一种具有简单结构的机器人腕力传感器

一种具有简单结构的机器人腕力传感器

《机床与液压》20021No11 79

一种具有简单结构的机器人腕力传感器

王　刚,孙　雷

(11天津大学机械学院,300072;21天津广播器材公司,300210)

摘要:本文提出了一种机器人六维腕力传感器。传感器具有结构简单,工作可靠的优点。内置放大器方法可以减小环境对有用信号的影响。不同力/力矩与信号之间耦合很小。

关键词:机器人;传感器;信号

中图分类号:TP24　　文献标识码:　　文章编号:1001-3881(2002)1-079-2

0　引言部的长方体位于手端侧支撑刚体的凹坑内,各方向有一定的间隙。当手爪端受到较大的力或力矩时,弹性

体十字梁产生较大变形。过载保护中间刚体上方长方体与手端侧支撑刚体凹坑发生面面型接触,防止变形的进一步增加而使弹性体损坏。2　力和力矩测量原理

图2(a)为贴有应变片的平行板弹簧示意图。R表示应变片的阻值,其下标表示应变片序号。fF的作用时,产生如图2(b)所示的变形。当弹性体受到力矩的作用,产生如图2

图2　负荷检测原理图(c)所示的变形。应变

片组成如图3所示的桥式电路。桥式电路由恒流源驱动。V1和V2为输出信号。

当受到其他正交方向的力和力矩作用时,由于梁在那些方向的刚度很大,可以认为几乎不产生变形。可见,理论上相互正交的力和力矩所产生的变形不存在

图3　应变片桥式电路

耦合现象。设应变片的

额定电阻为Ro。当在梁上只有力F作用时,应变片电阻值变化的绝对值为ΔRf。当在梁上只有力矩M作用时,应变片电阻值变化的绝对值为ΔRm。则当力F和力矩M同时作用时,各应变片的电阻值如下式所示。ffmm

(1)Rα=Rb=Rα=Rb=Ro+ΔRf+ΔRm

Rc=Rd=R0-ΔRf+ΔRmRc=Rd=R0+ΔRf-ΔRm

m

m

f

f

腕力传感器是一种重要的机器人外部传感器,用

于测量机器人手端的三维力和三维力矩。腕力传感器分为刚性腕力传感器和柔性腕力传感器两种。柔性腕力传感器由于研制中存在许多难点,尚停留在实验室阶段。目前,实际使用的刚性腕力传感器有直接输出型和间接输出型。得到广泛应用的为间接输出型,其典型结构为竖梁结构、横梁结构或它们的组合。

目前,腕力传感器尚存在一些不足之处,主要表现在:(1)弹性元件一般为整体结构,加工极为困难;(2)应变片粘贴过程复杂;(3)应变片的输出信号较弱,需要高性能的放大器,市场上供应的放大器体积较大。

[2]、[3]

本人在前人工作的基础上[1]、,种结构较为简单,放大器内置,的腕力传感器

。

图1　六维腕力传感器机械结构

1　腕力传感器的机械结构

如图1所示,腕力传感器机械本体结构有四个主

要零件:手端侧支撑刚体用于和机器人末端相联。手爪侧支撑刚体用于和机器人手爪相联。中间的弹性体十字梁为传感器的关键零件。弹性体十字梁的每一个侧梁上加工有两个互相垂直的凹字型通孔,从而形成局部的两组互相垂直的平行板弹簧。在每个平行板弹簧的根部贴有用来测量变形量的应变片。腕力传感器还设有过载保护装置。过载保护中间刚体底部与手爪侧支撑刚体通过螺钉紧固联接。过载保护中间刚体上

(2)(3)

因此,力F检测桥电路的输出电压Uf为:

Uf=U1-U2

f

f

=RfcEf/(Rfa+Rfc)-RfbEf/(Rfd+Rfb)=ΔRfEf/(R0+ΔRm)=ΔRf If

(4)

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