專利名稱：具有力矩過載保護功能的機器人靈巧手關(guān)節(jié)力矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種關(guān)節(jié)力矩傳感器，具體涉及一種具有力矩過載保護功能的 機器人靈巧手關(guān)節(jié)力矩傳感器。
背景技術(shù)：
機器人靈巧手作為機器人與環(huán)境相互作用的末端操作器，其靈活性、傳感 器等對機器人的操作具有重要的影響。靈巧手技術(shù)已經(jīng)成為機器人領(lǐng)域的一個 重要研究方向，許多國家都在從事靈巧手的研究，也相繼研制出了一些有代表 性的靈巧手，技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、傳感、集成度以及控制等 方面。靈巧手的力感知能力是實現(xiàn)靈巧手力控制、柔順控制的基本前提，對于 提高靈巧手的職能水平和作業(yè)水平具有重要的影響。在已研制成功的靈巧手系 統(tǒng)中，廣泛配置和應(yīng)用的是基于彈性體應(yīng)變原理的關(guān)節(jié)力矩傳感器，除此以外， 還有指尖多維力/力矩、觸覺等力傳感器。
為增強關(guān)節(jié)力矩傳感器的可靠性，避免過載過程和沖擊過程傳感器應(yīng)變體 產(chǎn)生塑性變形、對傳感器造成破壞，在關(guān)節(jié)力矩傳感器的設(shè)計中，常采用兩種 方法: 一、增加彈性體的尺寸、提高其強度，上述方法的缺點是降低了傳感器 的靈敏度；二、增加機械過載保護機構(gòu)，當(dāng)過載或沖擊、施加于傳感器彈性體
上的力矩超過了傳感器的測量范圍時，過載保護機構(gòu)開始起作用、傳遞力矩、 保護應(yīng)變梁。
在關(guān)節(jié)力矩傳感器的過載保護機構(gòu)中，通常采用限位塊、限位孔等具有固 定間隙的保護結(jié)構(gòu)。基于有限元等理論分析，確定彈性體的應(yīng)變和變形，并以 此為依據(jù)加工、裝配彈性體的變形間隙，因此，現(xiàn)有的關(guān)節(jié)力矩傳感器的過載 保護機構(gòu)存在加工裝配工藝復(fù)雜、要求較高的機械加工精度、無法實現(xiàn)在線調(diào) 整間隙，難以實現(xiàn)精確的過載保護等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的關(guān)節(jié)力矩傳感器的過載保護機構(gòu)存在加工裝配工 藝復(fù)雜、要求較高的機械加工精度、無法實現(xiàn)在線調(diào)整間隙、難以實現(xiàn)精確的
過載保護等問題，進(jìn)而提供了一種具有力矩過載保護功能的機器人靈巧手關(guān)節(jié) 力矩傳感器。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是本發(fā)明所述力矩傳感器由固 定體、彈性體、加載體和力矩過載保護機構(gòu)組成，所述固定體通過彈性體與加
載體連接，所述力矩過載保護機構(gòu)從固定體的下端穿過固定體，且所述力矩過 載保護機構(gòu)穿出端的頂端面與加載體的相對應(yīng)端面之間留有間隙，或所述力矩 過載保護機構(gòu)從加載體的上端穿過加載體，且所述力矩過載保護機構(gòu)穿出端的 頂端面與固定體的相對應(yīng)端面之間留有間隙。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明中所述的力矩過載保護機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在 線間隙的調(diào)整，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、間隙調(diào)整方便、能夠?qū)崿F(xiàn)精確的力矩保護、 占用空間小、易于實現(xiàn)等突出優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖(立體圖)，圖2是圖1的主剖視圖，圖 3是力矩過載保護機構(gòu)4的端部與加載體3之間的間隙調(diào)整后的結(jié)構(gòu)示意圖， 圖4是本發(fā)明的主視圖(所述力矩過載保護機構(gòu)4從加載體3的上端穿過加載 體3)，圖5是在載荷T的作用下力矩過載保護機構(gòu)起保護作用的狀態(tài)圖，圖6 是本發(fā)明具體實施方式
