专利名称：带过载保护的微型五维力传感器及其力矢量信息获取方法
技术领域：
本发明涉及智能机器人领域，特别涉及一种能够同时检测力信息的大小、方向、作用点 的微型力传感器及其力矢量信息获取方法。
背景技术：
智能机器人技术在现代工业和生活中起着越来越重要的作用，为了使智能机器人能够准 确无误的完成指定的工作，对外界环境精确和及时的感知必不可少，因此智能机器人应该具 备可以感受外界力信息的力觉传感器。另外， 一些空间坐标检测装置也可以通过作用点信息 来得到精确的坐标信息。目前存在的力觉传感器主要有六维和三维的力和力矩传感器，如专利公开号为CN 1527040A的"微型全平面六维力、力矩传感器"、专利公开号为CN 1982860A的"三维指 力传感器及其信息获取方法"等。其中，专利公开号为CN 1527040A的"微型全平面六维 力、力矩传感器"，采用由中心体、外圈梁组成扁平盘结构，并在扁平盘上粘贴应变片实现 同时对任意空间的三维力矩和三维力的测量。这类传感器只能对三维力或者三维力矩的大小 进行检测，不能检测力的作用点。因为相同大小和方向的力作用在不同位置会造成不同的效 果，所以能同时检测受力大小、方向和受力点的力传感器显得十分重要。而上述现有技术一 般只注重智能机器人在操作时的三维力和三维力矩信息，忽略了力矢量的作用点信息。少数 的传感器虽然考虑到了作用点信息，但是建立在对三维力和三维力矩信息基础上。并且现在 的大部分传感器都未能考虑过载保护，使得传感器无法避免在过载时造成的损坏。在现有技 术中，可以同时检测所受力的大小、方向和受力点的力传感器还很少，专利号为US4635479 的"Force sensing apparatus",虽然实现了对作力用的大小、方向和作用点的检测。但该 传感器需要在检测到三维力信息和三维力矩信息的基础上才能对作用点进行估算。发明内容本发明的目的是针对目前国内外相关技术存在的问题和缺陷，提出一种新型的带过载保护的微型五维力传感器及其力矢量信息获取方法，其能同时获取力矢量的大小、方向和作 用点信息，并能防止因传感器受力超过额定值时对传感器造成损坏。本发明的技术方案是带过载保护的微型五维力传感器，包括相互连接的指尖、弹性体和底座。指尖是智能机器人力传感器中的受力体，采用半球或者半椭球形状或其它任何曲面方程已知的形状，置于传感器的顶端，指尖底部的圆筒体部分置有内螺纹；底座内置硬件电 路板；弹性体为双E型膜结构(所谓E型膜指该膜的纵剖面呈E字形)，上E型膜和下E型 膜相背设置，其间留有间距，通过中间传力柱使上E型膜和下E型膜相互连接为一体。上、 下E型膜的外圆都置有外螺纹，其中上E型膜的外圆的外螺纹与指尖底部圆筒体部分的内 螺纹连接；底座内置有内螺纹与弹性体下E型膜外螺纹连接，在底座的底部置有四个均布的 螺纹孔用于与外界相连，底座的中心置有导线孔用于引出导线。当传感器的指尖接触外界时， 力将通过整个传感器传递到传感器的后续部件，由于指尖和底座的刚度比弹性体的刚度大， 主要的弹性变形将发生在弹性体上。弹性体的相对薄弱环节是上、下E型膜，所以由受力产 生的弹性变形绝大部分都发生在上、下E型膜上，由于上E型膜和下E型膜之间留有间距， 当受到超过额定值的外力时，传感器可以得到有效的过载保护。根据应变电测技术，粘贴在 上、下E型膜上的应变片组成的检测电路将把上、下E型膜的弹性应变转变成电信号。通 过所述硬件电路板对信号进行调零、放大、模拟滤波、模数转换、数字滤波、数值计算，最 后通过通讯接口将获得的力信息传送出去。目前,基于应变电测原理的力传感器大都尺寸庞大，为满足对力传感器的微型尺寸要求， 本发明的带过载保护的微型五维力传感器外径尺寸为4"24mm,轴向尺寸为30mm。传感器 所有的连接都是通过各个零件上的螺纹，不需要另外的连接件。弹性体的结构是由上、下E型膜通过中间的中间传力柱相连为一体。在上、下E型膜 的上放置传感器的检测电路组成相应的全桥检测电路，其中，上E型膜向上的一面帖有两组 应变片组成检测电路分别用来检测Mx和My,下E型膜向下的一面帖有三组应变片组成检 测电路分别用来检测Fx, Fy和Fz。