机械臂关节力矩姿态无线传感器的制作方法

本发明涉及一种将力矩传感器与姿态传感器相结合而形成的集成化传感装置，具体涉及一种机械臂关节力矩姿态无线传感器，属于传感器技术领域。

背景技术：

近年来，随着人类社会全面进入信息化时代，各类人工智能技术均得到了长足的发展和进步，各种服务机器人应运而生、并广泛地被应用于人们的生产生活中。以目前各领域中较为常见的机械臂为例，在机械臂的使用过程中，当需要机械臂对环境中的多样信息进行全面感知、对环境目标进行准确操控时，就需要使用到机械臂关节中的传感器来完成机械臂各项操作参数的监测。

现有技术中，应用于机械臂关节的传感器通常采用单一化的功能设计，单个传感器仅进行单一数据的测量和反馈，且控制模式单一。当需要对机械臂关节进行全面检测时，就需要在机械臂关节内安装多个不同类型的传感器。毫无疑问，装载多个传感器的设置方式不仅占用了机械臂内的过多空间、造成机械臂内部线路的复杂化，而且也使得机械臂很难实现轻质化、小型化，严重地阻碍了机械臂在生产生活的应用，影响了机械臂的实时性能和执行任务的效率。

除上述缺陷外，目前在对机械臂进行控制时，由于单一功能的传感器作用有限，有事甚至需要人工辅助控制，因此操作精度难以把控，无法实现智能化的人机交互。

正是基于上述原因，如何在现有技术的基础上提出一种将多传感器功能相融合的小型传感器，来实现对机械臂的高级控制，也就成为了本领域内技术人员共同的研究目标。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种机械臂关节力矩姿态无线传感器，包括传感器外壳，还包括：受力弹性体、第一集成电路板以及第二集成电路板，所述第一集成电路板及所述第二集成电路板二者均固定设置于所述传感器外壳内部，所述受力弹性体包括受力轴及弹性体，所述弹性体设置于所述传感器外壳内部，所述受力轴的一端与所述弹性体硬性触接、另一端伸出于所述传感器外壳外侧。

优选地，所述传感器外壳包括按序固定连接的传感器顶盖、传感器套筒以及传感器底盖，所述传感器顶盖、传感器套筒以及传感器底盖三者螺栓固接，所述弹性体、第一集成电路板以及第二集成电路板三者按序叠合固定设置于所述传感器套筒内、所述弹性体设置于靠近所述传感器顶盖的一侧、所述第二集成电路板设置于靠近所述传感器底盖的一侧。

优选地，所述传感器底盖上固定设置有多组用于实现传感器外壳内各部件固定的安装柱，所述弹性体、第一集成电路板以及第二集成电路板三者上分别开设有一组安装孔，每组所述安装孔均与一组所述安装柱相匹配，所述传感器外壳内还设置有与所述安装柱数量、规格相匹配的安装螺栓，所述安装螺栓穿过所述安装孔并与所述安装柱固定连接，所述弹性体、第一集成电路板以及第二集成电路板三者均借助所述安装螺栓被固定设置于所述传感器底盖上。

优选地，所述弹性体呈轮辐式结构，所述弹性体的中心位置开设有一用于连接所述受力轴的连接槽，所述连接槽的形状、规格与所述受力轴的形状、规格一一匹配对应，在所述弹性体与受力轴的组合状态下，二者硬性触接且所述受力轴嵌设固定于所述连接槽内。

优选地，所述弹性体上设置四根受力横梁，相邻两根所述受力横梁之间的夹角呈90°，四根所述受力横梁共同组成十字形受力结构，每根所述受力横梁的四侧端面上均粘贴固定有用于采集形变数据的应变片。

优选地，每根所述受力横梁的上下左右四侧端面上均粘贴固定有用于采集形变数据的应变片，每根所述受力横梁的每侧端面上均粘贴固定有两片所述应变片。

优选地，每根所述受力横梁的上下两侧端面上的四片所述应变片共同组成一电桥电路、每根所述受力横梁的左右两侧端面上的四片所述应变片共同组成另一电桥电路。

优选地，所述第一集成电路板上设置有用于获取九轴姿态信息的姿态芯片以及用于放大力矩信息的放大电路模块，所述姿态芯片及放大电路模块二者均焊接固定于所述第一集成电路板上，所述放大电路模块与所述弹性体电性连接。

优选地，所述第二集成电路板上设置有用于实现数据处理的中央处理器，所述中央处理器焊接固定于所述第二集成电路板上，所述中央处理器分别借助数据线与所述姿态芯片及放大电路模块电性连接，所述中央处理器内包括一用于实现数据及指令传输的无线模块，所述中央处理器借助所述无线模块将所获取的力矩姿态信息传输给上位机，所述无线模块的数据传输方式为蓝牙传输。

