操作机器人，在危险环境中、海底 运载工具中、挖掘机上、医疗器械中、空间站和车辆中等等需要这种遥控
操作机器人。即使本发明主要应用于A^L交互中，其也可用于过程控制和 监控，例如用机器人打磨过程中。
背景技术：
由于机器人编程的复杂性，对中小规模企业而言难以对机器人技术 进行投资。因此，需要新的编程方法以便于技工将他们的技能转移至用 于工业机器人的程序。适于由机器人执行的动作例如是电弧焊、除毛刺、 去毛刺、抛光、切割、打磨、漆涂、钻孔、胶粘和喷镀。用于执行这些 动作的手动工具设置有不同类型的手柄，使得技工可以尽可能精确地控 制工具的位置和方位，而不会有大的人机工程问题。然而，放眼于由机 器人携带并用于执行相同动作的工具，对与技工的交互没有任何帮助， 因此必须用操纵杆和高级计算机程序执行很难的编程。
夹持工具有时用来保持工件，工件由固定设置在机器人工作单元中 的加工工具进行加工。手工作业场所中，这对应于技工用他的手保持作
业物体的情形，而工具例如安装在工作台上。这种作业方法可发生在例 如对手工处理而言不太重的物体的打磨、去毛刺和抛光中。
为了在上述情形下获得有效直观的机器人编程，需要一种新的编程 范例，其中技工可利用与手动工具类似的工具通过示范对机器人进行编 程。这意味着必须可以在工具或作业物体周围移动并以接近于执行手工 作情形的方式改变它们的位置和方位。已开发出多种编程系统，其中工
具已安装在测量臂上或其中工具已装配有发光二极管或反射镜以便由 光学测量系统测量，但是由于测量系统的高成本以及测量系统缺少牢靠 性，以及不可能在测量臂上使用重型工具或作业物体，这些技术方案并 没有获得成功。因此，唯一的可行性是在编程过程中将工具或作业物体 安装在机器人上。
已提出采用使用安装在工具和机器人安装法兰之间的6-DOF(自由 度)力-扭矩传感器，使得操作员可以借助手柄四处移动工具。然而， 可支持来自工具或作业物体的力/扭矩级别的力-扭矩传感器将不会足够 灵敏，并且不具备精确及有效操纵所需的带宽。
专利US 4589810提出一种用于对工业机器人的动作进行编程的系 统，该系统包括手柄夹持传感器单元，该单元包括已知用于测量力和扭 矩的传感器。传感器集成在手柄中，手柄附连于由机器人携带的工具。 在机器人编程过程中操作员利用手柄沿期望的机器人路径引导工具。传 感器设置为测量手柄上的人手所施加的力和扭矩。来自传感器的输出被 转移至数据处理单元，数据处理单元将来自传感器的输出信号转换为与 操作员对手柄所施加的力和扭矩相应的数据。该数据处理单元包括将来 自传感器的输出信号转换为用于机器人的关节驱动的驱动指令的算法， 并将手柄-夹持传感器单元的坐标系统调节为机器人的端部连杆上的致 动器的移动的坐标系统。
该专利提出了使用例如与第DE 2727704号专利中所描述的传感器 对应以及与专利US 4178799对应的现有技术力-扭矩传感器。所爿>开的 传感器属于今天通常在工业中使用的类型。该传感器包括三维传感钢结 构，钢结构具有在周缘中用于将传感器安装在机器人法兰上的第一组 孔，以及位于中央的用于将例如工具安装在传感器上的第二组孔。该传 感器包括环形外板和大致呈圆形的内板，以及延伸在外板与内板之间的 梁。每个梁上安装有至少两个应变仪。因此，传感器尺寸大而灵敏度低。
使用这种类型的力-扭矩传感器带来的问题在于它们制造昂贵并且 对很多应用而言过大。它们昂贵是由于钢结构的机加工复杂。由于这种 结构很刚硬，可获得的移动小，并且在加工用于过载保护的孔时精度要 求很高。梁上的至少六个应变仪必须以高精度进行胶粘并且需要大量作 业来处理所有引自传感器的配线。传感器越小，则传感器的胶粘就越困
难。在用于安装在工具控制构件所需的小尺寸传感器上，没有用于所需 的测量电子装置、所有配线和电气触点的位置。反而，测量电子装置必 须布置在传感器外部的单独的单元中。所使用的制造方法，诸如高精度 机加工和高精度装配，即便在大规模生产中也不可能降低成本。
上述US专利公开了一种附连于机器人上的工具的手柄。然而，这
种手柄由于其可能在作业空间内与其他物体碰撞而难于使用并且在对 更复杂的轨线进行编程时难以到达。
专利JP 5303422教示了采用两个用于在引入编程过程中手动控制 机器人的力/扭矩传感器。第一传感器连接至手柄以将移动指令输入至 机器人并且第二传感器用于在操作员在物体上进行加工作业时检测施 加于要作业的物体的功率。
专利DE 3211992也描述了使用两种力/扭矩传感器，但这种情况下 这些传感器用于通过操作员的两只手控制喷涂机器人， 一只手用于操纵 机器人的位置并且一只用于喷枪的方位。因而，该编程可在未与作业物 体发生任何接触的情况下进行。
题为《硅压阻式6-DOF微力矩传感芯片及流体动力学应用》(作者
为 Dzimg Viet Dao 、 Toshiyuki Toriyama 、 John Wells 和 Susumu
Sugiyama,日本立命馆大学COE程序开发中心，2001年)的论文提出利 用硅压阻效应开发一种新型6-DOF微力矩传感芯片。该传感器可独立测量
力的三分量和扭矩的三分量。传感结构是一种具有20个分布在其上表面上 的常规压敏电阻器的硅横梁。已基于硅半导体工艺制作该传感芯片。尽管 提出的传感芯片的直接应用是测量水湍流中#^的力和扭矩，也提出这种 开发出的传感芯片将来可用于机器人技术。所提出的传感器用于上述引入 编程应用时出现的一个问题在于硅很刚硬而且易碎，因而有可能在这种应 用中所需的力范围内碎裂成片。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的用于依靠来自使用者的力和扭矩 控制物体的位置和方位的系统，其减轻了上述现有技术系统的缺点。
利用权利要求1中限定的系统实现该目的。
这种系统包括测量组件，其包括第一和第二部件，其中第一部件 适于接收来自使用者的力和扭矩，以及传感器，其适于测量笫一部件相 对于第二部件的位置和方位的变化而产生的力和扭矩；以及数据处理单
元，其设置为从传感器接收测量数据并基于所述测量数据控制物体的位 置和方位。根据本发明，测量组件包括具有集成传感器元件的半导体芯 片。
该力-扭矩传感器由半导体材料诸如硅制成，并优选地通过MEMS (微机电系统)技术生产。这种传感器以大规模制造时成本极低。所利 用的简单机械结构即使在传感器属微型尺寸时也可容易地得到自动制 造和组装。由于可以将传感器元件集成在传感器中，无需对应变仪传感 器进行胶粘并且不需要来自这些传感器的配线。可以将来自传感器的所 有配线集成在芯片上。相应地，无需额外空间用于容纳配线和电触点。
进一步地，根据本发明，测量组件包括弹簧装置，其安装在第一部 件与第二部件之间并机械连接至传感器，以便将来自使用者的力和扭矩 转换为第一部件相对于第二部件的位置和方位的变化，并且该传感器适 于从弹簧装置测量第一部件的位置和方位的变化而产生的力和扭矩。该 传感器机械联接至弹簧装置。弹簧装置连接至防止传感器过载的过载保 护装置。弹簧装置将来自使用者的力和扭矩变换成适合于半导体传感器 的力和扭矩级别。弹簧装置使第一部件顺应于第二部件、限制传感器上 的力，从而减少易碎的传感器破裂的风险。
根据本发明的实施方式，半导体传感器包括具有外板和内板的结 构，外板和内板通过至少三个梁机械连接，每个梁均设置有至少一个压 阻式传感器元件。弹簧装置机械联接至传感器的外板或内板。测量组件 的第 一部件例如经由弹簧装置机械连接至传感器的第 一板和第二板之
一，并且测量组件的第二部件连接至另一个板。该传感器的优点在于使 用一个传感器就足以测量6DOF (六个自由度)。如果需要测量6DOF 的传感器，则需要至少六个压阻式传感器元件。这就是例如传感器设置 有三个梁每个梁都装配有至少二个传感器元件或者传感器设置有至少
六个梁每个梁都装配有至少一个传感器元件的情况。
根据本发明一个实施方式，弹簧装置是二维的且包括弹性连接至 内部件的外部件，内部件弹性连接至传感器附连装置，传感器附连装置
机械连接至传感器的外板或内板，以及长形元件，其一端机械连接至弹 簧装置的外部件而另一端则机械连接至传感器的另一个板。这样，传感 器可在单侧安装在弹簧装置上，这简化了传感器的组装。优选地，弹簧 装置的外部件和内部件呈环形，并且外部件连接至测量组件的第一部件 而内部件连接至测量组件的第二部件或反之亦然。
根据本发明的实施方式，传感器包括至少六个梁，每个梁都设置有 至少两个压阻式传感器元件。优选地，梁成对设置成在外板与内板之间 沿正交方向延伸。为了获得高的压阻效应，压阻式传感器安装在两个正 交结晶方向的任意一个上。因此为所述梁提供了在这些结晶方向上的布 局。
根据本发明的实施方式，弹簧装置包括至少一个三维弹簧，诸如盘 绕弹簧或螺旋弹簧，布置在测量组件的第一或第二部件与传感器之间。 三维弹簧比二维弹簧更紧凑。该实施方式减少了测量组件的尺寸，且特
别适合于需要小尺寸的力-扭矩传感器和/或用于小的力和扭矩的情况。
根据本发明的实施方式，弹簧装置包括安装在测量组件的第一部件 与第二部件之间并与传感器机械连接的第 一弹簧本体，以及第二弹簧本 体，其设置在测量组件的第 一部件与第二部件之间以便承受来自使用者 的一部分力和扭矩。第二弹簧本体起到并接弹簧的作用。力和扭矩分布 在第一弹簧本体与第二弹簧本体之间以使力的测量范围更大。
根据本发明的实施方式，弹簧装置包括至少三个定位在第一部件与 第二部件之间不同位置处的弹簧。力和扭矩分布在相互隔开一定距离定 位的多个弹簧上，从而保证了各向同性的灵敏度，这意味着在传感器的 所有方向实现几乎相等的灵敏度。
根据本发明的实施方式，传感器安装在温度系数与传感器材料基本 相同的基板上。该实施方式实现了由于使用温度系数不同的材料而引起 的温度效应的补偿。
根据另一实施方式，设置温度系数比测量组件的材料低的元件以抵 消传感器与其周围之间的温度系数差异。
根据本发明的实施方式，基板经由直径小于基板的金属部件附连于
