一种感知牵引力的圆筒六维力传感器的制作方法

本实用新型属于机器人示教领域，更具体地，涉及一种感知牵引力的圆筒六维力传感器。

背景技术：

工业机器人的直接示教需要通过感知操作者作用于工业机器人末端执行器的牵引力来实现。工业机器人的直接示教无需操作者具有机器人技术知识储备，仅需普通工人即可牵引工业机器人末端在较短的时间内完成示教，因此具有较好的应用前景。

然而，尽管众多科研人员开发了各式各样的工业机器人直接示教系统，但工业机器人的直接示教系统并未得到广泛的应用，其一是由于人的活动具有模糊性和非精确性，致使直接示教误差较大，而现有的数据滤波与拟合算法均是针对特定轨迹(如直线、圆弧、矩形等)的滤波及示教再现，难以实现对所有轨迹的精确再现，这使工业机器人直接示教系统难以满足工业现场复杂空间轨迹的精确再现要求；其二是由于安装在手腕的力传感器能够准确获得作用于机器人末端的外力，但无法准确对外力中的接触力与牵引力进行解耦，从而难以在末端负载与被操作对象存在直接接触时直接牵引工业机器人的末端负载进行牵引示教；其三是由于人的活动范围有限，现有的工业机器人直接系统只能对轻载工业机器人进行直接示教，而无法对具备较大运动范围的重载工业机器人进行示教。

在约束空间运动时，如打磨、装配、擦洗玻璃等，机器人与环境之间存在接触力，现有力传感器可实现接触力感知，此时人作用于机器人的牵引力与机器人与环境之间的接触力难以实现同时测量。因为需要同时测量牵引力(牵引力是人施加于力传感器的外壁以对机器人进行示教)和接触力，且牵引力和接触力相互之间不能存在干扰，而现有的力传感器难以实现。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种感知牵引力的圆筒六维力传感器，其中利用法兰立柱的两端分别与机械臂和末端执行器连接，并将圆筒弹性敏感体和密封件设置在法兰立柱的外侧，能够有效实现牵引力和末端执行力的解耦，因而尤其适用于机器人示教的应用场合。

为实现上述目的，本实用新型提出了一种感知牵引力的圆筒六维力传感器，包括法兰立柱、圆筒弹性敏感体、电阻应变片和密封件，其中：

所述法兰立柱包括相互连接的法兰和立柱，所述法兰上设置有第一通孔，用于与末端执行器连接，所述立柱的顶端设置有第二通孔，用于与机械臂连接；

所述圆筒弹性敏感体套设在所述法兰立柱的外侧，并通过底座与所述法兰立柱的法兰连接，所述圆筒弹性敏感体采用阶梯状圆筒，其上部为应力敏感区，其下部为外部连接区，所述应力敏感区用于粘贴所述电阻应变片，进而测量其受到的六维牵引力，所述外部连接区上设置有航空插头孔，用于接入电源和输出信号；

所述密封件套设在所述圆筒弹性敏感体的外侧，用于保护所述圆筒弹性敏感体的同时传递作用于该密封件上的六维牵引力，所述密封件的顶端与所述圆筒弹性敏感体的顶端连接。

作为进一步优选地，所述应力敏感区包括预设数量的贴片处，每块所述贴片处贴有两个相互垂直的所述电阻应变片。

作为进一步优选地，所述应力敏感区从上到下依次分为应力敏感a区、应力敏感b区和应力敏感c区，其中所述应力敏感a区和应力敏感c区上设置有均匀分布的四个切槽，并且所述应力敏感a区和应力敏感c区上的切槽交错分布。

作为进一步优选地，所述应力敏感a区包括设置在所述切槽之间的4个贴片处，依次记为a1区、a2区、a3区和a4区，规定x方向为所述a2区指向所述a4区的方向，y方向为所述a3区指向所述a1区的方向，z方向为竖直向上的方向，其中所述a1区和a3区的电阻应变片组成第一应变片全桥，用于测量x方向的应力fx，所述a2区和a4区的电阻应变片组成第二应变片全桥，用于测量y方向的应力fy。

作为进一步优选地，所述应力敏感b区被等分为16个区域，依次记为b1区、b2区、…、b16区，其中贴在b2区左侧、b8区右侧、b10区左侧和b16区右侧的电阻应变片组成第三应变片全桥，用于测量x方向的力矩mx，贴在b4区右侧、b6区左侧、b12区右侧和b14区左侧的电阻应变片组成第四应变片全桥，用于测量y方向的力矩my，贴在b2区、b4区、b6区、b8区、b10区、b12区、b14区和b16区同一侧的电阻应变片组成第五应变片全桥，用于测量z方向的应力fz。

作为进一步优选地，所述应力敏感c区包括设置在所述切槽之间的4个贴片处，依次记为c1区、c2区、c3区和c4区，上述4个贴片处的电阻应变片组成第六应变全桥，用于测量z方向的力矩mz。

作为进一步优选地，所述感知牵引力的圆筒六维力传感器的应力灵敏度为1με/n，力矩灵敏度为20με/nm。

作为进一步优选地，所述圆筒弹性敏感体的外部连接区的内侧设置有绕线槽。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本实用新型利用法兰立柱的两端分别与机械臂和末端执行器连接，使得末端执行器的工作负载力通过串联的法兰立柱结构传导到机械臂，不会对圆筒弹性敏感体产生力的干扰，从而实现了牵引力和末端执行力的解耦测量，并且操作者通过牵引本实用新型提供的圆筒六维力传感器对机器人进行示教，可以实现对所有轨迹的精确再现，满足工业现场复杂空间轨迹的精确再现要求，同时本实用新型设置在末端执行器的前端，具有较大的活动空间，便于操作，因此可以对具备较大运动范围的重载工业机器人进行直接示教；