优选地，还包括一用于为传感器内各部件供电的电源模块，所述电源模块集成了5v开关电源，所述传感器底盖内侧端面上开设有一电源凹槽，所述电源凹槽的形状、规格分别于所述电源模块形状、规格一一匹配对应，所述电源模块嵌设固定于所述电源凹槽内，所述受力弹性体、第一集成电路板以及第二集成电路板三者内的各电气元件均与所述电源模块电性连接并由其供电。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明提出了一种机械臂关节力矩姿态无线传感器，将现有技术中的力矩传感器与姿态传感器相结合，实现了对机械臂的高级控制及多模式控制，提高了机械臂整体的操作精度，显著地提升了人机交互过程的智能化与安全性。

同时，本发明通过对多种传感器的集成化设计，有效地减小了传感器整体的体积，在实现了传感器的小型化、集成化的同时也使得机械臂的整体重量得到了大幅度的降低，提升了机械臂在任务执行方面的效率，为机械臂的大规模推广应用提供了硬件基础。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于与集成化传感器有关的其他技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中弹性体的结构及力矩测量示意图；

图3为本发明中第一集成电路板的结构示意图；

图4为本发明中线加速度和角速度的测量原理示意图；

图5为本发明中欧拉角的测量原理示意图；

图6为本发明中第二集成电路板的结构示意图。

其中：1、传感器顶盖；2、传感器套筒；3、传感器底盖；4、受力轴；5、弹性体；6、连接槽；7、受力横梁；8、第一集成电路板；9、姿态芯片；10、放大电路模块；11、第二集成电路板；12、中央处理器；13、电源凹槽。

具体实施方式

本发明揭示了一种机械臂关节力矩姿态无线传感器。

如图1所示，本发明的机械臂关节力矩姿态无线传感器包括传感器外壳，还包括受力弹性体、第一集成电路板8以及第二集成电路板11，所述第一集成电路板8及所述第二集成电路板11二者均固定设置于所述传感器外壳内部，所述受力弹性体包括受力轴4及弹性体5，所述弹性体5设置于所述传感器外壳内部，所述受力轴4的一端与所述弹性体5硬性触接、另一端伸出于所述传感器外壳外侧。

所述传感器外壳包括按序固定连接的传感器顶盖1、传感器套筒2以及传感器底盖3，所述传感器顶盖1、传感器套筒2以及传感器底盖3三者螺栓固接，所述弹性体5、第一集成电路板8以及第二集成电路板11三者按序叠合固定设置于所述传感器套筒2内、所述弹性体5设置于靠近所述传感器顶盖1的一侧、所述第二集成电路板11设置于靠近所述传感器底盖3的一侧。

所述传感器底盖3上固定设置有多组用于实现传感器外壳内各部件固定的安装柱，为了适应安装的需要，多组所述安装柱间的高度互不相同，具体的高度选择可以根据实际的安装需要进一步确定。与所述安装柱相对应的，所述弹性体5、第一集成电路板8以及第二集成电路板11三者上分别开设有一组安装孔，每组所述安装孔均与一组所述安装柱相匹配，所述传感器外壳内还设置有与所述安装柱数量、规格相匹配的安装螺栓，所述安装螺栓穿过所述安装孔并与所述安装柱固定连接，所述弹性体5、第一集成电路板8以及第二集成电路板11三者均借助所述安装螺栓被固定设置于所述传感器底盖3上。

所述弹性体5呈轮辐式结构，所述弹性体5的中心位置开设有一用于连接所述受力轴4的连接槽6，所述连接槽6的形状、规格与所述受力轴4的形状、规格一一匹配对应，在所述弹性体5与受力轴4的组合状态下，二者硬性触接且所述受力轴4嵌设固定于所述连接槽6内。

所述弹性体5上设置四根受力横梁7，相邻两根所述受力横梁7之间的夹角呈90°，四根所述受力横梁7共同组成作为主受力结构的十字形受力结构，每根所述受力横梁7的四侧端面上均粘贴固定有用于采集形变数据的应变片(图中未示出)。

所述弹性体5的受力演示如图2中旋转箭头所示，其分别接收3个方向受力数据，即z轴受力数据fz和平面上x轴受力数据fx和y轴受力数据fy，接收3个方向的力矩数据，即z轴受力力矩数据mz和平面上x轴受力力矩数据mx和y轴受力力矩数据my。