二的主剖視圖，圖7是圖6的左視圖，圖8是本發(fā)明具 體實施方式二的立體圖，圖9是本發(fā)明具體實施方式
三的主剖視圖，圖10是 圖9的左視圖，圖ll是本發(fā)明具體實施方式
三的立體圖，圖12是將本發(fā)明所 述安裝在機器人靈巧手關(guān)節(jié)上的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖1 5所示，本實施方式所述力矩傳感器由固定體 1、彈性體2、加載體3和力矩過載保護機構(gòu)4組成，所述固定體1通過彈性 體2與加載體3連接，所述力矩過載保護機構(gòu)4從固定體1的下端穿過固定體 1，且所述力矩過載保護機構(gòu)4穿出端的頂端面與加載體3的相對應(yīng)端面之間 留有間隙L，或所述力矩過載保護機構(gòu)4從加載體3的上端穿過加載體3，且 所述力矩過載保護機構(gòu)4穿出端的頂端面與固定體l的相對應(yīng)端面之間留有間 隙L。本具體實施方式
所述的力矩傳感器在使用時，固定體1固定，在加載體3
施加額定最大力矩(保護力矩)T，彈性體2作為傳遞力(或力矩)的唯一通 道、將有穩(wěn)定輸出；擰動、調(diào)整相應(yīng)的力矩過載保護機構(gòu)4，實現(xiàn)力矩過載保 護機構(gòu)4端面與加載體3 (或固定體l)的接觸，并使傳感器的輸出將有明顯 的變化。卸去載荷T，此時力矩過載保護機構(gòu)4端面與加載體3 (或固定體1) 的間隙即為該傳感器的工作范圍。在此范圍內(nèi)，彈性體2作為傳遞力(或力矩) 的唯一通道，在其彈性工作范圍內(nèi)，載荷與輸出成線形關(guān)系；當(dāng)載荷超過保護 力矩時，力矩過載保護機構(gòu)4將固定體1與加載體3連接、并傳遞力矩，彈性 體2將不再繼續(xù)發(fā)生變形，從而對彈性體起到力矩過載保護的作用。保證傳感 器在工作范圍內(nèi)的自由變形，當(dāng)所述力矩傳感器在工作范圍內(nèi)時，因存在間隙， 力矩過載保護機構(gòu)4不起作用；當(dāng)加載體3的加載超過所述力矩傳感器的工作 范圍時，力矩過載保護機構(gòu)4與加載體3的下端面接觸(或力矩過載保護機構(gòu) 4與固定體1的上端面接觸)，力矩由加載體3通過力矩過載保護機構(gòu)4傳遞 到固定體l，限制彈性體2繼續(xù)變形，起到力矩過載保護的作用。所述固定體 1和加載體3相于彈性體2具有更高的強度，加載過程視為剛體。有效解決現(xiàn) 有的過載保護機構(gòu)存在間隙固定、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以實現(xiàn)精確力矩保護的問題。 所述固定體l、彈性體2和加載體3三者可以采用分體加工后固接，也可采用 一體結(jié)構(gòu)加工；在傳感器的工作范圍內(nèi)，固定體與加載體不接觸，彈性體2 作為傳遞力的唯一構(gòu)件。
具體實施方式
二如圖6 8所示，本實施方式所述固定體1由第一圓環(huán) 體l-l、第二圓環(huán)體l-2、兩個過渡板l-3和中間板l-4構(gòu)成，所述中間板l-4 水平設(shè)置，第一圓環(huán)體l-l和第二圓環(huán)體l-2垂直設(shè)置且二者同軸，第一圓環(huán) 體1-1的上端面和第二圓環(huán)體1-2的上端面分別通過過渡板1-3與中間板1-4 的兩端固接，所述中間板1-4的上端面上設(shè)有凸臺1-4-1,所述加載體3的外 形為四框體；所述彈性體2由四框形芯體2-l和四個桿件2-2構(gòu)成，四框形芯 體2-1水平設(shè)置在加載體3內(nèi)，所述四個桿件2-2均布水平設(shè)置在四框形芯體 2-l和加載體3之間，加載體3和四框形芯體2-l通過四個桿件2-2連接，所 述四框形芯體2-1和四個桿件2-2形成十字形，所述加載體3兩側(cè)的下端設(shè)有 楔形凸臺3-1，所述楔形凸臺3-1的斜面與過渡板1-3平行；所述加載體3位 于固定體1的上方，所述四框形芯體2-l套裝在固定體1上設(shè)有的凸臺1-4-1