根据检测到的五维力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mx和My与指 尖的曲面方程可以得到力的作用点，即指尖传感器与外界的接触点。传感器的坐标原点在已 知曲面方程坐标原点位置。外力F作用于传感器上的某一点，这点的坐标位置为(x，y，z)， 外力F可以分解成作用在作用点处的三个轴向分量Fx， Fy和Fz。外力F也可以等效为作用 在坐标原点的三个力Fx, Fy， Fz和三个绕坐标原点的力矩Mx， My, Mz。并且这三个力Fx, Fy， Fz和三个力矩Mx， My, Mz与外力F有如下关系5Fx = Fcosyff cos" F少=F cos y9 sin a Fz =Fsiny9其中a为外力F在水平面的分量Fcos/ 与OX轴的夹角，-为外力F与水平面的夹角。 考虑到本传感器没有对Mz进行检测，所以方程(1)改为-F义=F cos /5 cos or Fy = F cos / sin FT = _F sin "' (2)A/^ = z +《 x其中，/(JC，少,z)-0为指尖曲面方程。由此可知，当指尖的曲面方程已知时，就可以由五 维力传感器检测得的《,Fy,《，M^My及指尖的曲面方程得到外力F的大小，外力F在水平面的分量Fcos/ 与OX轴的夹角o:，外力F与水平面的夹角"及外力的作用点坐标(x,y，z)。即得到外力矢量信息。通过装配后在指尖和底座之间形成的间距达到机械过载保护目地，传感器在外力的作用 下会发生弹性变形，使得指尖和底座之间的间距变小，当所受到的外力超过传感器的额定值 时，指尖和底座之间的间距变小到零，指尖与底座会相互接触，使力经底座传递而不经过弹 性体避免对弹性体的破坏。调整指尖与底座之间的间距的大小就能调整传感器允许额定值， 保护弹性体不发生过大的应变而造成永久破坏。 由此相对于现有技术本发明的有益效果是.-本发明充分考虑到智能机器人作业时过载保护和作用点位置信息的重要性，采用双E 型膜结构的弹性体达到检测接触面法向的力Fz、切向的力Fx、 Fy，绕切向转矩Mx和My。 并根据得到的五维力信息和指尖的曲面方程得到力矢量的作用点坐标。这样就可以得到力矢 量的大小、方向和作用点等矢量信息。采用机械保护模式来完成过载保护，当传感器受力超 过允许的额定值时，传感器的指尖与底座会接触到一起，防止传感器的永久损坏。智能机器 人可以利用这些力信息达到检测和控制抓取物体时的握力，并且还可以检测被抓取物体的重量，以及在抓取操作过程中的抓取状态，如是否存在滑动、振动等现象，为智能机器人完成 作业提供硬件基础。本发明传感器的结构简单、容易标定、可以用于恶劣的环境下获取力信,息。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的传感器结构示意图；图2为本发明的传感器弹性体结构示意图；图3为本发明的传感器指尖示意图；图4为本发明的传感器底座示意图；图5为本发明的传感器装配后的示意图；图6为传感器弹性体上应变片的贴片示意图；图7为本发明的传感器受力示意图；图8为传感器信息获取示意图。
具体实施方式
图1为本发明的传感器结构示意图。带过载保护的微型五维力传感器包括指尖1，弹性 体2和底座3,其中弹性体2由上E型膜21 ，中间传力柱22和下E型膜23组成。传感器 结构简单，加工容易，尤其是弹性体2相对一般的力传感器结构十分简单，便于保证弹性体 的加工精度和降低成本。图2是本发明的弹性体的剖去1/4后的结构示意图。上E型膜21和下E型膜23通过中 间传力柱22连在一起,中间传力柱22有一个通孔便于上E型膜21的检测电路的导线引出。 上E型膜21和下E型膜23的外圆周都有螺纹。其中，上E型膜21的外圆周的螺纹用来与 指尖的内螺纹相连，下E型膜22的外圆周的螺纹用来与底座的内螺纹相连。图3为本发明的传感器指尖示意图。传感器是通过指尖的外表面与外界接触的，可以采 用半球面、半椭球面或其它曲面作为指尖的外表面。指尖的圆筒体部分有内螺纹与弹性体相 连。图4为本发明的传感器底座示意图。底座的内圆有内螺纹与弹性体相连，底座的下端有 四个螺纹孔用来与外界连接固定，底座的下端圆心有一个导线孔用来引出导线，底座内部有 一个空腔用来安放传感器的硬件电路板。