一种空间位移传感器的制作方法

一种空间位移传感器
【技术领域】
1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种空间位移传感器。


背景技术：

2.目前在各种不同的工业企业中,比如注塑行业,铸件行业等,经常有工件等需要搬运,但目前绝大多数是采用手工作业,效率低下而且容易造成工伤。机械手不但可以实现安全操作,同时也可以提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、还可以避免人工送料、取料时因疲劳往往送料、取料不准等。位置检测系统是实现工业机械手定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。其中，位移量是最基本、最主要的几何量,位移测量技术对机械手的发展起到关键作用。
3.传统的机械手位移测量多是通过多个单自由度高精度位移测量传感器组合来实现,测量系统结构较复杂、成本高,在传感器串联安装时易引入多轴累积误差等。新型的多自由度位移测量方法是通过较少或一个位移传感器实现多自由度位移测量，目前自由度位移检测主要以激光干涉式和电容式为主，激光干涉式测量精度高、速度快、行程大，但对环境要求较高，一般要求恒温、恒湿、防震的测量环境，电容式传感器精度高、结构简单，但行程小。上述多自由度位移传感器适用范围较窄工作环境也有要求。机械手经常应用于各种场合而且工作环境复杂，需要一种位移传感器能应用到机械手上，用一个传感器实现多自由度的位移测量。