测量组件。优选地，金属部件安装在基板的中央，由此使基板与金属之 间的温度系数差异将仅在基板中产生局部应力。该局部应力仅会在传感 器中产生很小的应力干扰，因而减少了温度依赖性。
根据本发明的实施方式，设置温度系数与传感器材料相比基本相同 并且厚度等于传感器厚度加上基板厚度的元件以抵消传感器与测量组 件的其余部分之间的温度系数差异。
根据本发明的实施方式，测量组件适于安装在由具有多个关节的工 业机器人携带的物体诸如真实工具、模拟工具或作业物体上，并且数据 处理单元适于控制携带物体的机器人的关节的位置。根据本发明，测量 组件尤其适于在机器人编程过程中测量引导由机器人携带的物体的操 作员的力和扭矩。
根据本发明的实施方式，该物体旋转对称，并且该系统包括手柄， 其机械连接至测量组件的第一部件并以可旋转的方式设置成绕着物体 的对称线或与其平行。优选地，该手柄类似于技工为了执行与待编程的 任务相同的任务而使用的相应的手动工具的手柄。该理念为将测量组件 集成在物体中，使得工具将在如同手动作业过程中的机器人编程过程中 以与安装在机器人上时相同的方式遵循机器人编程者的意图。手柄设置 为可相对于物体的对称线旋转。
编程过程中，手柄绕物体的对称线自由旋转。这样，手柄总是可以 被保持在方便的方位，而与机器人如何移动以及如何使其腕部重新定向 无关，因而手柄总是可以朝向最有利的方向。据称已为机器人运动学增 加第七轴线以给予机器人编程者自由用于手柄的自由度。优选地，手柄 在编程过程中附连于物体并且在编程完成时将其拆下。如果该物体是执 行加工的工具，则其移动为绕工具的中心线对称，诸如钻孔、去毛刺、 打磨和抛光，工具的对称线即加工的旋转轴线。
根据本发明的实施方式，该系统包括旋转轴线与物体的对称线重合 或平行并设置在手柄与测量组件的第一部件之间的轴承。优选地，该系 统包括引入界面，引入界面适于机械连接至工具并包括轴承和手柄，其 安装在界面上。因此，传感器安装在轴承的机器人侧，从而在机器人的 力/扭矩操纵下的移动方向将总是所期望的方向，而与手柄的方向无关。
根据本发明的实施方式，该系统包括锁定机构，其在启动时将手柄 锁定在相对于物体的对称线的固定旋转角度。该实施方式使得能够在需 要绕对称线操纵工具时锁定手柄。
根据本发明的实施方式，测量组件布置在手柄中。因此，测量组件 在手柄从物体拆下并移除时从物体移除。例如，当机器人在生产中运行 时如果手柄将成为障碍物，则这将是有利的。
根据本发明的实施方式，该系统进一步包括第二测量组件，第二测
量组件包括第一和第二部件，其中第一部件适于接收力和扭矩；第二 弹簧装置，其安装在第二测量组件的第一部件与第二部件之间，以便将 力和扭矩转换为第二测量组件的第一部件相对于第二测量组件的第二
部件的位置和方位的变化；以及第二传感器，其机械连接至第二弹簧装 置，用于测量第一部件相对于第二部件的位置和方位的变化而产生的力 和扭矩，该传感器包括具有集成传感器元件的半导体芯片，并且数据处 理单元设置为从第二传感器接收测量数据并基于所述测量数据控制物 体的位置和方位。
根据本发明的实施方式，第二测量组件适于测量在工具与作业物体 之间形成的相互作用力和扭矩。该实施方式使得在校准和编程过程中控 制工具与作业物体之间的相互作用力成为可能。
根据本发明的实施方式，该系统包括第二手柄，其相对于物体固定 设置并与第二测量组件的第一部件机械连接，并且数据处理单元设置为 主要基于来自第一传感器的测量数据控制物体的位置和主要基于来自 第二传感器的测量数据控制物体的方位。第二手柄使物体的移动更牢 靠。第二手柄无需相对于物体可旋转。
根据本发明的实施方式，系统包括第二手柄，其相对于所述物体固 定设置并与所述第二测量组件的第一部件机械连接，并且所述数据处理 单元设置为主要基于来自所述第一传感器的测量数据控制所述物体的 位置和主要基于来自所述第二传感器的测量数据控制所述物体的方位。
根据本发明的系统尤其适合于在机器人编程过程中移动由工业机 器人携带的物体。进一步地，本发明尤其适合于在校准物体的位置和方
位过程中移动由工业机器人携带的物体。该物体可以是作业物体或工 具。
通过机械连接应当理解为这些部件不必非得相互处于直接的机械
接触；这些部件也可经由一个或多个其他部件而处于机械接触。
现在将通过对本发明的不同实施方式的描述并参照附图更详细地 解释本发明。
图la-e示出根据本发明的实施方式的用于控制物体的位置和方位 的系统。
图2a-b示出包括以可绕由机器人携带的物体的对称线旋转的方式 ，没置的手柄的系统。
图3示出包括以可旋转的方式设置的手柄的物体的另一个实施方式。
图4a-b更详细地示出图3中的装置。
图5a示出穿过图3中的旋转装置和手柄的横截面图；图5b示出图 5a所示的手柄的另一实施方式。
图6a-b示出包括两个适合于打磨的手柄的机器人工具；图6b是穿 过图6a的后手柄的横截面图。
图7a示出图6a所示的机器人工具的实施方式；图7b示出穿过图 6a和7a所示的工具的前手柄的横截面图。
图8a-b示出引自图7a所示的开关的电缆如何铺设的示例。
图9a示出根据现有技术的手动电弧焊焊枪；图9b示出待由包括根 据本发明实施方式的测量组件的机器人携带的电弧焊焊枪。
图IO示出沿着图9b所示的焊枪的中心线所截取的横截面视图。
图lla示出手动打磨工具；图llb示出适合于待由机器人使用的打
磨工具的手柄的示例。
图12示出沿图llb所示的工具的线A-A的横截面图。
图13a-13c示出用于测量力和扭矩的测量组件的示例。
图14示出图13a的变换器上板的可选设计。
图15-16示出用于测量力和扭矩的测量组件的另一示例。
图17a-c示出关于用于图llb所示的工具的手柄的安装的可选方案。
图18a-d示出用于在工具上安装两个手柄的不同构形。
图19示出在使用具有中心轴线与轴承的旋转轴线重合的对称加工 的工具时用于轴承布置的可选方案。
图20a-d示出多个包括要在机器人编程过程中采用的第二测量组件 的不同模拟工具。
图21a-b示出包括二维弹簧装置的测量组件。
图22a-b和图23示出基于电容测量技术的测量组件的示例。
图25示出用于电极结构的可选方案。
图25a-b示出4吏从单侧安装传感器变为可能的弹簧装置的示例。
图26a-b示出使仅将传感器安装在一侧变为可能的弹簧装置的另一 示例。
图27示出用于测量力和扭矩的传感器的示例。
图28示出包括三维弹簧装置的用于测量来自使用者的力和扭矩的 测量组件的示例。
图29a-b示出包括三维弹簧装置的用于测量力和扭矩的测量组件的 进一步的示例。
图30示出在将弹簧移除时从上方观看的图29a中的测量组件。
图31a-b示出包括三维弹簧的测量组件的两个示例；图31c示出包 括三个弹簧和至少两个并接弹簧的测量组件的示例。
图32示出所述弹簧如何设置成相对于传感器成角度的示例。
图33示出包括三维弹簧装置的测量组件的示例，其中传感器安装 在单侧。
图34示出传感器芯片的布局以及与芯片的安装连接的示例。
图35a-b示出包括温度补偿的测量组件的示例。
图36a-b示出当操作员需要将手柄安装在作业物体上时的情形的示例。
图37示出可用来将手柄夹紧在由机器人保持的作业物体上的不同 位置的手柄装置。
图38例示了手柄如何被夹紧在作业物体的筒形部分的周围。
图39示出手柄及其夹紧机构的可选设计。
图40示出图3中的手柄如何被夹紧在作业物体上。
图41示出与图40相同的装置，但基准手柄由安装在夹具与机器人 安装法兰之间的传感器取代。
图42示出包括用于工具的轴承的手柄的设计的一些示例，其中具 有轴承的手柄无需安装在工具中央的外侧。
图43示出机器人单元，其中引入程序用于作业物体校准及加工编程。
图44大致示出图20a所示的工具用来测量物体表面上的点时的情况。
图45a-b示出沿着表面移动工具的不同途径。 图46示出在两个物体之间的界面中的点的测量。
图47示出当使用氧气燃料燃烧器操纵图20a所示的工具以便对运 动进行编程时的情况。
图48例示了工具与物体的表面之间不同的相互作用的情形。
图49例示了使用根据图20a的工具设计对边缘进行去除毛刺的编程。
图50示出残端打磨的情况。
图51提供另一种情况的示例，其对应于表面的打磨或抛光。
图52示出当使用真实工具并且在打磨过程中进行编程时残端打磨 的情况。
图53大致示出用于实施引入编程的控制系统的主要结构。 图54例示了引入控制器的一种可行的设计。
图55示出来自手柄力/扭矩传感器的输出可用来确定工具的运动方向。
图56示出当工具与作业物体之间形成接触时可起动力控制表面跟踪。
图57示出直接锁定模块。
具体实施例方式
图la示出被操作人员用来控制物体的位置和方位的系统，所述物 体可以是由机器人2操纵的真实物体1,或在计算机屏幕4上显示的虚 拟物体3。该系统包括用于测量力和扭矩的测量组件6，测量组件6包 括第一部件7，在该示例中是传感器壳体，适于接收来自操作人员的力 和扭矩，以及第二部件8，在该示例中是传感器法兰，其中第一和第二 部件设置为可相对于彼此移动。测量组件6进一步包括适于测量由第一 部件7相对于第二部件8的位置和方位变化而引起的力和扭矩的传感器 单元。该传感器包括半导体传感器芯片9和测量电子装置16。
图lb示出半导体传感器芯片的示例9a，该芯片包括矩形外板10a 和矩形内板12a，其通过八个梁14a机械连接，每个梁均装配有至少两 个压阻式传感器元件以测量梁中的应变，所述应变是传感器的内板与外 板之间的力和扭矩的函数。图lc示出传感器芯片的另一示例9b，该芯 片包括外板10b和圆形内板12b，其通过三个梁14d机械连接，每个梁 均设置有至少两个压阻式传感器元件。传感器元件集成在梁14a-14b中 并且不能在图中看到。传感器元件测量传感器9a-b的外板10a-b与内板 12a-b之间的力和扭矩。
传感器元件电连接至测量电子装置16,测量电子装置16进而连接 至包括数据处理单元的计算机18，其基于从传感器9接收到的测量数据 以根据操作人员的意图改变物体1、3的位置和方位的方式控制机器人2 或图形显示器4。
测量组件6进一步包括弹簧装置，在该实施方式中是安装在第一部 件7与第二部件8之间并机械连接至传感器9的盘绕弹簧11，用于将来