四根所述受力横梁7上的应变片贴片采用对称补偿贴片的方式完成，如图2所示，每根所述受力横梁7的上下左右四侧端面上均粘贴固定有用于采集形变数据的应变片，每根所述受力横梁7的每侧端面上均粘贴固定有两片所述应变片。每根所述受力横梁7的上下两侧端面上的四片所述应变片共同组成一电桥电路、每根所述受力横梁7的左右两侧端面上的四片所述应变片共同组成另一电桥电路。

应变大小与应变片在受力横梁7上的贴片距离可近似看做线性关系，距离中心越近形变越大。为便于粘贴及引线，且避免形变过大使应变片损坏，应当将应变片贴于受力横梁7上距中心合适的区间内。

此外，弹性体5的四扇形片上各有一螺孔，四横梁内切于扇形片的圆弧，留出弧形空间，便于走线，弹性体5通过扇形片上的螺孔与下部圆形的略高的安装柱对齐安装，且扇形片下部加厚便于隔离放置在下方的电路板等电气元件。

如图3所示，所述第一集成电路板8上设置有用于获取九轴姿态信息的姿态芯片9以及用于放大力矩信息的放大电路模块10，所述姿态芯片9及放大电路模块10二者均焊接固定于所述第一集成电路板8上，所述放大电路模块10与所述弹性体5电性连接。

所述姿态芯片9初始位置根据标定进行初始化，如图4所示，所述姿态芯片9测量三个轴方向移动的加速度，以及绕轴所产生的角速度。即，以芯片为原点建立笛卡尔坐标系，在垂直方向，测量z轴轴向方向的线加速度az，以及以z轴为轴心，绕轴形成的角速度wz；在水平方向，测量x轴轴向方向的线加速度ax，以及以x轴为轴心，绕轴形成的角速度wx；在垂直与x轴的y轴上，测量y轴轴向方向的线加速度ay，以及以y轴为轴心，绕轴形成的角速度wy。

如图5所示，所述姿态芯片9测量欧拉角，获取全部姿态信息。以上述xyz坐标系为基础系，xyz三轴为基轴，通过空间三维旋转获得xyz系为旋转系。将基础系绕z轴旋转α度，绕x轴旋转β度，绕z轴旋转γ度，获得旋转系，即为芯片所测姿态。xy-平面与xy-平面的相交为交点线，用英文字母(n)代表。α是x轴与交点线的夹角，β是z轴与z轴的夹角，γ是交点线与x轴的夹角。

所述放大电路模块10由两级放大单元组成，所述放大电路模块10能够将所采集的力矩信号经两级放大单元放大至采集信号所需电压等级0～3.3v，六路输出信号在第一级放大单元内的放大倍数为10倍，在第二级放大单元内的放大倍数为100倍左右，可根据标定调节，并进行滤波。

总体而言，所述第一集成电路板8的作用在于测量连接测量电路，将同时采集的9轴姿态信息与放大后的6轴力矩数据统一送入测量电路的中央处理器12内，所述第一集成电路板8通过侧边螺孔和安装柱对齐安装。

如图6所示，所述第二集成电路板11上设置有用于实现数据处理的中央处理器12，所述中央处理器12焊接固定于所述第二集成电路板11上，所述中央处理器12分别借助数据线与所述姿态芯片9及放大电路模块10电性连接，所述中央处理器12内包括一用于实现数据及指令传输的无线模块，所述中央处理器借助所述无线模块将所获取的力矩姿态信息传输给上位机，所述无线模块的数据传输方式为蓝牙传输。

此处需要说明的是，在所述第二集成电路板11的安装状态下，所述第二集成电路板11与所述传感器底盖3内侧端面之间应当留有一定的空间，以保证后续电源模块的安装。

所述的机械臂关节力矩姿态无线传感器还包括一用于为传感器内各部件供电的电源模块(图中未示出)，所述电源模块集成了5v开关电源，所述传感器底盖3内侧端面上开设有一电源凹槽13，所述电源凹槽13的形状、规格分别于所述电源模块形状、规格一一匹配对应，所述电源模块嵌设固定于所述电源凹槽13内、且二者焊接固定，所述受力弹性体、第一集成电路板8以及第二集成电路板11三者内的各电气元件均与所述电源模块电性连接并由其供电。

综上所述，本发明提出了一种机械臂关节力矩姿态无线传感器，将现有技术中的力矩传感器与姿态传感器相结合，实现了对机械臂的高级控制及多模式控制，提高了机械臂整体的操作精度，显著地提升了人机交互过程的智能化与安全性。

同时，本发明通过对多种传感器的集成化设计，有效地减小了传感器整体的体积，在实现了传感器的小型化、集成化的同时也使得机械臂的整体重量得到了大幅度的降低，提升了机械臂在任务执行方面的效率，为机械臂的大规模推广应用提供了硬件基础。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于与集成化传感器有关的其他技术方案中，具有十分广阔的应用前景。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。