Датчик с шестью степенями свободы

 

1. ДАТЧИК С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ для преобразования сил и моментов в электрические сигналы , прикладываемых к подвижному элементу, содержащий корпус, силовводящий элемент, преобразователи перемещения в электрические сигналы и узел регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, преобразователи перемещения в электрический сигнал размещены в жестком цилиндри ческом кожзгхе и выполнены в виде восьми конденсаторов, неподвижные обкладки которых выполнены в виде двух металлических полуцилиндрических пластин, расположенных под равными угламиИ закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру на равных расстояниях одна от другой вдоль общей оси по четьфе в каждой группе металлических пластин, расположенных диаметрально противоположно парами и закрепленных на цилиндрическом корпусе, жестко связанном с силовводящим элементом и расположенном внутри кожуха, установленного на корпусе с помощью упругих прокладок, выполненных в виде тороидальных колец из эластомерного материала, размещенных в кольцевых канавках, расположенных на торцовых и боковой поверхностях корпуса, на торцах корпуса выполнен по меньщей мере один радиальный а выступ, размещенный в канавке кожуха с возможностью ограничения угло (Л вых перемещений кожуха относительно корпуса, а на торцах кожуха устаноБлены кольцевые ограничительные прокладки, обращенные к соответствующей торцовой поверхности корпуса и взаимодействующие с упругими проо эо кладками с возможностью ограничения осевьк перемещений кожуха относитель э :л со но корпуса, а узел регистрации выполнен в виде управляемого генератора, к которому подключены восемь преобразователей напряжения в частоту, каждый из которых подсоединен к соответствующему конденсатору, и средств обработки сигналов преобразователей напряжения. 2. Датчик ПОП.1, отличающийся тем, что торец кожуха, противоположный силовводящему элемен ту, снабжен средством для соединения с рабочим инструментом.

СОЮЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) au1) G 01 1 5/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3257579/18-10 (22) 06.03.81 (3 1) 67359-А/80 (32) 07.03.80 (33) Италия (46) 23.03.84. Бюл. У 11 (72) Джорджо Вентурелло и Освальдо

Сальваторе (Италия) (71) Чентро Ричерке Фиат С.п.А. (Италия) (53) 531 ° 781 (088 ° 8) (56) 1. Патент США 9 3948093, кл. G 01 L 5/16, 1976.

2. Патент Великобритании

Ф 1470352,кл. G 01 L 5/16, 1977 (прототип). (54)(57) 1. ДАТЧИК С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯ-, ИИ СВОБОДЫ для преобразования сил и моментов в электрические сигналы, прикладываемых к подвижному элементу, содержащий корпус, силовводящий элемент, преобразователи перемещения в электрические сигкалы и узел регистрации, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьппения надежности, преобразователи перемещения в электрический сигнал размещены в жестком цилиндри ческом кожухе и выполнены в виде восьми конденсаторов, неподвижные обкладки которых выполнены в виде двух металлических полуцилиндрических пластин, расположенных под равными углами и закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру на равных расстояниях одна от другой вдоль общей оси по четыре в каждой группе металлических пластин, расположенных диаметрально противоположно парами и закрепленных на цилиндрическом корпусе, жестко связанном с силовводящим элементом и расположенном внутри кожуха, установленного на корпусе с помощью упругих прокладок, выполненных в виде тороидальных.колец из эластомерного материала, размещенных в кольцевых канавках, расположенных на торцовых и боковой поверхностях корпуса, на торцах корпуса выполнен по меньшей мере один радиальный выступ, размещенный в канавке кожуха с возможностью ограничения угловых перемещений кожуха относительно корпуса, а на торцах кожуха установлены кольцевые ограничительные прокладки, обращенные к соответствующей торцовой поверхности корпуса и взаимодействующие с упругими прокладками с возможностью ограничения осевых перемещений кожуха относительно корпуса, а узел регистрации выполнен в виде управляемого генератора, к которому подключены восемь преобразователей напряжения в частоту, каждый из которых подсоединен к соответствующему конденсатору, и средств обработки сигналов преобразователей напряжения.

2. Датчик по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что торец кожуха, противоположный силовводящему элемен ту, снабжен средством для соединения с рабочим инструментом.

1082337

20

S0

Изобретение относится к силоизмерительной технике, в частности к датчику с шестью степенями свободы, предназначенному для преобразования усилий и моментов . прикладываемых к подвижной детали, а именно к подвижной.руке робота, в электрические сигналы.

