一種機器人末端十二維傳感器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種傳感器及其設(shè)計方法，具體涉及一種機器人末端十二維傳感器及 其設(shè)計方法，屬于機器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人技術(shù)越來越多的被應(yīng)用于各種場合，如搬運、焊接、 裝配等?？臻g機械臂是機器人領(lǐng)域一個重要的研究方向，要求質(zhì)量輕、控制精度高、自由度 多、載荷自重比大，能夠進行力控制等，其核心問題是智能化。為了滿足高精度的力控制，末 端六維力/力矩傳感器成為空間機械臂的重要組成部分，它能夠同時感知三維空間中的全 力信息，是作為空間機器人智能化特征的一個關(guān)鍵部件。
[0003] 但是由于空間機械臂的柔性，使得空間機器人存在末端的殘余振動?，F(xiàn)有空間機 械臂末端還存在其他一些問題，如載荷參數(shù)辨識困難以及接觸碰撞等問題。針對這些問題， 傳統(tǒng)的六維力矩傳感器不能滿足控制要求，難以實現(xiàn)接觸力和載荷慣性參數(shù)的辨識任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有空間機械臂末端存在殘余振動、載荷參數(shù)難以辨識以及接觸碰 撞的問題，進而提出一種機器人末端十二維傳感器及其設(shè)計方法。
[0005] 本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明所述傳感器包括六維力矩傳感 器、六維加速度傳感器和采集板，六維力矩傳感器由內(nèi)環(huán)、四個內(nèi)梁、四個第一應(yīng)變片、四個 第二應(yīng)變片、四個外梁和八個連接板組成，四個第二應(yīng)變片和四個外梁呈環(huán)形交錯設(shè)置，每 個第二應(yīng)變片端部與相鄰近的一個外梁的端部通過一個連接板連接，四個第二應(yīng)變片、第 二外梁和八個連接板組成封閉的外框體，內(nèi)環(huán)設(shè)置在所述外框體內(nèi)，內(nèi)環(huán)的外側(cè)壁通過四 個內(nèi)梁與所述外框體上的四個外梁連接，相鄰兩個內(nèi)梁之間的內(nèi)環(huán)的外側(cè)壁上分別設(shè)有一 個第一應(yīng)變片，每個第一應(yīng)變片分別與一個第二應(yīng)變片對應(yīng)，六維力加速度傳感器嵌裝在 內(nèi)環(huán)內(nèi)，采集板安裝在六維力矩傳感器的側(cè)面。
[0006] 本發(fā)明所述傳感器的設(shè)計方法的具體步驟為：
[0007] 步驟一、設(shè)計傳感器的整體：將六維加速傳感器安裝在六維力矩傳感器的內(nèi)環(huán)上， 六維加速傳感器與六維力矩傳感器相互獨立，二者之間沒有耦合；
[0008] 步驟二、六維力矩傳感器設(shè)計：傳感器的設(shè)計指標為：沿著三個坐標軸方向的 力量程為±500N，誤差為±0·015Ν，圍繞著三個坐標軸的力矩量程為±100Nm，誤差為 ±0. 003Nm，為了防止空間搬運時較大的慣性力會導(dǎo)致傳感器過載，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用銷孔間 隙式機械保護結(jié)構(gòu)。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)模塊化、緊湊化、多感知能力等優(yōu)點，克服 了傳統(tǒng)六維力矩傳感器功能單一，不能為機器人末端振動的抑制提供直接加速度反饋的缺 點。
[0010] 機器人振動抑制、笛卡爾空間加速度控制器的設(shè)計是高性能機器人控制器的一個 重要組成部分。機器人末端六維力矩傳感器的標定、與機器人末端執(zhí)行器之間實現(xiàn)相互的 姿態(tài)校正需要在地面環(huán)境中或者機器人末端姿態(tài)的測量。