上，所述力矩過載保護機構(gòu)4由兩個螺釘4-1構(gòu)成，每個過渡板1-3上開有螺 孔1-3-1，所述每個螺釘4-l的一端穿出相應(yīng)的螺孔1-3-1，所述每個螺釘4-l 的穿出端的頂端面與加載體3上的楔形凸臺3-1的斜面之間的距離為Ll。其 它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
本實施方式所述關(guān)節(jié)力矩傳感器安裝在機器人靈巧手的手指的基關(guān)節(jié)5 上，其加載體3連接至中間關(guān)節(jié)6，可測量俯仰方向、側(cè)擺方向的力矩，在俯 仰方向，設(shè)有力矩過載保護機構(gòu)。當(dāng)基關(guān)節(jié)5受到的俯仰方向力矩超過額定載 荷時，由于彈性體2的塑性應(yīng)變使加載體3的變形大于Ll時，兩個螺釘4-1 的端面與加載體3的楔形凸臺3-l的斜面接觸，限制彈性體繼續(xù)發(fā)生變形，起 到力矩過載保護作用。
具體實施方式
三如圖9 11所示，本實施方式所述固定體1由兩個夾板 1-5和彈性體連接板1-6構(gòu)成，所述兩個夾板1-5相對垂直設(shè)置且同軸，所述 彈性體連接板1-6水平設(shè)置，兩個夾板1-5的上端平面通過彈性體連接板1-6 連接，所述兩個夾板1-5分別開有通孔1-5-1;加載體3的外形輪廓與指尖的 輪廓形狀一致；所述彈性體2是截面為矩形的四棱柱體；所述力矩過載保護機 構(gòu)4由兩個螺釘4-1構(gòu)成；所述彈性體連接板1-6沿長度方向均布開有兩個螺 孔1-6-1，所述加載體3位于固定體1的上方，所述彈性體2位于加載體3和 固定體1之間且與二者固接，所述每個螺釘4-l的一端穿出相應(yīng)的螺孔1-6-1, 且所述每個螺釘4-l的穿出端的頂端面與加載體3的下端面之間的距離為L2。 其它組成及連接關(guān)系與具體實施方式
一相同。
本實施方式所述關(guān)節(jié)力矩傳感器安裝在機器人靈巧手的手指的末端關(guān)節(jié) 7上，其固定體1安裝在手指的末端關(guān)節(jié)7內(nèi)，通過指尖10加載；當(dāng)手指關(guān) 節(jié)受到的俯仰方向力矩超過額定載荷時，由于彈性體2的塑性應(yīng)變使加載體3 的變形大于L2時，兩個螺釘4-1端面與加載體3的相對應(yīng)面接觸，限制彈性 體繼續(xù)發(fā)生變形，起到力矩過載保護作用。兩個螺釘4-l實現(xiàn)傳感器在測量維 度上正、反兩個方向的力矩過載保護。
如圖12所示，機器人靈巧手的手指由三個指節(jié)(即第一指節(jié)8、中間指 節(jié)9和末端指節(jié)10)以及三個關(guān)節(jié)(即基關(guān)節(jié)5、中間關(guān)節(jié)6和末端關(guān)節(jié)7) 構(gòu)成；機器人靈巧手的手指配置有兩個關(guān)節(jié)力矩傳感器，分別為基關(guān)節(jié)二維力
矩傳感器11 (即具體實施方式
二所述的力矩傳感器)和手指關(guān)節(jié)一維力矩傳
感器12 (即具體實施方式
三所述的力矩傳感器)，基關(guān)節(jié)二維力矩傳感器11 和手指關(guān)節(jié)一維力矩傳感器12分別置于手指的第一指節(jié)8的基關(guān)節(jié)5上和末 端指節(jié)10的末端關(guān)節(jié)7。
權(quán)利要求
1、一種具有力矩過載保護功能的機器人靈巧手關(guān)節(jié)力矩傳感器，其特征在于所述力矩傳感器由固定體(1)、彈性體(2)、加載體(3)和力矩過載保護機構(gòu)(4)組成，所述固定體(1)通過彈性體(2)與加載體(3)連接，所述力矩過載保護機構(gòu)(4)從固定體(1)的下端穿過固定體(1)，且所述力矩過載保護機構(gòu)(4)穿出端的頂端面與加載體(3)的相對應(yīng)端面之間留有間隙，或所述力矩過載保護機構(gòu)(4)從加載體(3)的上端穿過加載體(3)，且所述力矩過載保護機構(gòu)(4)穿出端的頂端面與固定體(1)的相對應(yīng)端面之間留有間隙。