Известны датчики с шестью степенями свободы, содержащие взаимосвязанные между собой модули, каждый из которых представляет собой брус с тонкой перемычкой. Блочный принцип построения позволяет собирать из модулей датчики для измерения усилий с желаемым числом степеней свободы Ц.

Однако зти датчики обладают недостаточной надежностью ввиду их сложности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения сил и моментов, передаваемых захватами манипулятора, содержащее фотоэлектрические чувствительные датчики, обеспечивающие измерение сил и моментов по шести степеням свободы (2) .

Однако известное устройство ввиду сложности конструкции и большой чувствительности к изменениям условий окружающей среды обладает невысокой надежностью.

Целью изобретения является повышение надежности.

Указанная цель достигается тем, что в датчике с шестью степенями свободы для преобразования сил и моментов в электрические сигналы, прикладываемых к подвижному элементу, содержащем корпус, силовводящий элемент, преобразователи переме щения в электрические сигналы и узел регистрации, преобразователи перемещения в электрический сигнал размещены в жестком цилиндрическом кожухе и выполнены в виде восьми конденсаторов, неподвижные обкладки которых выполнены в виде двух металлических полуцилиндрических пластин, расположенных под равными углами и закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру на равных расстояниях одна от другой вдоль общей оси по четыре в каждой группе метал. лических пластин, расположенных диаметрально противоположно парами и закрепленных на цилиндрическом корпусе, жестко связанном с силовводящим элементом и расположенном внутри кожуха, установленного на корпусе с помощью упругих прокладок, выполненных в виде тороидальных колец из эластомерного материала, размещенных в кольцевых канавках, расположенных на торцовых и боковой поверхностях корпуса, на торцах корпуса выполнен по меньшей мере один радиальный выступ, размещенный в канавке кожуха с возможностью. ограничения угловых перемещений кожуха относительно корпуса, а на торцах кожуха установлены кольцевые ограничительные прокладки, обращенные к соответствующей торцовой поверхности корпуса и взаимодействующие с упругими прокладками с возможностью ограничения осевых перемещений кожуха относительно корпуса, а узел регистрации выполнен в виде управляемого генератора, к которому подключены восемь преобразователей напряжения в частоту, каждый из которых подсоединен к соответствующему конденсатору, и средств обработки сигналов преобразователей напряжения.

Кроме того, торец кожуха, проти1 воположный силовводящему элементу, снабжен средством для соединения с рабочим инструментом.

На фиг. 1 изображен датчик, вид в перспективе, на фиг.2 — то же, продольное сечение, на фиг.3 — цилиндрический корпус датчика, вид в перспективе, на фиг.4 — сечение А-А на фиг.2, на фиг.5 — сечение Б-Б на фиг.2, на фиг.б — сечение В-В на фиг.2, на фиг.7 — сечение Г-Г на фиг.5, на фиг.8 — электрическая схема датчика.

Датчик 1 имеет шесть степеней свободы и подсоединяется к одному концу подвижной детали 2, представляющей, например, подвижную руку робота. Датчик содержит жесткий корпус 3 цилиндрической формы, располагаемый внутри жесткого кожуха 4, имеющего цилиндрическую внутреннюю поверхность. Корпус 3 содержит полый цилиндрический элемент 5, внутренняя поверхность которого имеет нарезку на конце, обращенном к руке 2 робота.

82337 з 10

Нижняя часть боковой поверхности цилиндрического соединительного элемента 6, предназначенного для подсое динения корпуса 3 к концу руки 2 робота, имеет резьбу и входит в зацепление с соответствующей резьбовой частью полого цилиндрического элемента 5.

Соединительный элемент 6 для подсоединения корпуса 3 к концу руки

2 робота имеет цилиндрическую форму и нижняя часть его боковой поверхности имеет резьбу и входит в зацепление с соответствующей резьбовой частью полого цилиндрического элемента 5. Соединительный элемент 6 снабжен кольцевым фланцем 6с1, который служит в качестве торцового ограничителя для верхнего края полого цилиндрического элемента 5.

Кольцевой элемент 7 закреплен на конце подвижной руки 2 при помощи болтов 8 и снабжен осевой цилиндрической камерой, содержащей первую и вторую соосные цилиндрические части 9ц и 9 Ь через которые проходит соединительный элемент 6. Торцовая часть 6Ь элемента 6 частично имеет резьбу для сочленения с гайкой 10, которая служит для подсоединения элемента 6 к кольцевому элементу 7.

