轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器及传感器的制作方法

本发明涉及轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器及传感器，属于机器人力传感领域。

背景技术：

传统工业机械臂采用位置控制模式，无法感知末端受力情况，力控型机械臂采用电流传感，但精度不高，无法对精细操作的微小力进行有效测量，目前市场上的力传感器难于集成入机械臂末端，限制了力传感器在机械臂上的应用。

现有的力传感器主要采取辐轮式敏感元件，这种传感器具有结构简单，精度高的优点，但由于末端执行器各方向受力在敏感元件上耦合状态复杂，使得在多样的末端姿态和受力状态下，受力解算过程过于复杂；另外，这种传感器的敏感元件即为结构支撑件，且无法对弹性变形进行限位，其弹性元件必须设计得比较坚固，导致测量灵敏度不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器，可安装于机械臂与末端执行器之间，作为机器人腕部连接器，可以对操作力进行感知和实时调整，具有较好的自适应能力。

本发明的另外一个目的在于提供轻型机械臂自适应二维力反馈腕部传感器。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器，包括动板、定板、中框、第一弹簧片组件和第二弹簧片组件，其中定板与机械臂连接，动板与末端执行器连接，所述第一弹簧片组件包括n个第一弹簧片，n个第一弹簧片平行排列，固定在定板与中框之间，第二弹簧片组件包括m个第二弹簧片，m个第二弹簧片平行排列，固定在动板与中框之间，所述n个第一弹簧片在a方向产生弹性形变，所述m个第二弹簧片在b方向产生弹性形变，a方向和b方向不重合，其中n、m均为正整数，且n≥2，m≥2。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述a方向和b方向互相垂直。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述n个第一弹簧片与m个第二弹簧片均固定连接在中框的同一表面，即动板位于定板与中框之间，动板与定板之间不接触。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述第一弹簧片与第二弹簧片的个数均为两个。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，还包括定板上设置的限位件，用于对动板进行限位；所述限位件包括a方向限位件和b方向限位件，其中a方向限位件与第一弹簧片平行，b方向限位件与第二弹簧片平行。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述n个第一弹簧片与m个第二弹簧片分别固定连接在中框的两个表面，即中框位于动板与定板之间。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述第一弹簧片与第二弹簧片的个数均大于或等于两个。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，还包括壳体和壳体上设置的限位件，用于对动板进行限位；所述限位件包括a方向限位件和b方向限位件，其中a方向限位件与第一弹簧片平行，b方向限位件与第二弹簧片平行。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述第一弹簧片与第二弹簧片的弹性形变量为0.5mm～2mm。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述第一弹簧片与第二弹簧片的长度l与宽度w满足：l:w＝3.5～6:1，其中长度l为弹簧片与中框连接的边的长度。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中，所述动板、定板和中框为金属材料。

轻型机械臂自适应二维力反馈腕部传感器，包括上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部连接器，还包括应变片和测量电路，其中每个第一弹簧片与每个第二弹簧片上均安装一个应变片，应变片与测量电路连接。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部传感器中，所述应变片用于感应第一弹簧片或第二弹簧片的应变，将应变电流输出给测量电路，测量电路根据所述应变电流计算第一弹簧片或第二弹簧片的应变、应力和变形。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部传感器中，所述测量电路将计算得到的应变、应力和变形通过ethercat协议向外输出。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部传感器中，所述应变片设置在靠近第一弹簧片与定板的连接处，或靠近第一弹簧片与中框的连接处；或者设置在靠近第二弹簧片与动板的连接处，或靠近第二弹簧片与中框的连接处。

在上述轻型机械臂自适应二维力反馈腕部传感器中，所述应变片距离第一弹簧片或第二弹簧片边缘的距离，为第一弹簧片或第二弹簧片宽度w的1/5～1/4。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、本发明创新设计一种新型的机械臂自适应二维力反馈腕部连接器，由动板、定板、中框、第一弹簧片组件和第二弹簧片组件组成，定板与机械臂连接，动板与末端执行器连接，动板可以跟随两组弹簧片的变形而运动，弹簧片用于感应两个方向的受力，使得机械臂执行装配操作时，具有一定的位置容差，可以降低机械臂的精度要求，同时可以防止机械臂对被装配对象的机械损坏，提高装配可靠性。