2.尤其是，本实用新型通过对应力敏感区进行分区，并优化电阻应变片的贴片位置和应变全桥的组成，其中对于耦合严重的应力敏感b区采用多电阻串联的方式进行测试，能够保证该圆筒六维力传感器的应力灵敏度达到1με/n，力矩灵敏度达到20με/nm，从而获得较为精确的测试结果。

附图说明

图1是按照本实用新型优选实施例构建的感知牵引力的圆筒六维力传感器的局部剖视图；

图2是按照本实用新型优选实施例构建的感知牵引力的圆筒六维力传感器的三维爆炸图；

图3是按照本实用新型优选实施例构建的感知牵引力的圆筒六维力传感器的示意图；

图4是本实用新型优选实施例中敏感区的展开示意图；

图5是本实用新型优选实施例中第六应变全桥的电路示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-法兰立柱，2-圆筒弹性敏感体，3-密封件，4-第六通孔，5-第五通孔，6-航空插头孔，7-第二通孔，8-第三通孔，9-第一通孔，10-第四通孔，11-应力敏感a区，12-应力敏感b区，13-应力敏感c区。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～3所示，本实用新型实施例提出了一种感知牵引力的圆筒六维力传感器，包括法兰立柱1、圆筒弹性敏感体2、电阻应变片和密封件3，其中：

法兰立柱1包括相互连接的法兰和立柱，法兰上设置有第一通孔9，用于与末端执行器连接，立柱的顶端设置有第二通孔7，用于与机械臂连接，由于末端执行器的工作负载力通过串联的法兰立柱1传导到机械臂，不会对圆筒弹性敏感体的应力敏感区产生力干扰，从而在结构上实现牵引力和末端执行力的解耦，同时法兰的内圈设置有第三通孔8，用于与圆筒弹性敏感体2连接；

圆筒弹性敏感体2套设在法兰立柱1的外侧，并通过底座的第四通孔10与法兰立柱1的第三通孔8相互配合进行连接，圆筒弹性敏感体2采用阶梯状圆筒，其上部为应力敏感区，其下部为外部连接区，应力敏感区用于粘贴电阻应变片，进而测量其受到的六维牵引力，外部连接区上设置有航空插头孔6，用于接入电源和输出信号，同时该外部连接区的内侧设置有绕线槽；

密封件3套设在圆筒弹性敏感体2的外侧，用于保护圆筒弹性敏感体2的同时传递作用于该密封件3上的六维牵引力，密封件3的顶端设置有第五通孔5，其通过与圆筒弹性敏感体2顶端的第六通孔4相互配合进行连接，并且密封件3的下端与圆筒弹性敏感体2的外部连接区不接触，使用时操作者通过密封件3作用牵引力，并通过圆筒弹性敏感体2测量受到的牵引力。

进一步，如图4所示，应力敏感区包括预设数量的贴片处，每块贴片处贴有两个相互垂直的电阻应变片，应力敏感区从上到下依次分为应力敏感a区11、应力敏感b区12和应力敏感c区13，其中应力敏感a区11和应力敏感c区13上设置有均匀分布的四个切槽，并且应力敏感a区11和应力敏感c区13上的切槽交错分布；

应力敏感a区包括设置在切槽之间的4个贴片处，依次记为a1区、a2区、a3区和a4区，规定x方向为a2区指向a4区的方向，y方向为a3区指向a1区的方向，z方向为竖直向上的方向，其中a1区和a3区的电阻应变片组成第一应变片全桥，用于测量x方向的应力fx，a2区和a4区的电阻应变片组成第二应变片全桥，用于测量y方向的应力fy，第一应变片全桥和第二应变片全校的每条桥臂上有1个电阻；

应力敏感b区被等分为16个区域，依次记为b1区、b2区、…、b16区，其中贴在b2区左侧、b8区右侧、b10区左侧和b16区右侧的电阻应变片组成第三应变片全桥，用于测量x方向的力矩mx，贴在b4区右侧、b6区左侧、b12区右侧和b14区左侧的电阻应变片组成第四应变片全桥，用于测量y方向的力矩my，第三应变片全桥和第四应变片全桥的每条桥臂上串联2个电阻，贴在b2区、b4区、b6区、b8区、b10区、b12区、b14区和b16区同一侧的电阻应变片组成第五应变片全桥，用于测量z方向的应力fz，第五应变片全桥的每条桥臂上串联4个电阻；

如图5所示，应力敏感c区包括设置在切槽之间的4个贴片处，依次记为c1区、c2区、c3区和c4区，上述4个贴片处的电阻应变片组成第六应变全桥，用于测量z方向的力矩mz，第六应变片全桥的每条桥臂上串联2个电阻；

采用上述方式进行电阻应变片的布置，能够保证感知牵引力的圆筒六维力传感器的应力灵敏度为1με/n，力矩灵敏度为20με/nm，实际测量中，牵引力测量灵敏度可达0.1n。

在对机器人进行直接示教或牵引示教时，可以通过本实用新型提供的圆筒六维力传感器串联另一个测量末端负载的圆筒六维力传感器，从而实现牵引力与接触力的同时测量。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。