Соединительный элемент 6 снабжен осевым отверстием 6 с и парой, расположенных друг против друга, радиальных отверстий 6 d которые служат в качестве посадочных мест для двух поперечных пальцев 11, концы которых выступают в радиальном направ лении наружу из отверстий бд .

Боковая поверхность полого цилиндрического элемента 5 содержит первую и вторую осевые части, каждая из которых снабжена четырьмя располагаемыми под равными углами металлическими пластинами 12, размещаемыми диаметрально противополож- но и парах (фиг.3 и 4) . Между двумя соседними металлическими пласти.;нами 12 предусмотрен палец 13,удерживаемый полым цилиндрическим элементом 5 для облегчения установки металлических пластин 12 на боковой поверхности полого цилиндрического элемента 5 во время сборки.

Пальцы 13 могут быть металлическими, в этом случае их боковые поверхности покрываются тонким слоем

55 электроизоляционного материала,получаемого, например, при помощи оксидирования.

Поверхность полого цилиндрического корпуса 5 снабжена тремя кольцевыми канавками 14, в которых расположены соответствующие тороидальные кольца 15 из эластомерного материала, которые взаимодействуют с внутренней поверхностью кожуха 4 и служат в качестве упругих распорных элементов. Полый цилиндрический элемент 5 также имеет кольцевую канавку 16 в нижней торцовой поверхности, в которой размещено тоРоидальное кольцо 17 иэ. эластомерного материала. Верхняя поверхность кольцевого фланца 6а соединительного элемента 6 также снабжена кольцевой канавкой 18, в которой размещено тороидальное кольцо 19 из эластомерного материала.

Стенка полого цилиндрического элемента 5 снабжена в соответствии с каждой из металлических пластин

12 отверстием 20, через которое проходит соответствующий электрический проводник 21, один конец которого припаивается к соответствующей металлической пластине 12.

Проводники 21 проходят через отверстия 6С соединительного элемента

6 и отверстие 2а на торце подвижного рычага 2. Полый цилиндрический корпус 5 имеет цилиндрический торцовый выступ 5о снабженный диаметральным отверстием 5b в котором расположен палец 22, концы которого выступают в радиальном направлении наружу из выступа 5о.

Полый цилиндрический элемент 5 может быть изготовлен из электроизоляционного материала, имеющего значительную механическую прочность.

Кожух 4 содержит цилиндрическую втулку 23, к концам которой подсоединены при помощи болтов 24 и 25 соответствующие закрывающие элементы

26 и 27 (фиг.2). Закрывающий элемент 26 имеет круглое цилиндрическое отверстие 28 (фиг.5), через которое проходит соединительный элемент 6. По сторонам отверстия 28 выполнены две диаметрально противоположные канавки 28 о1 в которые выступают концы пальцев 11, установленных на соединительном элементе,б.

Кольцевая ограничительная прокладка 29 расположена вокруг соеди1082337

Электрический проводник 33

50 (фиг.7) подсоединен с каждой из пластин 32. Каждый проводник 33 выходит иэ кожуха 4 через соответствующее отверстие 34 (фиг.5 и 7) закрывающего элемента 26 кожуха 4. Кожух

4, образованный втулкой 23 и закрывающими элементами 26 и 27, упруго подвешен на корпусе 3 (образованном нительного элемента 6 над фланцеы

6 4 Нижняя поверхность прокладки

29 взаимодействует с . тороидальным кольцом 19, служащим в качестве упругого распорного элемента.

Кольцевая ограничительная прокладка 30 расположена вокруг нижнего выс тупа 5g полого цилиндрического корпуса 5 и опирается на закрывающий ,элемент 27. Верхняя поверхность 50 прокладки 30 взаимодействует с тороидальиым кольцом 17, располагаемым на нижнем конце полого цилиндрического корпуса 5 и служащим в качестве упругого распорного элемента. 15

Нижний закрывающий элемент 27 снабжен осевой цилиндрической камерой 31 (фиг.6), состоящей из двух частей. Цилиндрический выступ 5а полого цилиндрического элемента 5 проходит в первую часть камеры 3 1.

Стенка этой первой части камеры 31 сделана с двумя диаметрально противоположными канавками 3 1а, в которые выступают концы пальца 22, 25 установленного на нижнем конце полого цилиндрического корпуса 5, Вторая цилиндрическая часть 316 (фиг.2) и боковая поверхность закрывающего элемента 27 выполнены с резь- g0 бой.