(2)、本发明机械臂自适应二维力反馈腕部连接器，可以有效提升力反馈精度，提升机械臂装配操作的容差，该装置有望成为轻型机械臂的标准配置；

(3)、本发明机械臂自适应二维力反馈腕部连接器结构设计灵活多变，可以根据不同的敏感方向需要设计为不同的结构形式，还可以根据安装空间大小采用不同的结构设计，例如可以采用动板位于中框与定板之间的紧凑型结构设计，也可以采用中框位于动板与定板之间地结构设计，还可以根据需要增加弹簧片的数量，满足不同的应用要求；

(4)、本发明机械臂自适应二维力反馈腕部连接器中采用了限位件对动板进行限位，从而限制弹簧片的应变量，可以防止弹性元件因永久变形而损坏，使得该高精度传感器能够连接较重的末端执行器；

(5)、本发明机械臂自适应二维力反馈腕部传感器其弹性元件可以设计的更加灵敏，可以实现微小力测量。

附图说明

图1为本发明二维力反馈腕部连接器与末端执行机构连接示意图；

图2为本发明二维力反馈腕部连接器结构示意图1；

图3为本发明二维力反馈腕部连接器结构示意图2；

图4为本发明弹簧片组件安装示意图，其中图4a为第一弹簧片组件安装示意图，图4b为第二弹簧片组件安装示意图；

图5为本发明二维力反馈腕部连接器形变仿真图，其中图5a为a方向形变仿真图，图5b为b方向形变仿真图；

图6为本发明二维力反馈腕部传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实时例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明二维力反馈腕部连接器与末端执行机构连接示意图，本发明二维力反馈腕部连接器可安装于机械臂与末端执行器之间，作为机器人腕部连接器，并具有一定的自适应能力。二维力反馈腕部连接器包括动板1、定板2、中框3、第一弹簧片组件和第二弹簧片组件，其中定板2与机械臂10连接，动板1与末端执行器11连接。

第一弹簧片组件包括n个第一弹簧片5，n个第一弹簧片5平行排列，固定连接在定板2与中框3之间，且第一弹簧片5与定板2、中框3均垂直。第二弹簧片组件包括m个第二弹簧片6，m个第二弹簧片6平行排列，固定连接在动板1与中框3之间，且第二弹簧片6与动板1、中框3均垂直。其中n个第一弹簧片5和m个第二弹簧片6在两个不同地方向产生弹性形变，使得机械臂执行装配操作时，具有一定的位置容差。

本发明二维力反馈腕部连接器可以采取不同的结构形式，如图2、3所示分别为本发明二维力反馈腕部连接器两种结构形式示意图。如图2所示给出了第一弹簧片5与第二弹簧片6均为两个时的结构形式，两个第一弹簧片5与两个第二弹簧片6均垂直固定连接在中框3的同一表面，即两个第一弹簧片5沿长度方向的两个边缘分别固定连接在中框3的下表面和定板2的上表面(可以采用机械连接)，且两个第一弹簧片5互相平行；两个第二弹簧片6沿长度方向的两个边缘分别固定连接在中框3的下表面和动板1的上表面(可以采用机械连接)，且两个第二弹簧片6互相平行，此时动板1位于定板2与中框3之间，动板1与定板2之间不接触，保持一定的间隙。本实施例中动板1、定板2均为矩形平板结构，中框3为中空的矩形框结构。

本实施例中动板1可在x方向和y方向确定的平面内发生位移(x方向和y方向垂直)，该位移可以分解为x方向和y方向的分量，使得第一弹簧片5和第二弹簧片6可以分别沿x方向和y方向发生弹性形变。

本实施例中还可以在定板2和中框3之间增加第一弹簧片5的数量，在动板1与中框3之间增加第二弹簧片6的数量，即可以通过增加动板1、定板2和中框3的长度，分别在两个第一弹簧片5的旁边增加若干与之平行的第一弹簧片5，在两个第二弹簧片6的旁边增加与之平行的若干第二弹簧片6。

