[发明专利]用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法

说明书

本发明属于力矩测量装置技术领域，公开了一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法，弹性元件的内环与外环通过两条柔性筋连接；柔性筋设有挡光片安装孔，挡光片固定在柔性筋上；弹性元件外环上设有支撑座安装孔，支撑座固定在弹性元件外环上；光电式位移传感器安装在支撑座上并且位于弹性元件的内部空间中。本发明采用的两个光电式位移传感器安装方向相反，相对应的其工作方向相反，从而能够检测正反两个方向的力矩信息；弹性元件受到扭矩时发生弹性变形，产生较大的扭转角，有效的降低了机械臂的被动刚度，增大机器人的柔性。本发明既实现机械臂在正传反转两个方向上的力矩测量，又为机械臂提供极大的柔性保证机器人与外界交互的安全性。

技术领域

本发明属于力矩测量装置技术领域，尤其涉及一种用于柔性机械臂关节的柔性光电式力矩传感器及使用方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：随着协作机器人技术的发展，如何保证协作机器人在与外部环境交互时的安全性变得越来越重要，这就要求机器人在交互过程中能够实时检测碰撞，并且降低碰撞发生后的危害。机器人中应用关节力矩传感器可以监测外部力矩并因此检测碰撞，在碰撞发生后通过增大机器人的柔性可以有效地降低碰撞所产生的危害。

现有技术一公开了一种用于轻型柔性机械臂关节的嵌入式三维力及力矩测量装置，它的原理是当机械臂的执行端受到载荷作用时，弹性本体单元发生弹性变形，从而带动其上挡光片的的运动，通过光电式位移传感器测量出对应挡光片的位移量，从而实现检测所受载荷大小的功能。该装置的光电位移传感器采用同向分布，因此只能测量单一方向上的力矩值，另外该装置由四条弹性筋组成，其刚度良好，柔度不足。

现有技术二公开了一种直线位移传感器搭配弹性元件以实现输出力矩测量和提供柔性的装置，它的原理是通过直线位传感器计算弹性元件内外环旋转角度差，根据胡克定律得到关节负载端的力信息。该装置是利用直线位移传感器来测量弹性元件的变形，因为存在电刷与电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的能量输入，由于磨损会影响使用寿命和降低可靠性，使测量精度降低，而且直线位移传感器安装在弹性元件表面会使得装置结构变得复杂，增大该装置的轴向尺寸从而增大了关节的尺寸。

现有技术三公布了一种利用串联弹性体和两个位置传感器为关节提供扭矩测量和提供柔性的装置，它的原理是根据弹性元件两端的位置传感器测量得到的弹性元件的扭转角，利用胡克定律计算出关节力矩信息。该装置通过两个绝对位置磁编码器获得弹性元件的变形量，应用两个磁编码器不仅增大了生产成本，增大了关节的尺寸，而且增加了控制的难度。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术一具有在负载力矩作用下产生的最大弹性变形小，测量力矩范围小，并且只能测量单一方向上的力矩的特征，该特征使得这种装置具有柔度有限、抗冲击能力较差，当机械臂受到反向力矩时无法测得的缺点和不足。

(2)现有技术二利用直线位移传感器来测量弹性元件变形的特征，该特征使得在力矩测量时由于直线位移传感器的摩擦作用导致测量精度下降，而且直线位移传感器安装在弹性元件表面会使得装置结构变得复杂，增大该装置的尺寸，不利于集成在关节内。

(3)现有技术三生产成本过高，结构的复杂给关节的集成带来极大麻烦，测量精度容易受到位置传感器测量精度的影响。

解决上述技术问题的难度：

如何能够实时获得机器人输出力矩信息，当机器人与环境发生碰撞时能够实时检测碰撞。

如何为一体化关节提供足够的柔性。

怎样便于集成到一体化关节内部。

如何降低生产成本。

解决上述技术问题的意义：

能够实时检测碰撞，在碰撞发生后提供较大的柔性，因此能够保证机器人与人交互时的安全性。