自操作员的力和扭矩转换为第一部件相对于第二部件的位置和方位变 化。传感器9适于从弹簧11测量由第一部件的位置和方位变化引起的 力和扭矩。该传感器的外板10经由传感器支架22机械连接至第二部件 8并且该传感器的内板12经由弹簧11机械连接至第一部件7。
该测量组件进一步包括设置在弹簧11与传感器9之间的传感器安 装部件20和设置在传感器9与第二部件8之间的传感器支架22。然而， 替代地，也可以是传感器法兰8接收来自操作员的力和扭矩。由于第一 部件7和第二部件8可相对于彼此移动，哪一个部件接收力和扭矩无关 紧要，测量仍将是一样的。测量组件6和传感器9可以许多不同方式构 造。以下将说明传感器和测量组件的多个不同实施方式。
测量组件的第一部件无需与操作员的手直接接触。反而，如图le 所示，来自使用者的力和扭矩可施加在手柄30上，该手柄机械连接至 测量组件的第一部件7从而来自使用者的力和扭矩被传输至第 一部件。 图ld示出穿过手柄30的横截面图。该示例中测量组件6定位于手柄中。
图2-5示出用于枪型工具的力-扭矩传感器集成方案。图2a-b示出 工具l,其绕工具的中心线C几何对称。这种加工的示例是喷涂、胶粘、
钻孔、去毛刺、打磨、铣削和抛光。对这些对称加工而言，允许绕中心
线旋转并且在编程过程中手柄30可绕中心线C指向任意方向。手柄30 在编程过程中借助连接装置30a附连于工具1的主体la。连接装置30a 设置为可与工具1分离。手柄30包括起动/停止开关30b和安全开关30c。 当然，可在手柄上提供更多加工开关。安全开关30c例如是三位开关。 工具1设置有机器人连接部31用于连接至机器人。在工具的机器人连 接部31与主体la之间，安装了用于测量力-扭矩的测量组件6以及可 在生产过程中被锁定的一个轴承32。
在编程过程中，其旋转轴线与工具的中心线C重合的轴承32自 由旋转，因此工具可绕中心线C旋转。这样，手柄30总是能够被保持 在方便的方位，而与机器人如何移动无关，并且能够重新定向其腕部且 手柄总是能够朝向最有利的方向。测量组件6安装在轴承的机器人侧， 这样在机器人的力/扭矩操纵下的移动方向总是期望的方向，而与手柄 30的方向无关。当编程完成时，轴承例如由销或由机械制动器锁定，并 且使手柄分离。图2b示出附连于机器人2的工具l。
图2a-b所示的实施方式中，测量组件6定位于机器人与工具之间。 图3示出另一实施方式，其中测量组件定位于手柄与工具之间。这是一 个更牢靠的方案并且使传感器在编程过程中对来自操作员的力和扭矩 足够灵敏并且在生产过程中足够坚实。图3所示的实施方式中，手柄30 安装在筒件34上，筒件34经由轴承35和测量力和扭矩的位于筒件34 后面而看不到的传感器组件以及用于将轴承附连于工具体的附连装置 36安装至工具主体la。轴承35的轴线应与工具的中心线重合或至少与 其平行，并且手柄30可以与图2中相同的方式绕工具中心线旋转。
为了使所述枪的移动更牢靠，可与第一手柄30隔开一定距离在筒 件37上安装第二手柄37。第二手柄37也能够以可分离的方式设置在筒 件34上。两个手柄上均可布置加工开关。当编程结束时，可使手柄分 离。采用这种设计，则轴承无需在生产过程中锁定。筒件34、轴承35、 测量组件和附连装置37构成至工具的引入界面。
图4a示出手柄分离的情况下图3所示的工具体la和引入界面。 图4b示出沿着图4a中的工具体和引入界面的线A-A的横截面图。这 些图示出在编程过程中手柄附连于其上的筒件34、轴承35和工具体la。
具有手柄的筒件34可相对于工具的主体la旋转。用于以五或六DOF 测量力和扭矩的测量组件38借助附连装置36和转接器39安装在轴承 35与工具体la之间。转接器39具有用于例如通过简单的螺管接头而附 连于筒件34的装置。
图3和4a-b中假定至加工开关30b-c的电缆以Z字形形式铺设在 筒件34与工具主体la之间，如将参照图8a-b说明，并假定在所述手 柄的附连装置30a中设有连接器。如果替代地手柄直接连接至计算机 18—-其例如是作为示教盒的机器人控制器，则可使用如图5所示的设计。
图5a示出可选实施方式，其中测量组件布置在手柄中。该实施方 式中测量组件38a已移出至手柄30并能够计算相对于工具坐标系统的 传感器坐标系统，引进角度测量装置44,例如基于电容、光、磁或电位 计的编码器，以在手柄绕工具的中心线转动时测量手柄30相对于工具 体la的角度。手柄30包括两个内管46和47，测量组件38a安装在其 间。手柄30的外部件是安装在内管47端部的另一个管45。外管45由 弹性环48密封并包含安全开关30c和加工开关30b。引入界面进一步包 括与轴承40机械接触的内筒件40。
图5b示出可选手柄设计41，包括用于测量作用在手柄30b上的 力和扭矩的两个测量组件38b和38c，从而具有改进操作员的手的力和 扭矩的测量的益处。测量组件38b、 38c设置在手柄41的相对端部。也 可以使具有如图5b所示的内置测量组件的手柄与如图4所示的装置结 合，由此使图4b中的测量组件38可用来操纵工具的位置，而图5b中 的手柄41用来操纵工具的倾斜角度。
图6a-b、 7a-b和图8a-b示出至具有共衬垫手柄的打磨机的引入 界面。采用该工具构形，则最靠近工具作业处的手主要控制工具的位置， 而另一只手调节倾斜角度。
图6a示出设置有以可绕工具的对称线旋转的方式设置的第一手 柄52和相对于工具固定设置的第二手柄54的工具。图6b示出穿过第 二手柄54的沿着对称线的轴向切割图。第一手柄52的构成方式与在图 4a-b中公开的引入界面相同。第一手柄52靠近工具作业处安装。手柄 54仅包括一个测量组件38d，并且该手柄安装在工具最靠近机器人的相
对端部。笫一手柄52包括用于将界面附连于工具体的附连装置50、轴 承51、加工开关58a和安全开关57a。应当在编程之后可以拆除的第二 手柄54也包括加工开关58b和安全开关57b。参看坐标系统，手柄52 用来在x向、y向和z向上定位工具，并且第二手柄54用来绕y轴和z 轴倾斜所述工具。由于工具绕x轴对称，不会形成绕x轴的操纵或旋转。 第一手柄52也包括测量组件，其未示出。
图7b示出图6a和图7a中的手柄52的径向切割图。图3-6中大 致示出的工具与手柄之间的轴承可由两个轴承形成，引入界面的每一端 部中都有一个轴承。因而，同时参见图8和10，轴承之间将存在空间， 其中电缆能够以Z字形形式铺设到加工开关和安全开关以便允许手柄 旋转而不会产生与电缆相关的任何问题。如在图7b中所看到的，外筒 件被分成相互隔开一定距离设置的外筒件34a和内筒件34b，从而在它 们之间形成空间59，其中电缆60可铺设到加工开关和安全开关。筒件 34a-b在筒件的端部处由轴承(未在图中示出)机械连接，并且来自开 关的电缆60可沿轴向方向铺设在轴承之间。内筒件34b经由测量组件 55a、 55b安装在工具体la上。测量组件55a安装在转接单元50a与转 接单元56a之间，并且第二测量组件55b安装在转接单元50b与转接单 元56b之间。
图7a也示出安装在工具体la与机器人附连装置101a之间的测量 组件100a。这是可用于生产中的力控制打磨的传感器，但是过程中它在 编程过程中也将有益于引入加工，原因为它也可在引入过程中控制工具 和物体之间的力。利用引入界面，则操作员例如发出朝向物体移动的指 令，并且他使所述移动继续直到到达所述表面为止，并且所述加工控制
力传感器在一定的力的作用下使所述移动停止。这样操作员便知道他将 总是取得工具与作业物体之间的接触并且不存在工具力将变得过大的
风险。此外，他甚至可在编程过程中进行打磨，由此机器人确定打磨力， 并且操作员确定打磨移动。因而，不但可以通过示范执行轨线编程，而 且可以通过示范对加工参数进行编程。
图8a-b示出来自加工开关58a、 57a的电缆60如何铺设在外筒件 35a与内筒件35b之间。图8a与图6a的左边部分相同并且图8b示出 穿过图8a中的工具界面的轴向切割图。该界面包括用于将所述界面附
连于工具的主体la的工具附连装置50、用于将所述工具附连装置附连 在工具的主体la上的螺钉82、包括6DOF力-扭矩传感器的测量组件 55、筒件34a与筒件34b之间的轴承51、加工开关58a和安全开关57a。 如从图中可看到，来自开关的电缆60以Z字形形式铺设在筒件34a与 筒件34b之间然后穿过筒件34b引出并且与来自力-扭矩传感器的电缆 一起经由所述工具行进到机器人和机器人控制器。
图9a-b示出具有加工中心线65的电弧焊焊枪，用于与手柄的中 心线相差约45度的加工。这种情况下，必须用6DOF操纵引入界面， 并且轴承63必须被锁定。然而，为了能够在不释放安全开关的情况下 改变夹持角，引进新的开关84以在需要时锁止轴承63从而改变夹持的 方向。
图10示出这点如何实施。所述引入界面附连于焊枪主体的部件 61。该界面包括制成为环件的制动盘87、制动离合器86和用于激活制 动器的电磁部件85。因而，在编程过程中所述制动器是接合的并且在需 要新的夹持角时，按压开关84并且所述制动器使筒件34b相对于筒件 34a自由旋转并且可在不将手指从开关58a、 57a和84移开的情况下改 变所述夹持角。如果利用非对称加工则在图3中的枪的情况中也可利用 相同的概念，例如用于产生矩形胶粘接缝。当加工是对称时，也可用图 9b的装置替代手柄。例如图3中，这意味着圆筒形部件34直接用作手 柄并且开关30b-c安装在圆筒形部件34上以可被操作员的手指够到而 与所述工具的方位无关。图IO其余部分与图8b所示相同。为了在夹持 角变化过程中避免焊枪的任何运动，开关84也可连接至机器人控制器 以锁定力-扭矩操纵功能并在受控的位置运行以使焊枪保持稳定在适当 位置。该功能性也可用于根据图3-5的枪型设计的情况中。