此外定板2上还可以设置限位件，用于对动板1进行限位，限位件可以与定板2一体成型，也可以机械安装在定板2上。本实施例中限位件包括x方向限位件12和与之垂直的y方向限位件13，其中x方向限位件12与第一弹簧片5平行，y方向限位件13与第二弹簧片6平行，限位件可以为限位块或限位片等，且两个方向的限位件可以为多个，如图4所示为本发明弹簧片组件安装示意图，其中图4a为第一弹簧片组件安装示意图(x方向弹片排布)，图4b为第二弹簧片组件安装示意图(y方向弹片排布)。

如图3所示为本发明二维力反馈腕部连接器的另一种结构形式，第一弹簧片5与第二弹簧片6均为三个，三个第一弹簧片5与三个第二弹簧片6分别垂直固定连接在中框3的两个表面，即三个第一弹簧片5沿长度方向的两个边缘分别固定连接在中框3的下表面和定板2的上表面(可以采用机械连接)，且三个第一弹簧片5互相平行，任意相邻两个第一弹簧片5之间的距离相等。三个第二弹簧片6沿长度方向的两个边缘分别固定连接在中框3的上表面和动板1的下表面(可以采用机械连接)，且三个第二弹簧片6互相平行，任意相邻两个第二弹簧片6之间的距离相等，此时中框3位于动板1与定板2之间。该结构形式还可以增加根据需要增加第一弹簧片5与第二弹簧片6的数量。

该结构形式设置限位件时，需要增加壳体结构，限位件设置在与动板1的位置对应的壳体上，用于对动板1进行限位；限位件同样包括x方向限位件和y方向限位件，其中x方向限位件与第一弹簧片5平行，y方向限位件与第二弹簧片6平行。

第一弹簧片5与第二弹簧片6的弹性形变量为0.5mm～2mm，本实施例中为1.12mm。第一弹簧片5与第二弹簧片6的长度l与宽度w满足：l:w＝3.5～6:1，其中长度l为弹簧片与中框3连接的边的长度，本实施例中为3.75：1。

如图5所示为本发明二维力反馈腕部连接器形变仿真图，其中图5a为a方向形变仿真图(x方向形变仿真)，图5b为b方向形变仿真图(y方向形变仿真)；由图可以看出本发明二维力反馈腕部连接器在x方向的形变与y方向的形变形态。

如图6所示为本发明二维力反馈腕部传感器结构示意图，二维力反馈腕部传感器包括上述二维力反馈腕部连接器，还包括应变片4和测量电路，其中每个第一弹簧片5与每个第二弹簧片6上均安装一个应变片4，应变片4与测量电路连接。应变片4设置在靠近第一弹簧片5与定板2的连接处，或靠近第一弹簧片5与中框3的连接处；或者设置在靠近第二弹簧片6与动板1的连接处，或靠近第二弹簧片6与中框3的连接处。应变片4距离第一弹簧片5或第二弹簧片6边缘的距离，为第一弹簧片5或第二弹簧片6宽度w的1/5～1/4，本实施例中为1/4。

应变片4用于感应第一弹簧片5或第二弹簧片6的应变，将应变电流输出给测量电路，测量电路根据应变电流计算第一弹簧片5或第二弹簧片6的应变、应力和变形。测量电路将计算得到的应变、应力和变形通过ethercat协议向外输出。

动板1、定板2和中框3为金属材料，例如本实施例中采用2024铝。

本发明双弹簧片长度较大，宽度较小，对垂直于弹簧片表面方向的受力较为敏感，对平行于弹片的力以及扭矩不敏感，双弹片结构可有效排除垂直于弹片的弯矩影响，该设计以简单可靠的结构形式对复杂受力状态进行有效解耦，使得应变片可对x、y方向的受力进行分别测量。敏感元件上贴有全桥应变片，应变片输出信号传入测量电路，转换为测量置后通过ethercat协议输出。

本实施例可用于机械臂末端连接处的二维力传感器，可测量x、y两个方向15n以内的操作受力，具有0.1％的传感精度，并具有1mm间隙的自适应性，可用于各类精密装配场景，提升机器人的受力感知能力。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。