图5为传感器装配后的示意图。传感器装配完成后在底座与指尖之间会有条轴向尺寸一 定的间距，用作传感器的过载保护机制。图6为传感器弹性体上应变片的贴片示意图。其中附图6左图为上E型膜的贴片方式， 共贴有8片初始电阻值相等的应变片R1 R8，分为二组，R1、 R2、 R3、 R4构成组一用于 检测绕X轴的转矩Mx,沿Y方向贴放；R5、 R6、 R7、 R8构成组二用于检测绕Y轴的转矩 My,沿X方向贴放；附图7右图为下E型膜的贴片方式，共帖有12片初始值相等的应变片 R9 R20，分为三组，R9、 R10、 R11、 R12构成组三用于检测Fz，与X轴成45度帖放；R13、 R14、 R15、 R16构成组四用于检测Fx，沿X轴帖放；R17、 R18、 R19、 R20构成组五用于 检测Fy，沿Y轴贴放。上述五组应变片通过中间传力柱的通孔连接在一起构成五组全桥检 测电路，并与硬件电路板相联接。图7为传感器的受力示意图。外力F作用在传感器的(x， y， z)夕卜，其可以等效为作用 在坐标原点的三个力Fx， Fy， Fz和三个力矩Mx， My， Mz。图8为传感器信息获取示意图。当有外力作用在传感器上时，传感器的弹性体接受从指 尖传来的力发生一定量的弹性形变，粘贴在弹性体上的应变片随弹性体发生变形，应变片的 电阻亦发生改变，电阻变化率的大小与应变片粘贴处弹性体的应变的大小成比例变化，五组 电桥分别将应变片的电阻变化转换为电压的变化，由于这种电压变化很小，所以用硬件电路 板对信号进行调零、放大、模拟滤波、模数转换、数字滤波、数值计算，最后通过通讯接口 将获得的力信息传送出去。实施例1:参见图1-8,本发明中的五维力传感器先将由20片应变片组成的五组全桥检 测电路粘贴在弹性体的上E型膜和下E型膜上，每四片为一组，其中上E型膜向上的一面 粘贴两组用来检测Mx和My,下E型膜向下的一面粘贴三组用来检测Fx、 Fy和Fz，将五组 检测电路与置于底座空腔中的硬件电路板中的放大电路连接，硬件电路板的电源输入与输出 通过底座中部的导线孔引出与外界的电路处理板相连。将上E型膜与指尖旋合连接，下E 型膜与底座旋合连接完成传感器的装配。通过底座上的四个螺纹孔与具体应用场合连接固 定。当有力作用在传感器指尖时，传感器将发生一定的弹性变形，由于指尖与底座的刚度比 弹性体的刚度大，所以弹性变形将主要发生在弹性体上，检测电路实时将弹性体上的弹性应 变转换为电压信号输出，输出信号经硬件电路板相应的处理得到力的大小和力矢量的信息。 实时为力控制提供受到的力矢量信息。本发明的传感器结构简单、容易标定，获取的力信息 精度高、可靠性好。实施例2:以指尖的曲面是球面为例，根据检测到的五维力信息Fx、 Fy、 Fz、 Mx和My与指尖的球面方程可以得到力的作用点，即指尖传感器与外界的接触点。传感器的坐标原点在半球的球心位置。外力F作用于传感器上的某一点，这点的坐标位置为(x， y， z),外力F可以分解成作用在作用点处的三个轴向分量Fx, Fy和Fz。外力F也可以等效为作用在坐标原点的三个力Fx， Fy， Fz和三个绕坐标原点的力矩Mx, My， Mz。并且这三个力Fx,Fy, Fz和三个力矩Mx， My, Mz与外力F有如下关系Fj = Fcos"cosa 巧=F cos yff sin or Fz = F sin ;9少 z ^风=《-少+尸,2其中a为外力F在水平面的分量Fcosp与OX轴的夹角，"为外力F与水平面的夹角。考虑到本传感器没有对Mz进行检测，所以方程(1)改为= F cos " cos a F少=i7 cos々sin aK = F sin "' (2)x2十y2 +z2 =r2其中，r为球的半径。由此可知，当指尖的曲面方程己知时，就可以由五维力传感器检测得 的《,g,Fz,Mx,My及指尖的曲面方程得到外力F的大小，外力F在水平面的分量Fcos"与OX轴的夹角a，外力F与水平面的夹角"及外力的作用点坐标(x, y， z)。即得到外力矢量信息。其它曲面方程已知的指尖形状，其获取力矢量信息方法以此类推，具体步骤如下a) 传感器的坐标系与指尖曲面方程的坐标系重合；b) 外力的矢量信息大小(F)，作用点坐标位置(x，y，z)和外力的方向(a，々)由 方程组(2)获取C)五组全桥检测电路分别将应变片的电阻变化转换为电压的变化，通过所述硬件电路 板对信号进行调零、放大、模拟滤波、模数转换、数字滤波、数值计算，最后通过通讯接口 将获得的力信息传送出去。