图lla-b示出另一工具构形，其中手柄与由工具执行的加工运动 的中心线成直角。如同图9b所示的情况，引入界面必须也能够控制 6DOF并且图10中的制动装置也可用于此处。然而，另一选择是^^用 图12中例示的机械锁定机构，图12是沿着图llb的线A-A的横截面图。 如从该图可以看到，内筒件34b设置有齿92，其将通过弹簧球联接器 卯-91将外筒件34a锁定于内筒件34b。当按压按钮88时，杠杆89将 球91从齿圏92提升并且外筒件34a在夹持角必须改变时可相对于内筒
件34b旋转。按钮88可同时具有电气开关以将控制策略从力/扭矩操纵 改变为位置控制。
图13a-b示出适应于本文档中描述的引入界面的6DOF力-扭矩测 量组件的可行实施方案。图13a示出包括6DOF力-扭矩传感器芯片73 的测量组件。如图13a所示，传感器73安装在转换器中。该变换器将 来自工具手柄的力和扭矩变换为传感器73适配的力和扭矩级别。该变 换器包括顶板67、底板72和将顶板安装在底板上连接器71。顶板67 包括用弹性部件69相互连接的外环形部件70和内环形部件68。力和扭 矩将产生于内环形部件68与底板72之间，并且由于弹性部件69具备 一定的弹性，内环形部件68在力和扭矩引进时将相对于底板72以6DOF 移动。这些移动通过弹簧装置74作为力转移至传感器73。
图13b更详细地^S开了弹簧装置74。弹簧装置74包括外环74d、 内环74e和多个设置在外环74d与内环74e之间的弹簧74a-c，在该实 施方式中是三个弹簧。弹簧74a-c具有相对于弹性元件69的弹簧常数 以获得期望的力-扭矩变换。
图13c更详细地示出传感器73。传感器73包括外板76a和内板 76b,其利用多个梁75相互连接，在该实施方式中是三个梁。此类传感 器制成为在梁75的表面上具有集成压阻式传感器的单片硅片。这种基 于SENSOR技术的传感器的典型尺寸是厚度为0.7mm并且直径为 5mm。弹簧装置的外环74d机械连接至顶板67的内环形部件68，并且 弹簧装置的内环74e机械连接至传感器73的外板76a。传感器的内板 76b与变换器的底板72机械接触。
为了获得顶板67更均匀的6DOF弹性，可如图14所示制成弹性 部件69。
使用该半导体传感器，能够以很低的成本构造很小的变换器，这 使这种传感器方案对如前述地集成到引入界面内而言是理想的。另 一种 可行性是利用电容性的力-扭矩传感器。
图15和16示出可用于引入界面中的电容性的力-扭矩传感器的示 例。根据图15和16，在此借助具有彼此面对的电极的两个板78和79
来完成变换器底板72与变换器顶板67之间的运动的6DOF测量。上板 79被胶粘至变换器顶板的环形内板70并且板78被胶粘至变换器底板 72。从上变换器板67的孔81可利用至板79上的电极的配线并且测量 电子装置可置于该孔中并与配线80联结。下板的所有电极都可通过电 容电桥连接至上板以使制造和接线尽可能地容易。
上板79的下侧和下板78的上侧上的电极在图16中示出。在下板 78上设有三个电极群401、402和403并且在上板79上设有相应的三个 电极群404、 405和406。每对电极群401-404、 402-405和403-406将测 量所述板之间的距离和所述板之间的切向移动的变化，从而共同完成 6DOF的测量。具有大表面的电极对，例如401a-404a和401b-404b, 用来发送信号至下板78或从其接收信号。所述测量电极布置的方式使 得上板上的一个电极例如404e与下板中的两个电极电容耦合，例如404e 与401e和401f。在测量的每一时刻，下板的电极都是连接的，见例如 线路401c和401d,并且上板上的所有电极都是连接的，见例如线路 404d。这些板可安装成相互很靠近以获得很高的灵敏度。为了获得高安 装精度，例如利用两个板上的三个凹槽并在安装过程中在每一新增对中 使用筒件而将运动联接器集成到这些板内。
图13-16所示的传感器设计概念基于平面二维弹簧结构的使用并 且为了获得所需的顺应性，所述弹簧板不能太小型化。因此这些二维弹 簧装置最佳地适应于如图2、 7、 17和19所示的所述引入设计。
图17a-c示出关于用于图lib中的工具的手柄的安装的可选方式。 在此将引入界面96安装成使得轴承轴线与加工中心线重合并且第二引 入界面95用于容易地操纵工具的倾斜角，这意味着绕所插入的坐标系 统的x-z轴的旋转。界面96将用来操纵工具位置x、 y、 z以及绕x轴的 工具旋转。通过使两个界面95、 96上都具有安全开关，而获得增加的 安全性。已引进新的开关99并且这用来使引入界面中的力-扭矩传感器 的测量归零。这是必需的以避免传感器信号在编程过程中偏离而导致不 需要的机器人运动。该开关也可用于前面图中的所有其他引入界面。
引入界面95具有安装在端壁上的轴承100b并且在该轴承与工具 主体92之间安装有力-扭矩测量组件101b。如果电力电缆必须进入界面 95所处的工具，应当替代地使用与界面96同类型的界面，原因为在该
界面设计中设有空闲中部用于电缆以及壳体。力-扭矩测量组件97安装 在工具与机器人之间以用于过程中利用引入界面95和96在引入编程过 程中以限制工具与作业物体之间的力的方式来控制机器人。这种在引入 编程过程中使用力-扭矩传感器用于控制相互作用力的概念可用于工具 与作业物体之间需要接触的所有应用。力-扭矩测量组件97在加工过程 中使用，但也可用来控制用于引入编程的工具。
为了总是能够在不释放安全开关的情况下改变夹持方向，最佳方 案是在每只手中都具有一个带有集成轴承和力-扭矩测量组件的引入界 面。取决于工具作业的方式、可接近性和加工本身，获得许多方式以在 不同的工具上以符合人体工效学的方式正确安装两个手柄。
图18a-e示出用于在工具上安装两个引入界面手柄的主要构形。
或所述构形的方位中仅将手柄之间的内部关系考虑在内。图18a中手柄 一个接在另一个后面地安装成直线或如图6a所示一个接在另一个后面 地安装成沿着两条平行线，而且也可用于平面打磨工具、去毛刺工具和 抛光工具。图18b中手柄相互成角度安装，如图17b所示，而且也可用 于很多其他工具，诸如清洗枪、带式锉刀(bandfiles)、测量工具、钻 孔工具和焊枪。图18c中手柄也相互成角度安装，但其中左边手柄或多 或少地指向右边手柄的中央以便使手柄的力之间更好地平衡，如手持锯 机、手动铣床等。图18d中手柄平行安装，如具有附加支撑手柄和抛光 工具的铣床。图18e示出当一个手柄安装在另一手柄上时的特殊情况， 其原则上与图18b中的相同但其中一只手的旋转联接至另一只手的移 动。
图19示出当使用中心轴线与所述轴承的旋转轴线重合的对称加 工工具时用于轴承布置的可选方式。在这些情况中外筒件和轴承103可 安装在至机器人的附连机构102上。这意味着手柄106将使整个工具旋 转，这也是图2中的情况。然而，图2中力-扭矩测量组件安装在机器 人附连机构上，而图19中力-扭矩测量组件105则安装在手柄106与工 具主体104之间。为了发送正确的力-扭矩方向至机器人控制器，这种 情况下轴承上需要角度传感器，而这在图2中并非必需。图19中的设 计相对于图2中的设计的优点在于所述力-扭矩测量组件无需承担所述
工具的负载。图2中的设计的优点在于无需进行角度测量。
图17b中示出的是力-扭矩测量组件97如何能够安装在工具与机 器人之间以用于在引入编程过程中以工具与作业物体之间的力受到限 制的方式控制机器人。然而，用于在编程和校准过程中控制工具的力的 力-扭矩传感器也可在编程过程中安装在砂轮94与工具主体92之间， 由此使所述力-扭矩传感器承栽更小的重量。在编程过程中采用模拟工 具时这种设置是特别引人注意的。
图20a-20d示出多个不同的包括力-扭矩测量组件113的模拟工 具。在此工具主体和来自图3的引入界面110用来例示所述模拟工具概 念。如从图20a所看到的，模拟工具lll安装在工具主体上并用于校准 和测量应用。所述模拟工具具有在杆114的末端上的测量球体115，杆 114可安装在力-扭矩测量组件113上。力-扭矩测量组件113,包括6DOF 力-扭矩传感器，安装在转接器112上，转接器112在校准和编程过程中 安装在所述工具体上。所述力-扭矩测量组件将控制机器人以限制物体 与球体之间在引入编程和校准过程中形成接触时的力。当操作员使球体 抵靠着物体移动以测量物体表面时，则他用多大的力使所述引入界面移 向所述物体无关紧要，机器人控制器将一直限制该力并因而限制机器人 移动。图20b示出除去毛刺模拟工具116。图20c示出模拟来自例如燃 烧器的射流的杆117。图20d示出用于抛光、打磨和铣削的圆盘118。
图21a-b示出测量组件119更详细的图。图21b示出穿过图21a 所示的测量组件119的沿着线A-A的横截面。传感器芯片9b例如由硅 或其他半导体材料诸如砷化镓制成。具有集成压阻式传感器元件的传感 器芯片包括外板120，其借助至少三个充当弹簧元件的梁134连接至中 央环件135。中央传感器环件135中间的孔用来使用附连于变换器机构 的底板139的筒形元件132而安装传感器的中部。方形传感器板120安 装在变换器内环件136上并且该环件还包含部件121，其用来安装测量 和通信电子芯片142。传感器板120与电线141一起联结于电子芯片142, 电子芯片142进而与电线143联结以与联结元件144和触点机械结构 145接触。具有例如现场总线通信信号的电缆146自该触点145从所述 变换器引出以连接至例如机器人控制器。
变换器内环件136连接至外力和扭矩施加于其上的变换器中央环
件122。该环件经由环件131连接至所述变换器的面板130，所述环件 131可以是面板130或变换器环件122的一部分。变换器中央环件122 进而经由多个弹簧元件128连接至变换器外环件123。当施加于中央环 件122的力-扭矩级别比传感器芯片120、 134、 135的设计级别大得多 时，弹簧元件128的刚度必须比弹簧元件126的刚度高得多。变换器内 环件136经由多个弹簧元件126连接至中央环件122。