Внутренняя поверхность втулки 23 снабжена двумя полуцилиндрическими металлическими пластинами 32, расположенными под равными углами по отношению друг к другу и напротив пластин 12, удерживаемых на полом цилиндрическом корпусе 5 таким образом, что между ними образовывается узкое пространство и получается 40 восемь конденсаторов, емкость которых зависит от положения пластин

32 кожуха 4 по отношению к пластинам

12 корпуса 3. Втулка 23 может быть изготовлена иэ электроизоляционного материала, обладающего большой механической прочностью. Для экранирова-. ния внешняя поверхность втулки может быть покрыта проводящим материалом. полым цилиндрическим корпусом 5 и соединительным элементом 6) при помощи тороидальных колец !5, 17 и 19.

Кожух 4 может осуществлять ограниченные перемещения с шестью степенями свободы по отношению к корпусу 3.

Прокладки 29 и 30 соответственно взаимодействуют с тороидальными кольцами 19 и 17 для ограничения осевых перемещений кожуха 4 по отношению к корпусу 3. Концы пальцев

1I1 и 22, которые входят с зазором в канавки 28 и 31с! соответственно, ограничивают угловые перемещения кожуха 4 по отношению к корпусу 3.

Деиствие сил или моментов, прикладываемых во время работы к подвижному рычагу 2 при помощи датчика 1, преобразуется в изменения емкости восьми конденсаторов.

Узел регистрации (фиг.8) подсое. динен к пластинам 12 корпуса 3 н к пластинам 32 кожуха 4 для измерения во время работы величин емкости каждого из конденсаторов и для обеспечения на основе такого замера электрических сигналов, показывающих силы и моменты, прикладываемые к подвижной детали, представляющей подвижную руку 2 робота. Пластины

12а, 12ь, 12с, 123, 12е, 12f, 12 и

12h установлены на корпусе 3, а пластины 32 а и 32 b установлены на кожухе 4.

На фиг.8 введена система ортогональных декартовых координат 0XYZ, ось Z которой совпадает с осью концентрических цилиндрических поверхностей, часть которых образуют плас тины 12 и 32, ось Х направлена перпендикулярно к двум соответствующим парам противоположных пластин и проходит через центр этих пластин, а ось Y направлена перпендикулярно к оси Z и к оси Х. Пластины 32с1 и

32Ь обе заземпяются.

Восемь преобразователей 35-42 напряже" ния в частоту управляются от одного общего генератора 43.

Каждый из преобразователей 35-42 напряжения в частоту подсоединен к конденсатору, образованному одной из пластин 12 и обращенной к ней соответствующей пластиной 32. Преобразователи 35-42 обеспечивают на выходе сигнал напряжения, амплитуда которого пропорциональна емкости

1082337

1 4 5 8 показывает относительное перемещение кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 вследствие приложения силы, действующей вдоль оси Х.

Аналогично можно определить, что 35 величина

2 3 (6 7

40 показывает величину перемещения кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 под действием силы, действующей вдоль оси Y.

Кроме того, величины

45 (V> V ) (Чб Ч7) (v -v ) — (v -v )

1 I 5 8 показывают величину относительного поворота кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 под действием моментов, действующих соответственно вокруг оси Х и вокруг оси Y.

Если к кожуху 4 приложена некоторая сила, параллельная оси Z, например в положительном направлении этой оси, то ее действие приводит к осевому перемещению пластины 32

55 соответствующего конденсатора, к ко торому они соответственно подключаются. Выходные напряжения преобразователей 35-42 обозначены соответственно Ч1, Ч,...,Ч8 .

Предположим, что к кожуху 4 приложена сила, направленная в отрицательном. направлении вдоль оси Х (фиг.8). Эта сила вызывает перемещение кожуха 4 по отношению к внутрен- 10 нему корпусу 3 таким образом, что расстояние между пластинами 12д, 124 и 32с уменьшается, в то время как расстояние между пластинами 12b

12 d. и 32 о.увеличивается ° Соответ- 15 ственно емкость конденсаторов, образованных пластинами 12, 123 и

32 0 увеличивается, в то время как емкость конденсаторов, образованных пластинами 12а, 12с и 32Ь. уменьша- 20 ется. Следовательно, напряжения

Ч1 и V 5 создаваемые на выходах

У преобразователей 35 и 39 соответственно, увеличиваются, а напряжения

V4 И Ч8, создаваемые соответст- 25 венно на выходах преобразователей

38 и 42, уменьшаются. Поэтому ясно, что величина по отношению к восьми пластинам 12.

