一种机器人关节用压电六维力传感器及其测量方法与流程

本发明涉及传感器及其监测领域，特别涉及机器人关节用压电六维力传感器及其测量方法。

背景技术：

压电传感器作为现代测量技术中关键环节，其性能好坏直接决定了整个测试系统的精度。几乎所有类型的压电传感器在使用时都必须进行预载，进行电荷消除和减小间隙。现有的压电六维力传感器多采用螺钉预紧或者压板-螺钉预紧的方式实现，这种方式主要利用螺钉产生预紧力，结构简单，预紧力大小可调，但在一定使用时间之后螺钉松动会带来预紧力的变化，产生测试误差。如何保证压电传感器预紧力大小可靠是提高传感器测试精度的关键问题所在。

中国专利cn1263259公开的整体预紧平台式六维力传感器，其结构是在传统斯图尔特平台结构的上、下平台之间，增设一个中间预紧支路，利用该预紧支路拉紧上、下平台，对传感器进行整体预紧，同时预紧各球副，消除间隙，提高传感器的整体刚度，然而整个结构通过中间预紧支路预紧封闭，所需预紧力较大，且预紧支路结构较为复杂，很难保证其只承受沿轴线方向的作用力，使得测量精度受到影响。

专利cn203191135u公开的一种轮辐式并联压电六维力传感器，其结构采用轮辐式结构，八支撑点测量方式，力敏元件采取菱形布局和方形布局相结合的形式实现空间六维力测量，采取螺钉预紧方式消除传感器上下盖之间与力敏元件的接触间隙提高传感器整体刚度，该结构传感器预紧力大小受到螺钉刚度的限制，并且随着使用寿命的增加，预紧的可靠性逐渐减弱，传感器的测量精度受到影响。

专利cn104280163b公开了一种压电传感器预紧装置，预紧装置由受力块、上下三维力传感器、螺栓、螺母、上下压块以及多个t型槽螺母组成。隔绝了弹性预紧件与受力块的直接接触从而消除了预紧力变化引起的干扰，提高了测量精度的准确性，但传感器空间布局大，使用条件受限。

专利cn1032395公开了一种压电石英刀杆式三向车削测力仪，其结构为高刚度弹性刀杆式，采用两个弹性半环夹紧测力晶组实现三向力测量，该测力仪只能测量三向力，空间六维力测量无法实现，并且其结构为长刀杆型，应用环境存在局限性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是机器人关节用压电六维力传感器及其测量方法，技术性能好，工作可靠，测试精度准确性高，可靠性高。

本发明采取如下技术手段实现发明的目的：

一种机器人关节用压电六维力传感器及其测量方法，包括传感器基体（2），上密封板（1），下密封板（3），力敏元件（4），所述传感器基体（2）开有中心通孔一（7），四个同圆均布的螺纹通孔一（9），四个同圆均布的螺纹通孔二（8）以及四个弹性环（10），所述弹性环（10）外侧开有螺纹孔三（14）和导线槽（12），所述弹性环（10）内侧开有螺纹孔四（11），所述导线槽（12）外侧开有导线螺纹孔（13），所述导线螺纹孔（13）安装有导线转接头（18），所述上密封板（1）开有中心通孔二（15），四个同圆均布的通孔三（17）以及四个同圆均布的通孔四（16），所述下密封板（3）结构与上密封板（1）一致，通过电子束方式焊接在传感器基体（2）上，达到密封效果，传感器结构上下对称，左右对称，所述机器人关节用压电六维力传感器使用时可正反安装在机器人夹持器和小臂之间，所述传感器基体（2）可以是圆形结构，也可以是方形结构，所述力敏元件（4）包括两个调整垫片（19），五片电极片（20）以及六片石英晶片（21），所述力敏元件（4）安装在弹性环（10）内，通过弹性环（10）施加预紧力，可调节弹性环（10）的宽度和力敏元件（4）中调整垫片（19）的厚度实现不同力值大小的预紧力，预紧螺栓（5）安装在螺纹孔三（14）和螺纹孔四（11）上，实现预紧力的微调。

作为对本技术方案的进一步限定，所述的机器人关节用压电六维力传感器及其测量方法，所述力敏元件包括s1、s2、s3、s4共四组力敏元件，所述传感器的全局坐标系为xoy，s1、s2、s3、s4四组力敏元件的局部坐标系分别为x1o1y1、x2o2y2、x3o3y3、x4o4y4，四组力敏元件均可测量空间三维力，其测量原理映射关系表达式为：