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有力矩過載保護功能的機器人靈巧手的基關(guān) 節(jié)二維力矩傳感器，其特征在于所述固定體(1)由第一圓環(huán)體(1-1)、第 二圓環(huán)體(1-2)、兩個過渡板(1-3)和中間板(1-4)構(gòu)成，所述中間板(1-4) 水平設(shè)置，第一圓環(huán)體(1-1)和第二圓環(huán)體(1-2)垂直設(shè)置且二者同軸，第 一圓環(huán)體(1-1)的上端面和第二圓環(huán)體(1-2)的上端面分別通過過渡板(1-3) 與中間板(1-4)的兩端固接，所述中間板(1-4)的上端面上設(shè)有凸臺(1-4-1)， 所述加載體(3)的外形為四框體；所述彈性體(2)由四框形芯體(2-1)和 四個桿件(2-2)構(gòu)成，四框形芯體(2-1)水平設(shè)置在加載體(3)內(nèi)，所述 四個桿件(2-2)均布水平設(shè)置在四框形芯體(2-1)和加載體(3)之間，加 載體(3)和四框形芯體(2-1)通過四個桿件(2-2)連接，所述四框形芯體(2-1)和四個桿件(2-2)形成十字形，所述加載體(3)兩側(cè)的下端設(shè)有楔 形凸臺(3-1)，所述楔形凸臺(3-1)的斜面與過渡板(1-3)平行；所述加載 體(3)位于固定體(1)的上方，所述四框形芯體(2-1)套裝在固定體(1) 上設(shè)有的凸臺(1-4-1)上，所述力矩過載保護機構(gòu)(4)由兩個螺釘(4-1)構(gòu) 成，每個過渡板(1-3)上開有螺孔(1-3-1)，所述每個螺釘(4-1)的一端穿 出相應(yīng)的螺孔(1-3-1)，所述每個螺釘(4-1)的穿出端的頂端面與加載體(3) 上的楔形凸臺(3-1)的斜面之間的距離為L1。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有力矩過載保護功能的機器人靈巧手手指關(guān) 節(jié)一維力矩傳感器，其特征在于所述固定體(1)由兩個夾板(1-5)和彈性 體連接板(1-6)構(gòu)成，所述兩個夾板(1-5)相對垂直設(shè)置且同軸，所述彈性體連接板(1-6)水平設(shè)置，兩個夾板(1-5)的上端平面通過彈性體連接板(1-6) 連接，所述兩個夾板(1-5)分別開有通孔(1-5-1);加載體(3)的外形輪廓 與指尖的輪廓形狀一致；所述彈性體(2)是截面為矩形的四棱柱體；所述力 矩過載保護機構(gòu)(4)由兩個螺釘(4-1)構(gòu)成；所述彈性體連接板(1-6)沿 長度方向均布開有兩個螺孔(1-6-1)，所述加載體(3)位于固定體(1)的上 方，所述彈性體(2)位于加載體(3)和固定體(1)之間且與二者固接，所 述每個螺釘(4-1)的一端穿出相應(yīng)的螺孔(1-6-1)，且所述每個螺釘(4-1) 的穿出端的頂端面與加載體(3)的下端面之間的距離為L2。
全文摘要
具有力矩過載保護功能的機器人靈巧手關(guān)節(jié)力矩傳感器，本發(fā)明涉及一種關(guān)節(jié)力矩傳感器。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的關(guān)節(jié)力矩傳感器的過載保護機構(gòu)存在加工裝配工藝復(fù)雜、要求較高的機械加工精度、無法實現(xiàn)在線調(diào)整間隙、難以實現(xiàn)精確的過載保護等問題。所述固定體通過彈性體與加載體連接，所述力矩過載保護機構(gòu)從固定體的下端穿過固定體，且所述力矩過載保護機構(gòu)穿出端的頂端面與加載體的相對應(yīng)端面之間留有間隙，或所述力矩過載保護機構(gòu)從加載體的上端穿過加載體，且所述力矩過載保護機構(gòu)穿出端的頂端面與固定體的相對應(yīng)端面之間留有間隙。本發(fā)明中所述的力矩過載保護機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在線間隙的調(diào)整，而且具有間隙調(diào)整方便、能夠?qū)崿F(xiàn)精確的力矩保護等優(yōu)點。
文檔編號G01L3/00GK101337355SQ20081013702
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月29日
發(fā)明者宏 劉, 劉伊威, 捷 王, 趙京東 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)