同时，弹簧元件128的刚度必须选定为充分顺应于机械力-扭矩限 制器137和138的设计。限制器137、 138包括位于面板130中的三个 孔并且每个孔中设置有直径小于孔137的直径的筒件138以防止面板 130相对于变换器筒形外壁124以6DOF移动超过一定的最大移动。筒 件138安装在变换器筒形外壁124中并且设有三对绕所述变换器以120 度分离的筒件/孔。在变换器外环件123与外壁124之间设有由例如密 封环密封的小气隙。应当注意的是传感器板120和传感器内环件135都 是从所述硅芯片的同侧安装。作出这种设计以便消除取决于钢与硅之间 不同的温度系数的温度感应效应。
图15和16示出包括6DOF力-扭矩传感器的另一类测量组件，其 有益于所述引入界面。该传感器基于电容测量，而不是如同图21a-b所 示的包括压阻式传感器元件的测量组件一样的阻抗测量。如图22a-b和 23所示，电容测量技术也可集中到硅芯片内。这种情况下，见图22a-b， 所述变换器具有一个经由弹簧元件152连接至内部件153的外环件151。 半导体芯片147例如硅芯片安装在绕所述外环件的三个位置处以测量变 换器底板156与变换器外环件151之间的切向和轴向的2DOF距离。所 述距离通过所述芯片表面上的面对位于所述气隙的另一侧上的隔离板 160上的至少两个电极164和166的至少三个电极161、 165和167进行 测量，其中2DOF测量在所述气隙上进行。
芯片147包含连接至电极161的高频振荡器168并且信号耦合至 电极165和167并被芯片147上的放大器169和170放大。电极164和 166被锁定在同一隔离板160上。电极162、 163、 165和167被锁定在 硅芯片147上。电极162和163是使电极161与电极165和167之间耦 合的直接电容最小化的防护装置。当芯片147与隔离板160之间的距离 增加时，来自放大器169和170的信号总和将减少，并且在隔离板160
相对于芯片147切向移动时，来自放大器169和170的信号之间的差别 将发生变化。由于这些测量属于非接触类型，所述传感器芯片将不需要 承受任何力并且其安装与图21a-b所示的传感器芯片相比没有那么关 键。
由于传感器芯片唯一的毁损风险是在所述气隙为零时，限制所述 变换器的移动也将由于所述传感器芯片而更容易。为了避免这种情况， 可使用具有略微小于测量气隙的气隙的简单钢制部件148。为了保护弹 簧元件152，使用了与图21a-b中相同的力-扭矩限制概念；使筒件154 与图21b中相应的筒件138相当。用电线149将所述传感器芯片联结于 接线装置150。应当注意的是图22b示出穿过图22a中的传感器的横截 面。
图23示出硅传感器芯片147和绝缘体160的安装。图中向上的方 向是图22a所示的变换器的径向方向。图23示出硅芯片147与芯片支 架172-174安装在面对所述气隙的一侧并示出所述绝缘体也通过部件 151安装在面对所述气隙的一侧。芯片支架172-174附连于图22a-b中 的变换器底板156并且部件151附连于图22a-b中的变换器环件151。 作出这种安装设置以使对变换器的温度依赖性最小化。图22a-b中标为 149的配线在图23中标为171。硅芯片147上的电极以虚线示出并且绝 缘板160上的电极以连续线示出。
图24示出用于电极构形的可选方式。在此电极161安装在隔离板 160上并且其通过电极175与174之间的桥式电容馈送。
图21a-b示出一种安装传感器芯片120、 135的方法，所述安装方 法使部件135从所述传感器结构的一侧安装并且部件120从另一侧安 装。为了使所述传感器的组装更容易，例如通过使用环氧联结剂仅从一 侧安装所述传感器芯片会是一个优点。
图25a-b示出一种使仅从一侧安装所述传感器芯片成为可能的二 维弹簧装置。图25a从上方示出二维弹簧装置，具有安装在传感器壳体 185上的外环件184、设计成用于安装在图25b中表示为186的传感器 法兰上的内环件182以及传感器附连部件180。外环184与内环182之 间安装有并接弹簧183并且在内环182与传感器附连部件180之间设置
有传感器弹簧181。该实施方式中传感器芯片具有外部件176、内部件 177、以及连接至所述传感器芯片的内部件及外部件的梁178(见插图)。 传感器芯片的外部件176安装在传感器附连部件180上并且传感器芯片 的内部件177安装在连接至弹簧盘的外环件184的梁179上。这样从所 述传感器安装的两侧立体图明显看出传感器结构可在一侧安装在弹簧 结构上。
图25b示出穿过整个传感器结构的切割图并示出所述传感器芯片 上的联结现在将很容易进行并且可在传感器芯片安装在弹簧结构上之 后完成。除此之外，对于传感器安装法兰186、过载保护装置187、传 感器壳体185、 188、连接电缆189、连接器1卯、联结元件191、 193、 测量电子芯片192、传感器芯片176、弹簧结构部件180-184和安装梁 179,传感器安装与图21a-b中的一样。弹簧结构和安装梁176都可通 过例如激光切割一片金属而从同一圆盘制造。当然，可使用更多精巧结 构以使该结构的一部分在传感器壳体185与传感器结构176或177的一 部分之间进行连接，并且该结构的另一部分在传感器法兰186与传感器 结构177或176的外部件之间进行连接。
图26a-b示出与图25a-b中大致相同的弹簧装置，但此处安装梁 179不同地安装在所述传感器芯片的外部件176上并且传感器安装部件 180安装在传感器芯片的内部件177上。为了获得大的安装面积，所述 传感器芯片在一个方向上延长并且安装梁179并未到达所述弹簧盘的中 心。换言之，图26a-b与图25a-b完全相同。
图25a-b和26a-b所示的传感器结构是一种在6DOF力-扭矩传感 器中使用的标准梁结构。每个梁都需要具有两个或四个成对安装的压阻 式传感器，并且在所述梁的宽度变小时会难以取得用于平行的传感器对 的空间且也会难以取得关于6DOF的各向同性的传感器性能。
图27示出具有梁结构的传感器，其减少了以上节段所提到的问 题。在此使用二维八足式(ocotopod)结构，包括八个在外板194与内 板196之间沿正交结晶方向延伸的成对设置的梁197。每个梁197都装 配有两个压阻式传感器元件198。
外板194和内板196呈矩形形状。在外板和内板相互面对的相对
侧之间安装了两个正交梁197。每个梁197包含两个压阻式传感器198。 所述梁将外板194与所述芯片的内板196连接。为了获得高的压电电阻 率，所述压阻式传感器必须安装在两个结晶方向195中的任一个上并且 所述梁因此应当在这些方向上进行布局。
如前述，二维弹簧概念由于它们需要用以提供弹簧柔顺性所需的 一定的圆盘面积而难以小型化。因此，在需要很小的力-扭矩传感器时 的情况下，如图4-7中的情况，则不同地需要三维弹簧概念。
图28示出一种简单的三维弹簧概念，包括^f吏用了安装在传感器芯 片上的螺旋弹簧。弹簧208安装在传感器壳体207与传感器安装板205 之间。传感器安装板205进而安装在所述传感器芯片的内板202上。所 述传感器芯片的外板200安装在芯片支架203上，其温度系数应当与传 感器材料相同。对硅传感器芯片而言，这些材料的示例是硅、特殊玻璃 材料和不胀钢。
芯片支架203进而在其中心安装在传感器法兰204上。芯片支架 203充当传感器芯片200的外板安装于其上的基板。例如当温度升高时 基板203确切地与传感器芯片200膨胀得差不多并且不会在所述传感器 芯片的梁201中形成应力，并且所述压阻式传感器元件将不会由于所述 梁中的温度感应应力而改变其阻抗。然而，在基板203与法兰204的附 连于所述基板的金属部件204a之间存在大的温度系数差异并且当温度 变化时应力将引进到所述基板中。为了避免该应力转移至传感器芯片， 金属部件204a具有比基板203小的直径d。由此所述应力将局部于所 述基板，并且如果所述基板如同图中一样地在与所述金属的界面处薄并 且在与所述传感器芯片的界面处厚，应力转移将会低。作为可选方式， 基板203可被制成比传感器芯片大并且所述金属界面可位于基板与传感 器芯片之间的界面的外侧。
图28中未使用并接弹簧并且假定传感器芯片可用于传感器的整 个测量范围，对于引入应用通常是100N和20Nm。测量范围之外的力 和扭矩由过载保护装置206承担，其以使三个销位于直径比所述销大的 三个孔中的这种普通方式制成，如右边示意图所示。对于更高的测量范 围将需要使用并接弹簧。
图29a和29b示出两个使用并接弹簧的示例。该传感器结构的安 装与图28中的相同，但是保持所述弹簧的结构将更复杂。因而，图29b 所示的测量组件包括连接至并接弹簧208b的面板结构204、传感器支 架203和过载保护器件206。传感器弹簧208a直接安装在传感器壳体 207上。为了避免也是位于所述传感器芯片的中部203中的温度感应应 力，由温度系数与所述传感器材料相同的材料制成的传感器安装部件 205安装为与所述传感器的内部件202机械接触。为了进行温度补偿， 所述传感器组件也装配有温度系数与传感器材料相同的元件207b。该 元件的厚度可与所述传感器芯片及其安装部件200、 203和205的部分 厚度大致相同。图29b中示出装配有并接弹簧的传感器组件的并接弹簧 的可选样式。在此并接弹簧208b安装在传感器壳体207与传感器法兰 结构204之间，而传感器弹簧208a则安装在传感器结构205与传感器 法兰结构204之间。当然，图29a和29b中的传感器结构与其支架都可 相对于图中已绘出的方向上下换位安装。
图30示出图28中的传感器组件在弹簧移除之后从上方观看的外 形的示例。如可看到的，传感器壳体207具有缺口部分使得可以将测量 电子装置210放在靠近所述测量组件的电子装置壳体211中。电子芯片 210以联结件209将置于弹簧下方的方式联结于传感器芯片200 (对照 图28)。测量组件的安装如同图28中的一样，即弹簧安装部件205安装 在传感器的内部件202上并且其中传感器的外部件200安装在下置的传 感器支架203上。当然，该支架203可制成为使得在所述测量组件的另 一侧设有用于联结的空间，由此所述压电传感器当然也将布置在该侧。 电缆212将传感器电子装置连接至例如机器人控制器。