权利要求
1、带过载保护的微型五维力传感器，包括指尖(1)、弹性体(2)和底座(3)，三者相互连接；所述指尖(1)为该传感器与外界接触的接口，采用任何曲面方程已知的形状；所述底座(3)内置硬件电路板，其特征在于所述弹性体(2)为双E型膜结构，上E型膜(21)和下E型膜(23)相背设置，其间留有间距，通过中间传力柱(22)使上E型膜(21)和下E型膜(23)相互连接为一体；所述中间传力柱(22)置有通孔；所述上E型膜(21)和下E型膜(23)置有应变片组成的检测电路并通过所述中间传力柱(22)的通孔连接在一起构成五组全桥检测电路，并与所述硬件电路板相联接。
2、 根据权利要求1所述的带过载保护的微型五维力传感器，其特征在于所述上E型膜 (21)上面粘贴有两组全桥检测电路用来检测传感器受力时受到的绕x轴的转矩Mx和绕y轴的转矩My;所述下E型膜(23)上面粘贴有三组全桥检测电路用来检测传感器受力时受 到的沿x轴的力Fx、沿y轴的力Fy和沿z轴的力Fz。
3、 根据权利要求2所述的带过载保护的微型五维力传感器，其特征在于所述上E型膜 (21)上面粘贴8片初始电阻值相等的应变片R1 R8，构成两组全桥检测电路，其中R1、R2、 R3、 R4构成组一用于检测绕X轴的转矩Mx,沿Y轴方向贴放;，R5、 R6、 R7、 R8构 成组二用于检测浇Y轴的转矩My，沿X轴方向贴放；所述下E型膜(23)上面粘贴有12 片初始值相等的应变片R9 R20，构成三组全桥检测电路分为三组，其中R9、 R10、 R11、 R12构成组三用于检测Fz,与X轴成45度帖放；R13、 R14、 R15、 R16构成组四用于检测 Fx,沿X轴帖放；R17、 R18、 R19、 R20构成组五用于检测Fy，沿Y轴贴放。
4、 根据权利要求1所述的带过载保护的微型五维力传感器，其特征在于所述上E型膜 (21)和下E型膜(23)的外圆置有外螺纹，所述底座(3)内部置有内螺纹；其中上E型膜(21)的外螺纹和所述的指尖(1)的圆筒体部分上的内螺纹相连，其中下E型膜(23) 的外螺纹与底座(3)的内螺纹相连。
5、 一种获取权利要求1所述的五维力传感器的力矢量信息获取方法，其特征在于a) 传感器的坐标系与指尖曲面方程的坐标系重合；b) 外力的矢量信息大小(F)，作用点坐标位置(x，y，z)和外力的方向("，")由 以下方程组获取2<formula>formula see original document page 3</formula>乾=Fr-z + F,x其中a为外力F在水平面的分量Fcos/ 与OX轴的夹角，/ 为外力F与OXY平面的夹角，/(x,;;,z)二0为指尖曲面方程，《,^^,《,Jl^，My为五维力传感器检测得到的五维 力信息；C)所述五组全桥检测电路分别将应变片的电阻变化转换为电压的变化，通过所述硬件 电路板对信号进行调零、放大、模拟滤波、模数转换、数字滤波、数值计算，最后通过通讯 接口将获得的力信息传送出去。
全文摘要
本发明涉及带过载保护的微型五维力传感器及其力矢量信息获取方法，用于安装在机器人或者操作手上，传感器由指尖、双E型膜结构的弹性体和底座组成。采用应变电测技术，通过中间传力柱连接在一起的双E型膜作为弹性体，在弹性体上粘贴应变片，同时获取作用在传感器上的五维力信息。并根据获得的五维力信息换算出外力的大小、方向和作用点等力矢量信息。本发明的传感器具有过载保护机制，能防止因为传感器的工作环境恶劣如外力波动大等原因对传感器造成永久性破坏。
文档编号G01L1/20GK101598613SQ20091011663
公开日2009年12月9日 申请日期2009年4月24日 优先权日2009年4月24日
发明者梁桥康, 葛运建 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院