[0011] 由于六維加速度能夠準確、靈敏地反映物體運動的變化情況，六維加速度傳感技 術(shù)在工業(yè)自動化系統(tǒng)、交通運輸工具、機器人控制系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)設(shè)備、互動娛樂設(shè)備、醫(yī)療 保健設(shè)備和地震預(yù)測裝置中有著廣泛的應(yīng)用前景。如提出通過測量大地的六維加速度進行 地震的分析；韓國三星公司研究開發(fā)了基于六維運動測量的數(shù)字輸入設(shè)備，利用電子筆在 空間中模擬書寫的運動軌跡實現(xiàn)字符的輸入，此外，六維加速度傳感器還可用于室內(nèi)機器 人、隧道機器人和導(dǎo)航、人體姿態(tài)變化的記錄分析、碰撞實驗分析、振動測試、隔振平臺的反 饋控制和體育訓(xùn)練中球體運動軌跡分析等諸多領(lǐng)域。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)六維加速度傳感的六 維加速度傳感器和六維加速度測量系統(tǒng)的研究在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)中具有重要價值，日 益引起人們的關(guān)注。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的主視圖，圖2是圖1的仰視圖，圖3是剛體上固定點的加速度，圖 4是加速度的空間布置方案圖，圖5是惠斯頓電橋示意圖，圖6是應(yīng)變片組橋圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0013] 一：結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種機器人末 端十二維傳感器包括六維力矩傳感器1、六維加速度傳感器2和采集板3,六維力矩傳感器 1由內(nèi)環(huán)1-1、四個內(nèi)梁1-2、四個第一應(yīng)變片1-3、四個第二應(yīng)變片1-4、四個外梁1-5和八 個連接板1-6組成，四個第二應(yīng)變片1-4和四個外梁1-5呈環(huán)形交錯設(shè)置，每個第二應(yīng)變片 1-4端部與相鄰近的一個外梁1-5的端部通過一個連接板1-6連接，四個第二應(yīng)變片1-4、 第二外梁1-5和八個連接板1-6組成封閉的外框體，內(nèi)環(huán)1-1設(shè)置在所述外框體內(nèi)，內(nèi)環(huán) 1-1的外側(cè)壁通過四個內(nèi)梁1-2與所述外框體上的四個外梁1-5連接，相鄰兩個內(nèi)梁1-2之 間的內(nèi)環(huán)1-1的外側(cè)壁上分別設(shè)有一個第一應(yīng)變片1-3,每個第一應(yīng)變片1-3分別與一個第 二應(yīng)變片1-4對應(yīng)，六維力加速度傳感器2嵌裝在內(nèi)環(huán)1-1內(nèi)，采集板3安裝在六維力矩傳 感器1的側(cè)面。
【具體實施方式】 [0014] 二：結(jié)合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種機器人末 端十二維傳感器的設(shè)計方法是通過如下步驟實現(xiàn)的：
[0015] 步驟一、設(shè)計傳感器的整體：將六維加速傳感器2安裝在六維力矩傳感器1的內(nèi)環(huán) 1-1上，六維加速傳感器2與六維力矩傳感器1相互獨立，二者之間沒有耦合；