不同于图28中使用单一弹簧以便进行传感器连接，可使用更多弹 簧来更好地控制所述传感器在6自由度中的顺应性。图31a-b示出将三 个弹簧221设置在传感器224a-b与传感器法兰218之间的两个示例。 图31a中螺旋弹簧安装在与传感器芯片224a-b相同的平面内并且图31b 中弹簧223安装为垂直于传感器芯片表面。参看图31b,弹簧221安装 在传感器法兰环件结构218与弹簧支架220之间，所述弹簧支架220是 传感器安装部件218中的部件，所述传感器安装部件218进而安装在传 感器外板224a上。传感器内板224b安装在传感器壳体215上。所述测 量组件进一步包括过载保护装置217。图31b中弹簧223安装为垂直于
传感器芯片224a-b并且借助连接至传感器安装部件218的安装板223 进行这种安装。弹簧223的另一侧安装在传感器法兰上。
对于多弹簧装置而言也可以引进并接弹簧。这种情况的示例在图 31c中示出。在此并接弹簧221b直接安装在传感器法兰216与传感器壳 体215之间。传感器芯片的内板224b安装在所述传感器壳体的底部上 并且传感器芯片的外板224a安装在传感器支架218上，传感器支架218 进而安装在传感器弹簧221a上。如同多幅附图中的一样，从侧面看所 述传感器组件时，所述剖切并不是笔直的以使弹簧并接原理更形象化。
图31a例示了所述弹簧如何能够安装成与传感器芯片平行或垂 直。很多情况下关于各向同性的最佳方案是使用弹簧的三脚或六脚设 置。因而，图32示出所述弹簧相对于所述传感器芯片如何能够设置成 具有一定角度以获得三维三脚弹簧结构的示例。传感器弹簧231以相对 于传感器芯片225、 226成45度角安装在传感器法兰230与传感器安装 部件232之间。该角度简单地通过例如在传感器法兰230和传感器安装 部件232中铣削45度轮廓而实现。
在使用三维弹簧的情况下，也可以如同图25和26中所示的2D (二维)弹簧组件一样将所述传感器芯片单侧安装在所述弹簧系统上。 因而，图33例示了传感器芯片225、 226进行单侧安装的组件。所述传 感器芯片的中部226安装在通过部件248和249连接至弹簧255的部件 245上。传感器外板225安装在部件244上(左边部分244b的厚度小 于右边部分244a )。部分244a经由部件246和247机械连接至弹簧254。 弹簧255连接至传感器壳体251并且弹簧254连接至传感器法兰250。 传感器壳体与传感器法兰之间设有过载装置252和253。部件244( 244a 与244b相连)和245优选地由温度系数与传感器芯片相同的材料制成， 这意味着温度匹配不当的距离仅是部件248/245与246/144a之间的气 隙。由于传感器很刚硬，该间隙可以很小并且传感器中由于温度系数匹 配不当而形成的温度依赖性可以;f艮小。此外，所述间隙与所述弹簧串接， 所以仅形成很小的由于温度变化引起间隙宽度变化所致的力。
所述传感器芯片的布局以及与所述芯片的安装连接一如图33中 所述一的一个示例可在图34中看到。在此，传感器部件225和226已 被修改为使得附连装置246和248的安装(经由244a和245 )关于温度
效应尽可能地牢固。因而传感器部件225现在也包含转角234a和234b 并且传感器部件226包含现在也包含转角235a和235b。梁236及其压 阻式传感器237位于方形中部226与转角部234和235之间。附连装置 246胶粘至所述传感器芯片的包括转角部234a和234b的右边外部件 225并且附连装置248胶粘至包括转角部235b的中部226。所述弹簧安 装在分别机械附连于部件246和248的部件247和249上。除了该传感 器设计使更好的附连成为可能之外，对照与图27中的传感器设计，还 将具有需要蚀刻掉的半导体材料更少的优点。
对由于使用温度系数不同的材料而引起的温度效应的总补偿而 言，可使用图35a中的传感器设计。弹簧安装以及传感器弹簧231、传 感器安装部232、传感器法兰230和过载保护装置257与图32中的一样。 然而，引进温度系数与传感器芯片225、 226、传感器支架261、 262和 传感器中央附连部件265相同的部件262。该部件262的高度应当与部 件265、 226、 262和261的高度总和相同。如果温度补偿部件262具有 更低的温度系数，其高度可以更低。 一种可行性是将部件262设置为根 据图示的环件然后将其安装在圆盘264与环件258之间。环件258安装 在工具壳体263/266上。部件264和258的温度系数应当与部件266、 263、 232和230相同并与传感器安装至其内的结构的温度系数相同，其 通常是钢或铝。
图35b中针对具有并接弹簧的传感器示出了与图35a所示相同的 温度补偿原理。因而，并接弹簧221b安装在传感器壳体215与传感器 法兰216之间并且传感器弹簧221a安装在传感器壳体与已经针对图35a 进行描述的传感器附连装置之间。因而，部件262、 265、 224a-b、 261 和260具有相同的温度系数而所述传感器组件其余部分则由例如钢或铝 制成。
当具有集成6DOF力-扭矩传感器的手柄安装在工具上时，可以由 机器人或工具制造商校准包括所述手柄的工具，这意味着所述机器人控 制器能够分辨所述力/扭矩传感器相对于工具坐标系统的坐标系统。对 所述控制器而言当然需要分辨所述坐标系统以便在所述手柄被机器人 操作员占用时使机器人在手柄工具坐标系统中移动。然而，在所述工具 固定在机器人单元中并且机器人保持着作业物体时的情况下，操作员一
般需要校准手柄的坐标系统。于是重要的是具有一种易于校准手柄的方 法。
图36a-b示出当操作员需要将所述手柄安装在作业物体310上以 便对机器人编程以执行作业物体校准和加工运动时的情形的示例。具有 固定叉302和活动叉303的夹具使用具有活塞306的液压缸308夹紧作 业物体310。活动叉303可手工标记在具有滑块305的线性导轨301上， 滑块305保持端壁303，端壁303利用轴连接至所述滑块。所述夹具安 装在机器人腕部309上。
图37示出可用来在不同位置将手柄夹紧在由机器人保持的作业 物体上的手柄装置。手柄本身由外管330构成，外管330连接至所述管 内的力传感器319的一侧。力传感器的另 一侧连接至手柄安装部件327。 所述手柄上设有两个开关，其中开关321是三位安全开关。开关322例 如用于与所述控制器通信以限定编程位置。使用语音通信则其可以是软 键，意思是其可依靠在操作员与控制器之间的语音通信过程中所限定的 编程或校准状态而具有不同的功能。所述键和6DOF力-扭矩传感器319 利用电缆或借助无线通信连接至机器人控制器。手柄安装部件327经由 轴328连接至手柄夹紧装置，轴328可被锁定在合适角度以便接近所述 手柄。所述手柄夹紧装置由两个挠性钢带315和316构成，其共同形成 圆圏，该圆圏的半径和形状可利用螺钉314改变。所述钢带组件固定于 部件317和318，部件317和318进而连接至所述手柄。
图38例示了手柄332如何夹紧在作业物体310的筒形部件周围。 现在需要一种方法来限定手柄332的局部坐标系统。该图例示了以下方 法
1. 控制器要求操作员竖直向上(或向下)333按压所述手柄。
2. 控制器记录来自力/扭矩传感器的信号(Xz， Yz, Zz， Rxz， Ryz和 Rzz X
3. 控制器要求操作员朝向机器人的中央(轴线l) 335按压手柄。
4. 控制器记录来自力/扭矩传感器的信号(Xr， Yr, Zr, Rxr， Ryr和 Rzr )。
5. 控制器要求^l作员在关于机器人的轴线1的逆时针(或顺时针)方 向334上压紧手柄。
6. 控制器记录来自力/扭矩传感器的信号(X+， Y+， Z+， Rx+， Ry+ 和Rz+ )。
7. 控制器现在可计算力-扭矩传感器坐标系统的坐标方向并可将力-扭 矩传感器信号变换为工具坐标系统。
8. 将控制器设定为引入操纵。
9. 任选地搮作员进行竖直m^运动。如果他对所产生的运动不满意则 可重复步骤1-8或者在图形显示器上或仅通过他将以多少度数来改变运动 方向的进行限定。他然后可进行相同的操作来将所述方向朝向机器人的中 央调整。
机器人可首先通过在某一特定方向移动作业物体而示出运动方向 然后要求操作员施加他所希望的与机器人示出的运动相应的力和扭矩， 而不是要求针对某一特定方向将力施加在所述手柄上。
图39示出所述手柄及其夹紧机构的可选设计。所述手柄在此也是 管345，其经由元件347安装在6DOF力-扭矩传感器338的一侧上。传 感器338的另 一部分经由部件346和342以及可以以不同角度锁定的轴 353而连接至所述夹紧机构。所述手柄上设有开关328和329，其中开 关329是安全开关。所述夹紧机构由一个固定叉350和一个活动叉351 构成。活动叉351可以借助螺杆352沿着导轨349移动，其用来获得固 定手柄所需的夹紧力。即使在机器人处于手动模式时安全开关足够保证 安全，仍可以在所述夹紧机构与所述手柄之间设有机械或磁性离合器。 该离合器可具有内置电气连接，其在所述离合器在手柄与夹紧器件之间 一定的力或扭矩的作用下打开时切断。
图40示出图3中的手柄如何被夹紧在作业物体310上，作业物体 310进而被夹具355夹紧。如图1，所述夹具安装在机器人的工具法兰 上。该图示出腕部坐标系统356 (Xw,Yw,Zw)和两个手柄的坐标系统 357、 358。第一手柄359安装在所述夹具上的校准位置上并且其坐标系 统(Xhl,Yhl,Zhl)的坐标轴方向与腕部坐标系统的相同，当然这点不
是必需的。第二手柄在引入校准和编程活动过程中使其易于接近的位置 被夹紧在作业物体上。为获得进一步更好的可接近性所述手柄已被向下
固定，这意味着其坐标系统358是倾斜的(Xh2, Yh2， Zh2 )。可根据以 下方法使用两个手柄来进行手柄354的校准