技术实现要素：

4.为解决前述问题，本发明提供了一种空间位移传感器，实现了用一个位移传感器测量多自由度的位移。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种空间位移传感器，用以测量空间位移，其特征在于，所述空间位移传感器包括安装部、弹性感知元件以及采集部，所述安装部包括固定端和移动端，所述弹性感知元件呈柱状，一端连接所述固定端，另一端连接所述移动端，所述采集部分布于所述弹性感知元件的表面和/或所述弹性感知元件内；
7.所述移动端在空间产生位置变化，使所述弹性感知元件产生形变，所述采集部采集所述弹性感知元件产生的形变，并传输至外部设备，以计算空间位移。
8.可选的，所述弹性感知元件中空，所述空间位移传感器还包括软轴，所述软轴设于所述弹性感知元件内，支撑所述弹性感知元件。
9.可选的，所述弹性感知元件和所述软轴之间设有若干保持圈，若干所述保持圈沿所述软轴的轴向间隔分布，以隔开所述弹性感知元件和所述软轴。
10.可选的，所述保持圈的截面呈圆形或三角形。
11.可选的，在所述弹性感知元件的内壁，沿所述弹性感知元件的周向设有间隔筋，以隔开所述弹性感知元件和所述软轴，所述间隔筋设有多个，多个所述间隔筋在所述弹性感知元件的长度方向间隔设置。
12.可选的，所述安装部的固定端包括第一法兰，所述第一法兰具有第一凸台，所述第一凸台伸入所述弹性感知元件的一端，所述软轴插入所述第一法兰，所述第一法兰通过螺钉固定安装于安装位置。
13.可选的，所述安装部的移动端包括第二法兰，所述第二法兰具有第二凸台，所述第二凸台伸入所述弹性感知元件的另一端，所述软轴插入所述第二法兰，所述第二法兰通过螺钉固定安装于测量位置。
14.可选的，所述采集部包括若干应变片，若干所述应变片贴设于所述弹性感知元件的表面和/或内部，所述移动端在空间产生位置变化时，所述应变片采集所述弹性感知元件的形变。
15.可选的，若干所述应变片采集的形变通过惠斯通电桥传输至外部设备，以计算空间位移。
16.可选的，所述弹性感知元件的长度方向的尺寸与截面的最大尺寸之比，大于等于10。
17.本发明具有如下有益效果：
18.本发明所提供的空间位移传感器，可以应用于平行杆驱动的机械手，取代多个分别安装在机械手曲柄驱动轴上的单自由度位移传感器，通过一个传感器实现x轴自由度、y轴自由度、z轴自由度以及以z轴为转轴的旋转自由度这四个自由度的测量，避免了单个位移传感器串联安装时引入的多轴累积误差，并且机械结构简单、制造成本低，对工作环境无特殊要求。
19.本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。
【附图说明】
20.下面结合附图对本发明作进一步说明：
21.图1为本发明实施例一的示意图；
22.图2为本发明实施例一的剖面图；
23.图3为本发明实施例一的安装示意图；
24.图4为本发明实施例一的空间位置分析示意图。
【具体实施方式】
25.下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
26.在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述
的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。
27.实施例一：
28.如图1至图3所示，本实施例提供了一种空间位移传感器，用以测量空间位移。本实施例中以测量机械手在空间产生的位置变化为例进行详细阐述。
29.空间位移传感器包括安装部、弹性感知元件3、软轴4以及采集部，弹性感知元件3呈柱状且中空，其长度方向的尺寸与截面的最大尺寸之比大于等于10。弹性感知元件3通常由非金属粘弹性橡胶类材料组成，在其他实施例中也可以是其他低成本、高弹性、低模量、小阻尼的材料，在此不做限定。本实施例中，弹性感知元件3的横截面为圆型，在其他实施例中也可以为任意其他形状，如多边形等，在此不做限定。
30.软轴4具有很大的扭转刚度和很小的弯曲刚度，设置于弹性感知元件3内，以支撑弹性感知元件3。安装部包括安装于机械手固定处的固定端和安装于机械手移动处的移动端，固定端包括第一法兰11，第一法兰11具有第一凸台12，第一凸台12伸入弹性感知元件3的一端，以实现固定端和弹性感知元件3的连接，软轴4的一端插入第一法兰11，第一法兰11通过螺钉安装于机械手固定处，即机械手的底座81；移动端包括第二法兰21，第二法兰21具有第二凸台22，第二凸台22伸入弹性感知元件3的另一端，以实现移动端和弹性感知元件3的连接，软轴4的另一端插入第二法兰21，第二法兰21通过螺钉安装于机械手移动处，即机械手的末端操作手82。第一法兰11和第二法兰21均在盘面沿轴向设置螺纹孔7，以便螺纹固定。
31.弹性感知元件3和软轴4之间设有若干隔开保持圈5，保持圈5的截面呈圆形或三角形，在此不做限定。若干保持圈5沿软轴4的轴向间隔分布，以隔开弹性感知元件3和软轴4。在各向弯曲变形时，保持圈5使弹性感知元件3和软轴4的挠度曲线形状基本吻合，并使软轴4对弹性感知元件3构成的轴向约束最小。
32.采集部分布于弹性感知元件3的表面和/或弹性感知元件3内，具体而言，采集部包括若干应变片6，当采集部分布于弹性感知元件3的表面时，若干应变片6采用粘贴的方式贴设于弹性感知元件3的内壁或外壁，也可同时在内壁和外壁贴设应变片6，在此不做限定；当采集部分布于弹性感知元件3内时，应变片6嵌入弹性感知元件3。本实施例中，空间位移传感器根据使用环境和使用需求不同，其应变片6的位置有如下几种：
33.仅在内壁贴设；仅在外壁贴设；仅在内部镶嵌；同时在内壁和外壁贴设；在内壁贴设并在内部镶嵌；在外壁贴设并在内部镶嵌；同时在内壁和外壁贴设并在内部镶嵌。本领域技术人员可根据实际使用环境、使用需求灵活选择，在此不做限定。
34.机械手的末端操作手82在空间移动带动移动端在空间产生位置变化，移动端在空间产生位置变化使弹性感知元件3产生形变，采集部，具体而言是应变片6，采集弹性感知元件3产生的形变，并通过惠斯通电桥传输至外部设备，以计算机械手在空间产生的位置变化。
35.如图4所示，空间位移传感器的移动端随末端操作手82移动而在空间产生位置变化，当末端操作手82沿x(y)方向运动时，相当于集中力fx(fy)作用在弹性感知元件3在固定端的端部，弹性感知元件3会产生弯曲变形，位移x(y)与弯曲应变一一对应，同理，当末端操作手82端绕z轴转动θz时，相当于一个扭矩t施加在弹性感知元件3，剪切应变与θz成一一对
应关系，最后，当末端操作手82沿z轴轴向压缩或拉伸时，可看作压力或拉力p作用在弹性感知元件3上，轴向位移z与轴向应变也成对应关系。通过应变片6测得弹性感知元件3的应变，以实现x-y-z-θz四个自由度的位移量的测量。另外。当空间位移传感器的移动端有多个位移共同作用时，利用应变片6不同粘贴方式对不同被测量敏感的特性，可以通不同的多应变片6布片方案及惠斯通电桥来同时实现x-y-z-θz四个自由度位移量的测量，而片方案及惠斯通电桥，均为本领域技术人员所公知的现有技术，在此不再赘述。
36.本实施例所提供的空间位移传感器，应用于平行杆驱动的机械手，实现了用一个位移传感器测量多个自由度的位移，而非现有技术中机械手每个一维角位移关节都需配置一个转动编码器，末端的位置由来自各编码器的信号计算而定，取代多个分别安装在机械手曲柄驱动轴上的单自由度位移传感器，通过一个传感器实现x轴自由度、y轴自由度、z轴自由度以及以z轴为转轴的旋转自由度这四个自由度的测量，避免了单个位移传感器串联安装时引入的多轴累积误差，并且机械结构简单、制造成本低，对工作环境无特殊要求。
37.实施例二
38.本实施例提供了一种空间位移传感器，与实施例一不同的是，本实施例所提供的空间位移传感器的弹性感知元件3为实心，或截面如蜂窝夹层的其他结构，在此不做限定。
39.基于弹性感知元件3的内部结构，本实施例所提供的空间位移传感器不设置软轴，因此，同样不设置保持圈。并且，本实施例中，应变片6的位置有如下几种：
40.仅在外壁贴设；仅在内部镶嵌；在外壁贴设并在内部镶嵌。本领域技术人员可根据实际使用环境、使用需求灵活选择，在此不做限定。
41.实施例三
42.本实施例提供了一种空间位移传感器，与实施例一不同的是，本实施例所提供的空间位移传感器中，在其弹性感知元件3的内壁，沿弹性感知元件3的周向设有间隔筋，以隔开弹性感知元件3和软轴4，在各向弯曲变形时，间隔筋使弹性感知元件3和软轴4的挠度曲线形状基本吻合，并使软轴4对弹性感知元件3构成的轴向约束最小。
43.本实施例中，间隔筋设有多个，多个间隔筋在弹性感知元件3的长度方向间隔设置。
44.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。