[0016] 步驟二、六維力矩傳感器設(shè)計：傳感器的設(shè)計指標為：沿著三個坐標軸方向的 力量程為±500N，誤差為±0·015Ν，圍繞著三個坐標軸的力矩量程為±100Nm，誤差為 ±0. 003Nm，為了防止空間搬運時較大的慣性力會導(dǎo)致傳感器過載，結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用銷孔間 隙式機械保護結(jié)構(gòu)。
[0017] 工作原理
[0018] 一、以測量切向力Fx為例：切向力Fx施加于內(nèi)環(huán)1-1的上端面，連接板1-6長度 方向（即連接板1-6沿內(nèi)環(huán)1-1圓周方向）剛度大于其厚度方向（即連接板1-6的內(nèi)外方 向）剛度。因此，與Fx方向平行的內(nèi)梁1-2、外梁1-5和連接板1-6均看做剛性梁，與Fx方 向垂直的內(nèi)梁1-2和連接板1-6均看做柔性梁，與Fx方向垂直的內(nèi)梁1-2可看成懸臂梁。 在內(nèi)梁1-2上形成應(yīng)變敏感區(qū)域，因此組成應(yīng)變電橋，進而可測出Fx，同理可測切向力Fy。
[0019] 二、以測量軸向力Fz為例：軸向力Fz施加于內(nèi)環(huán)1的上端面，通過內(nèi)梁1-2傳遞 到外梁1-5上，連接板1-6高度方向（沿Z軸方向）的剛度大于其厚度方向（即連接板1-6 的內(nèi)外方向）剛度。因此內(nèi)梁1-2看作剛性梁，連接板1-6看作柔性梁，而把外梁1-5看作 懸臂梁。軸向力通過均布的四個內(nèi)梁1-2傳遞到外梁1-5上，外梁1-5發(fā)生彈性變形，在外 梁1-5上形成應(yīng)變敏感區(qū)域，因此組成應(yīng)變電橋，進而可測出Fz。
[0020] 三、以測量彎矩Mx為例：彎矩Mx施加于內(nèi)環(huán)1-1的上端面。通過內(nèi)梁1-2傳遞到 外梁1-5上。連接板1-6高度方向（沿Z軸方向）剛度大于其厚度方向（即連接板1-6的 內(nèi)外方向）剛度。彎矩Mx通過均布的四個內(nèi)梁1-2及兩個長度方向與X軸垂直的外梁1-5 傳遞到長度方向與X軸平行的外梁1-5上，這兩個外梁1-5發(fā)生彈性變形，在外梁1-5上形 成應(yīng)變敏感區(qū)域，因此組成應(yīng)變電橋，進而可測出Mx，同理可測My。
[0021] 四、以測量扭矩Mz為例：扭矩Mz施加于內(nèi)環(huán)1-1上端面。連接板1-6長度方向和 高度方向（沿Z軸方向）剛度大于其厚度方向（即連接板1-6的內(nèi)外方向）剛度。扭矩Mz 實際作用等效于大小相等的一對力偶，假設(shè)該力偶兩個作用力的方向平行于X軸，因此長 度方向與X軸方向平行的內(nèi)梁1-2、外梁1-5、連接板-6均看做剛性梁，而長度方向與Y軸 方向平行的連接板1-6看做柔性梁，此時與Y軸方向平行的內(nèi)梁1-2看成懸臂梁。在內(nèi)梁 1-2上形成應(yīng)變敏感區(qū)域，因此組成應(yīng)變電橋，進而可測出Mz。
[0022] 測量原理
[0023] 結(jié)合圖3、圖4和圖5說明本發(fā)明的測量原理：
[0024] 1、力/力矩測量原理
[0025] 本文設(shè)計的力矩傳感器的變形量使用應(yīng)變片來感知，通過惠斯通全橋?qū)?yīng)變片的 變形量（力矩傳感器的變形量）轉(zhuǎn)換為電壓輸出，如圖3-7所示。設(shè)電橋各橋臂電阻分別 為Rl、R2、R3、R4,其中的任一個橋臂電阻都可以是應(yīng)變片電阻。
[0026] 電橋的A、C為輸入端，接直流電源，輸入電壓為UAC;而B、D為輸出端，輸出電壓為 UBD。下面分析當(dāng)&、R2、R3、R4變化時，輸出電壓U BD的大小。從ABC半個電橋來看，AC間的 電壓為UAC，流經(jīng)札的電流為
[0028] 由此得出札兩端的電壓降為
[0030] 同理，私兩端的電壓降為
[0032] 故可得到電橋輸出電壓為
[0033]
[0034] 由公式（1.4)可知，要