1. 控制器对所述手柄之一设定成引入，例如已经校准的手柄359。
2. 操作员在指定方向使用手柄359移动机器人。
3. 控制器i已录方向(Xhla， Yhla， Zhla)。
4. 操作员沿与机器A^步骤2移动的方向相应的方向在手柄354上施 加压力。如果可能，如果操作员利用他的两只手来夹持两个手柄则步骤2 和4可同时进行。
5. 控制器记录方向(Xh2a, Yh2a， Zh2a )。
6. 针对其他方向重复步骤2-5，应进行这种重复使得所有三个学习方 向尽可能地正交。将为控制器给出以下附加记录:(Xhlb， Yhlb，Zhlb)、
(Xh2b， Yh2b， Zh2b )、 (Xhlb， Yhlb， Zhlb)和(Xh2b， Yh2b，Zh2b )。
7. 任选地操作员可针对更多方向重复步骤2-5,从而给出冗余信息，
其可用来获得更好的校准质量。
8. 控制器计算手柄354与357之间的坐标变换矩阵。由于操作员难以 获得在所述手柄上的压力方向的精度，所记录的数据将包含误差并且可在 计算所述坐标变换矩阵时进行最佳配合计算。在不同的方向中进行的记录 越多，最佳配合结果就越好。也可进行奇异值分解以检查在校准中使用的 方向不会关于它们的角度差异相互靠近。
9. 操作员可移除基准手柄359。应当提及的是该基准手柄可与将在引 入作业过程中4吏用的手柄相同。然后手柄354应当易于分离和附连于其夹 紧装置以及附连于所述夹具上的基准附连装置。
图41示出与图40中相同的装置但是基准手柄359由安装在夹具 (366)与机器人安装法兰之间的6DOF力-扭矩传感器360取代。这是 力控制加工由机器人进行的情况。该方法意味着以下步骤
1. 控制器对力-扭矩控制器360设定成引入。
2. 操作员保持手柄354在指定方向上移动机器人。
3. 控制器记录力-扭矩传感器(Xfsa， Yfsa， Zfsa )和手柄(Xh2a, Yh2a， Zh2a)给出的方向。
4. 至少在两个其他方向上重复步骤2-3，应当执行这种重复使得所 有三个学习方向将尽可能地正交。
5. 控制器计算手柄354与力-扭矩传感器360之间的坐标变换矩阵。
6. 控制器可从手柄354中的力-扭矩传感器起动引入控制。
该方法当然是最直观的一种并且将易于执行且效果很好。
图43示出机器人单元361，其中所述引入用于作业物体校准和加 工编程。在该实施例中是铸件的作业物体在先前的加工阶段就已手动布 置在板362上并且所述板在三极(365)之间的位置移动。所述铸件以 足够大的精度(约+/- 50 mm)布置在所述板上以便机器人根据图1夹紧 它们。使用引入对机器人进行编程时执行以下步骤:
1. 将手柄安装在夹具上。如果所述夹具是第一次使用并且手柄未针对
夹具校准，则例如才艮据图3或图6进行校准。
2. 在手柄安装在夹具上的情况下对机器人进行引入编程以向下行进 至所述板，将夹具叉定位在合适的位置以便夹持。
3. 例如通过语音通信发出夹紧命令，然后利用引入使所述夹具移动至 所述手柄安装在所述铸件上的位置以获得良好的可接近性。
4. 根据前述方法中的任一种校准手柄。
5. 对所述校准移动进行引入编程，由此4吏所述铸件移至测量站366。 在最简单的情况中其只是一个具有力传感器的销并且使所述铸件在铸件 表面上的不同位置与所述销接触。该校准方法要花费很多时间来编程但是 它是一种牢靠和低成本的方法。除具有力传感器的固定销外，当然可使用 位置测量探针作为LVDT。为了对所述铸件进行快速编程和执行校准，可
使用激光扫描仪或3D视觉系统。
6. 对切割站367进行引入操纵，其中切割移动由引入编程限定。
7. 对打磨站368进行引入操纵，其中打磨移动由引入编程限定。
8. 对除毛刺站369进行引入操纵，其中除毛刺移动由引入编程限定。
9. 对板362进行引入操纵，其中所述铸件未负栽。
应提及的是在两种加工之间可能需要交换所述手柄的位置以具备 所述引入活动所需的可接近性。某些情况下可能也需要在粗铸件上进行 测量而在已被手工切割、打磨和除毛刺的铸件上进行加工编程。
图42给出一些所述手柄的改型设计示例，所述手柄包括用于所述 工具的轴承，其中手柄及其轴承无需安装在工具中央的外侧。因而，图 42中的设计不可用于图7和10所示的情况中，但可用于图12和18中 的情形。在图42中的上面的图中具有电气开关421和433的手柄外筒 件430a在左端安装在轴承406上。所述手柄的内部由力传感器及其壳 体419和法兰420构成，其安装在部件431与433之间。部件431安装 在轴承406上以使其可相对于手柄外筒件430a旋转。部件433安装在 手柄附连装置430b上，手柄附连装置430b例如可附连于打磨机。力传 感器433从所述手柄的端部引出，并且引自开关422和421的电线可与 所述力传感器电线结合在一起。因而，当将所述手柄附连于所述工具时， 所有电气连接都跟随着所述手柄。可选地所述手柄可包含电池并且来自 所述传感器和开关的信号可通过安全无线通信发送至所述控制器。图42 中的下面的图示出当所述力传感器可轴向安装在所述手柄中时的变体。 通过将轴承406安装在手柄外管430a内并靠近所述力传感器壳体，就 不需要上面的图中的部件431。
为了设计根据操作员的意图操纵所述工具所需的控制概念，将描 述一些有用的情况。因而，图44大致示出当根据图21的工具115用来 测量物体的表面65上的点66时的情况。为了控制工具的移动操作员在 所述手柄上产生力Fh和扭矩Mh，并且所述工具上的球与作业物体之间形 成接触时，产生工具力Fp其方向由所W面的法向力和所述表面的切向 摩擦力的向量总和给出。
37
可以两种途径进行表面测量，要么通过使所述工具向下移至所述
表面，登记一个点并根据图45a使所述工具再次移动离开所述表面，要 么通过沿着所述表面移动所述工具并沿着根据图45b的路径登记多个
另一种常规的情形是如图46所示需要在两个物体之间的界面中 测量多个点，其中物体B置于物体A上或属于物体A。这种情况下所 述工具也可用来登记孤立点或在工具在物体A与B之间的接合处运动 过程中登记多个点。由于所述工具被两个相互成角度的平面限制，形成 两个法向力，物体A的表面的法向力Faw和物体B的表面的法向力F<formula>formula see original document page 38</formula>。 当然，也存在两个摩擦分力，每个物体表面一个。
图47示出操纵图21中的模拟工具118以便对动作进行编程从而 使用氧燃料燃烧器将B部分从A部分切去时的使用情况。现在该模拟 工具可具有几个与表面A接触点并且在接近B部分时也获得了与该物 体的接触点。图48例示了所述模拟工具与物体A的表面之间的不同的 相互作用情形并且在左边所述工具也与物体B接触。显然与具有明确的 点接触的使用情况相比，更难以容易地操纵用于图48的控制方案。
图49例示了使用根据图21的工具设计116对边缘26的去除毛刺 加工所进行的编程。现在涉及两只手给出两个手柄力(Fh1和Fh2)以操 纵所述工具。相互作用力(Ft)具有在工具上的明确位置并且编程应当 较容易执行。
图50示出残端打磨的情况。在此模拟砂轮被编程为以一定的重复 形式在残端上移动。所述虚拟工具在编程过程中的操纵主要通过两个手 柄力和工具力而进行并且测量出其在模拟砂轮上的接触点。
图51给出另一使用情况的示例，其对应于表面打磨或抛光。这种 情况下所述模拟工具应保持与所述表面对准并且这种情况由于工具与 物体之间的相互作用被更好地限定而应当比图50中的使用情况更容易。
图52示出在打磨过程中使用真实工具并进行编程时残端打磨的情况。
图53大致示出用于执行引入编程的控制系统的主要结构。图中示
出根据图45a的涉及单一表面点测量的最简单的使用情况并且将在手柄 力-扭矩传感器和模拟工具力-扭矩传感器中测量到的力和扭矩用作对所 述控制器的输入。在工具坐标系统中执行笛卡尔控制(Cartesian control )，使TCP处于接触将被测量的表面的球的中心。因而，在所述 手柄和工具中测量到的力和扭矩被变换为在TCP (Fh， Mh/TCP和Fts, Mts/TCP)的工具坐标系统中的力和扭矩。滤波后，这些信号形成至引 入控制器的输入，所述引入控制器产生至机器人的关节控制器的基准位 置、基准速度和前馈扭矩。
图54例示了引入控制器的一种可行设计。变换为工具坐标系统的 手柄力-扭矩测量(Fh，M/TCP)用作基准并且实际力/扭矩从工具力-扭 矩传感器获得(Fts，lVIts/TCP)。力/扭矩误差在一般情况下用于力、阻抗 和/或导纳控制。在纯力控制模式中转移函数S和D"设定为0并且在纯
导纳控制中Kf。rce和S设定为0并且纯阻抗控制中Kf。ree和D"设定为零。 Ftszero， Mtszer。/TCP和Fhzero， Mh咖。/TCP是传感器偏差和重力补偿信号，用
于所述力-扭矩传感器，每次操作员释放所述手柄时信号都被更新。极限
Fh，in,it, Mwi础/TCP单独在基准信号的6分量上工作并且用来限制相互作用
力/扭矩。
从手柄力-扭矩传感器的输出也可只用来确定如图55所示的工具 的移动方向。模块SEL是选择器，其计算手柄力和扭矩方向并在该方 向产生要被馈送到导纳控制滤波器内的力和扭矩增量(dF， dM/TCP )从 而在该方向上为工具提供速度基准。接触时来自工具传感器的力/扭矩
直到操作员改变其操纵方向为止，并且所述工具在新的方向移动或绕与 新的方向有关的轴线旋转。该选择器可包括在工具传感器没有测量到力 或扭矩时使用更大增量而后在形成接触时使用更小的增量或低频脉冲 增量的智能。
原则上，上述控制结构可在所有的使用情况下工作。对图49-52 中的工具而言，两个手柄的两个力-扭矩传感器共享6DOF以操纵所述 工具。这意味着当在所述工具坐标系统中计算时手柄的力/扭矩基准有 一半没有使用或者在来自每个手柄力-扭矩传感器的每个DOF上设定重
基本控制方案当然可由功能性补充以增加所述引入编程的使用者