式中，fxi，fyi，fzi表示力敏元件si所测得的各向力值（i=1,2,3,4），r为力敏元件中心到传感器中心的投影距离，当传感器反装时测量结果取负号。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果为：本发明所述的机器人关节用压电六维力传感器及其测量方法具有静态和动态特性好，制造成本低，刚度高等优点，传感器可正反安装在机器人夹持器和小臂之间，均可达到测量要求，传感器主要依靠过盈装配产生的压力实现力敏元件预紧，再依靠预紧螺钉实现精确微调，预紧效果良好，稳定可靠，不易产生松动。针对机器人关节部位使用时结构简单合理，测试精度高。

附图说明

图1为机器人关节用压电六维力传感器结构剖视图。

图2为传感器基体结构示意图。

图3为机器人关节用压电六维力传感器装配示意图。

图4为传感器上密封板示意图。

图5为力敏元件结构示意图。

图6为传感器全局坐标系和力敏元件局部坐标系示意图

图中：1-上密封板，2-传感器基体，3-下密封板，4-力敏元件，5-预紧螺栓，6-导线，7-中心通孔一，8-螺纹通孔二，9-螺纹通孔一，10-弹性环，11-螺纹孔四，12-导线槽，13-导线螺纹孔，14-螺纹孔三，15-中心通孔二，16-通孔四，17-通孔三，18-导线转接头，19-调整垫片，20-电极片，21-石英晶片。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步详细描述，参见图1-图6，本发明包括传感器基体（2），上密封板（1），下密封板（3），力敏元件（4），所述传感器基体（2）开有中心通孔一（7），四个同圆均布的螺纹通孔一（9），四个同圆均布的螺纹通孔二（8）以及四个弹性环（10），所述弹性环（10）外侧开有螺纹孔三（14）和导线槽（12），所述弹性环（10）内侧开有螺纹孔四（11），所述导线槽（12）外侧开有导线螺纹孔（13），所述导线螺纹孔（13）安装有导线转接头（18），所述上密封板（1）开有中心通孔二（15），四个同圆均布的通孔三（17）以及四个同圆均布的通孔四（16），所述下密封板（3）结构与上密封板（1）一致，所述力敏元件（4）包括两个调整垫片（19），五片电极片（20）以及六片石英晶片（21），所述力敏元件（4）安装在弹性环（10）内。

作为对本技术方案的进一步限定，所述力敏元件（4）通过弹性环（10）施加预紧力，可调节弹性环（10）的宽度和力敏元件（4）中调整垫片（19）的厚度实现不同力值大小的预紧力，预紧螺栓（5）安装在螺纹孔三（14）和螺纹孔四（11）上，实现预紧力的微调。

作为对本技术方案的进一步限定，所述下密封板（3）与上密封板（1）结构一致，通过电子束方式焊接在传感器基体（2）上，达到密封效果，传感器结构上下对称，左右对称，所述机器人关节用压电六维力传感器使用时可正反安装在机器人夹持器和小臂之间，夹持器方向通过螺纹通孔二（8）连接固定，小臂方向通过螺纹通孔一（9）连接固定，所述传感器基体（2）可以是圆形结构，也可以是方形结构。

作为对本技术方案的进一步限定，所述力敏元件包括s1、s2、s3、s4共四组力敏元件，所述传感器的全局坐标系为xoy，s1、s2、s3、s4四组力敏元件的局部坐标系分别为x1o1y1、x2o2y2、x3o3y3、x4o4y4，四组力敏元件均可测量空间三维力。其测量原理映射关系表达式为：

式中，fxi，fyi，fzi表示力敏元件si所测得的各向力值（i=1,2,3,4），r为力敏元件中心到传感器中心的投影距离。当传感器反装时测量结果取负号。本发明通过四组力敏元件进行完全解耦，来测量空间空间动态六维力，力/力矩量程范围覆盖±10n～±5000n/±0.2n·m～±350n·m，为机器人实时反馈动态力状态，测试方法操作简单。

上密封板（1）、下密封板（3）和传感器基体（2）的材料均为304不锈钢。力敏元件（4）安装时通过拉力机将弹性环（10）拉宽，按照局部坐标系放置力敏元件（4）后释放弹性环（10），依靠过盈连接产生的压力实现力敏元件（4）的预紧，再通过安装在螺纹孔三（14）和螺纹孔四（11）的预紧螺栓（5）实现预紧力微调，达到预期的准确预紧力值。当传感器受到外部载荷时，力敏元件（4）产生的电荷通过电极片（20）采集经过导线（6）输出到电荷放大器转换为电压信号，在经过信号调理和a/d数据采集卡，上传到上位机，上位机依据测量原理映射关系表达式计算得到空间力矢量的参数，并显示、记录。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加、替换，也属于本发明的保护范围。