友好度。图56给出一个示例，其中当在所述工具与作业物体之间形成 接触时起动力控制表面跟踪。其他此类功能性是工具方位的锁定、绕 TCP旋转工具、圆周形成、直线形成、轨线修匀、CAD模型适应、由 引入编辑的程序、用于数据输入的语音通信等。
采用导纳控制、阻抗控制和力控制环的一个问题在于难以获得高 的带宽，这将给操作员系统响应緩慢的感觉。提高系统响应性的一个途 径是利用来自所述手柄中的力-扭矩传感器的信号直接控制到如图57所 示的机器人关节控制器的速度基准甚至扭矩前馈信号。为了控制所述工 具与作业物体之间的相互作用力，来自所述力-扭矩传感器的信号用来 控制来自所述手柄的力/扭矩适于发送至所述关节控制器的方向。这由 图57中的方向锁定模块(DIR LOCK)执行。在该模块中可实施不同 的策略。例如，如果一个方向中的力大于一定的值，只有不再在该方向 增加力的力基准(和扭矩基准)被允许行进到关节伺服器。为了快速辨 别物体第一次接触的力的方向，可使用所述工具在所述接触之前的动作 方向。然后也可以对关键力分量进行斜坡式或滤波式锁定。例如，使用 此概念后，将锁定两个力方向，但是操作员仍然可沿几何形状A与B 之间的接合处移动所述工具并且也可改变所述工具的方位。除加工工具 外，工具还包括夹具和固定装置以处理作业物体。
权利要求
1. 一种用于控制物体(1，3)的位置和方位的系统，其中所述系统包括-测量组件(6；67；119)，所述测量组件包括第一部件(7；68；130)和第二部件(8；72；129)，其中所述第一部件适于从使用者接收力和扭矩；以及传感器(9a；73；9b)，所述传感器适于测量由所述第一部件相对于所述第二部件的位置和方位的变化而产生的力和扭矩，以及-数据处理单元(18)，所述数据处理单元适于从所述传感器接收测量数据并且基于所述测量数据控制所述物体的位置和方位，所述系统的特征在于，所述传感器包括具有集成传感器元件(198)的半导体芯片，并且，所述测量组件包括弹簧装置(11；74a-c；128；126)，所述弹簧装置安装在所述第一部件和所述第二部件之间并且机械连接至所述传感器以便将来自所述使用者的力和扭矩转换成所述第一部件相对于所述第二部件的位置和方位的变化，并且，所述传感器适于从所述弹簧装置测量由所述第一部件相对于所述第二部件的位置和方位的变化而产生的力和扭矩。
2. 根据权利要求l所述的系统，其中，所述传感器包括外板(10a; 10b)和内板(12a; 12b )，所述外板和所述内板通过至少三个梁(14a; 14b)机械连接，每个所述梁均设置有至少两个压阻式传感器元件。
3. 根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述弹簧装置是二维的 并且包括外部件(184)，所述外部件弹性连接至内部件(182)，所述内 部件弹性连接至传感器附连装置(180)，所述传感器附连装置机械连接 至所述传感器的外板(176)或内板(177)，并且所述弹簧装置还包括 长形元件(179)，所述长形元件的一端机械连接至所述外部件(184) 而另一端则机械连接至所述传感器的另一个板(176， 177)。
4. 根据权利要求3所述的系统，其中，所述弹簧装置的外部件和 内部件(182， 184)呈环形。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述传感器包 括各自设置有至少一个压阻式传感器元件(198)的至少六个梁(14a;
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述梁(14a; 197)成对设 置成在所述外板与所述内板之间沿正交方向延伸。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述弹簧装置 包括布置在所述测量组件的第一部件或第二部件之间并且机械连接至 所述传感器的至少一个三维弹簧(11; 208a-b; 221; 223)。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述弹簧装置 包括安装在所述测量组件的第一部件与第二部件之间并且机械连接至所述传感器的第一弹簧本体(221a);以及设置在所述测量组件的第一 部件与第二部件之间以承受来自所述使用者的一部分力和扭矩的第二弹簧本体(221b )。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述弹簧装置 包括定位在所述第 一部件与所述第二部件之间不同位置处的至少三个 弹簧(221; 223)。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述传感器安 装在与所述传感器的材料具有基本相同的温度系数的基板(203)上。
11. 根据权利要求10所述的系统，其中，所述基板(203)经由直 径(d)小于所述基板的金属部件(204a)附连于所述测量组件。
12. 根据权利要求10所述的系统，其中，设置元件(262)以抵消 所述传感器与所述传感器的周围之间的温度系数差异，所述元件(262) 的温度系数与所述传感器的材料相比基本相同并且其厚度等于所述传 感器的厚度加上所述基板的厚度。
13. 根据前述权利要求中任一项所述系统，其中，所述测量组件的 第二部件(8; 72; 129)适于机械连接至由具有多个关节的工业机器人(2)携带的物体(1)，并且，所述数据处理单元适于控制携带所述物 体的所述机器人的关节的位置。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中，所述物体(1)是旋转对 称的，并且，所述系统包括手柄(30; 52)，所述手柄(30; 52)机械 连接至所述测量组件的第一部件并且以可绕所述物体的对称线或绕与 所述物体的对称线平行的轴线旋转的方式设置。
15. 根据权利要求14所述的系统，其中，所述系统包括轴承(32; 35)，所述轴承(32; 35)的其旋转轴线与所述物体的对称线重合或平 行并且设置在所述手柄与所述测量组件的第一部件之间。
16. 根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述系统包括锁定 机构(88， 89， 90， 91)，所述锁定机构在启动时将所述手柄锁定在相 对于所述物体的对称线的固定旋转角度。
17. 根据权利要求14所述的系统，其中，所述测量组件(38a-b) 布置在所述手柄中。
18. 根据权利要求14-17中任一项所述的系统，其中，所述系统包 括引入界面(34， 36)，所述引入界面(34， 36)适于机械连接至工具 并且包括所述轴承(35)和所述手柄。
19. 根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述系统进一步 包括第二测量组件(38c; 38d; 55b; 97; 100a; 113)，所述第二测量 组件包括第一部件和第二部件，其中所述第一部件适于接收力和扭矩， 第二弹簧装置，所述第二弹簧装置安装在所述第二测量组件的第一 部件与第二部件之间以便将所述力和扭矩转换成所述第二测量组件的 第一部件相对于所述第二测量组件的第二部件的位置和方位的变化；以 及第二传感器，所述第二传感器机械连接至所述第二弹簧装置，用于 测量由所述第一部件相对于所述第二部件的位置和方位的变化而产生 的力和扭矩，所述传感器包括具有集成传感器元件的半导体芯片，并且所述数据处理单元设置成从所述第二传感器接收测量数据并且基 于所述测量数据参与所述物体的位置和方位的控制。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述第二测量组件(113) 适于测量形成于工具与作业物体之间的力和扭矩。
21. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述系统包括相对于所述 物体固定设置并且与所述第二测量组件的第 一部件机械连接的第二手 柄(54)，并且，所述数据处理单元(18)设置成基于来自所述第二传 感器的测量数据参与所述物体的位置和方位的控制。
22. 根据权利要求19所述的系统，其中，所述系统包括相对于所述 物体固定设置并且与所述第二测量组件的第 一部件机械连接的第二手 柄(54)，并且，所述数据处理单元(18)设置成主要基于来自所述第 一传感器(38)的测量数据控制所述物体的位置并且主要基于来自所述 第二传感器的测量数据控制所述物体的方位。
23. 过程中根据权利要求1-22中任一项所述的系统的使用，以在所 述机器人的编程过程中移动由工业机器人携带的物体。
24. 过程中根据权利要求1-22中任一项所述的系统的使用，以在所 述物体的位置和方位的校准过程中移动由工业机器人携带的物体。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制物体(1，3)的位置和方位的系统。该系统包括测量组件(6)，其包括第一部件(7)和第二部件(8)，其中第一部件适于从使用者接收力和扭矩，以及适于测量第一部件相对于第二部件的位置和方位的变化而产生的力和扭矩的传感器(9)；以及数据处理单元(18)，其设置成从所述传感器接收测量数据并基于所述测量数据控制物体的位置和方位。传感器包括具有集成传感器元件的半导体芯片。测量组件包括弹簧装置(11)，其安装在第一部件与第二部件之间并机械连接至传感器，以便将来自使用者的力和扭矩转换成所述第一部件相对于所述第二部件的位置和方位的变化，并且所述传感器适于从弹簧装置测量第一部件相对于的位置和方位的变化而产生的力和扭矩。
文档编号B25J9/16GK101390027SQ200780006691
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月19日 优先权日2006年2月23日
发明者托里尼·布罗加德 申请人:Abb公司