Вследствие этого перемещения емкости четырех конденсаторов, образованных пластинами 12а, 12b, 12е, 121, и частями обращенных к ним пластин 320 и 32b, увеличиваются вследствие увеличения перекрывающихся поверхностей. Наоборот. емкость конденсаторов, образованных пластинами 12с, 12, 12, 124 и обращенными к ним частями пластин 32с1 и

32b уменьшается вследствие уменьшения перекрывающейся области поверхности этих пластин.

С другой стороны, если сила, действующая на кожух 4, направлена параллельно оси Z, но в отрицательном направлении, то емкости конденсаторов, содержащих пластины 12с, 123, 12ф и 121, увеличиваются, а емкости конденсаторов, содержащих пластины 12п, 12b, 12f и 12Е умень— шаются.

Когда направление силы, действующей на кожух 4, параллельно оси Z величина (например) (ч- )+(V,,ч8)

1 показывает величину и направление относительного перемещения между кожухом 4 и внутренним корпусом 3 вдоль оси Z вследствие приложения силы, действующей на кожух 4 параллельно оси Z, и таким образом, эта величина также показывает величину и направление этой силы.

Очевидно, что, с целью выяснения отношения между изменением емкости . восьми конденсаторов и величиной и направлением силы, действующей параллельно оси Z, необходимо, чтобы окружности, соответственно ограничиваемые верхними кромками пластин

12п, 12Ъ, 12е, 12 f и нижними кромками пластин 12с, 12), 12Я; l 2h лежали в соответствующих плоскостях, которые не пересекают пластины 32а и 32Ъ.

Если момент, действующий вокруг оси Z, например, в направлении против часовой стрелки, приложен к кожуху, то вследствие действия этого момента емкость конденсаторов,содержащих пластины 129, 12, 12О и

1211 уменьшается в результате уменьшения площадей частей пластин 32о и 32b которые перекрывают эти пластины. Наоборот, емкости конден1082337 саторов, содержащих пластины f 2g, 32$, 32e и 12/ увеличиваются вследствие увеличения площадей их перекрытия с пластинами 32а и 32b

В случае момента, действующего на кожух 4 вокруг оси Z в направ-лении по часовой стрелке, увеличения и уменьшения емкостей конденсаторов обратны по отношению к случаю, описанному для момента,действующего против часовой стрелки.

В каждом из этих случаев величина (Ч4 Ч2) + (Чй Чз)

I показывает величину и направление относительного вращения между кожухом 4 и внутренним корпусом 3 вследствие приложения к кожуху 4 момента, действующего вокруг оси Z, и поэтому эта величина дает информацию как о величине, так и о направлении этого момента.

Действительно, чтобы однозначно представить отношение. между мгновенными значениями емкостей конденсаторов и величиной и направлением сил, действующий на кожух 4, необходимо, чтобы каждая из пластин l2 установленных на внутреннем корпусе 3, ни в коем случае не перекрывалась одновременно обеими пластинами 32, установленными на кожухе

4. Такая ситуация предотвращается именно йаличием пальцев 11 и 22 (фиг.5 и 6). Вследствие того, что эти пальцы могут вращаться с ограниченным люфтом в соответствующих канавках 28д и 31 g они ограничивают угловые перемещения кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3.

На фиг.8 показаны средства 44 обработки сигналов, генерируемых преобразователями 35-42, и показывающих составляющие сил и моментов вдоль осей Х, Y и Z, прикладываемых к кожуху 4 и, следовательно, передаваемых к руке 2 при помощи внутреннего корпуса 3.

Средства обработки сигналов преобразователей напряжения 44 содержат, например, дифференциальные усилители 45-54 и четыре аналоговые суммирующие схемы 55-58. Соединения между входами дифференциальных уси5 лителей 45-52 и выходами преобразователей 35-42, так же как соединения между этими дифференциальными усилителями и суммирующими схемами 55-58 образуют схему, эквивалентную шести приведенным отношениям между напряжениями, обеспечиваемыми на выходах преобразователей 35 — 42, и составляющими вдоль осей Х, Y Z сил и моментов, прикладываемых к кожуху 4

15 и передаваемых к подвижной руке 2 при помощи внутреннего корпуса 3.

В частности, на выходных зажимах суммирующих схем 55, 5б и 57 существуют при работе соответствующие сиг.налы напряжения, показывающие составляющие вдоль осей Х, Y Z соот ветственно cHlI прикладываемых к кожуху 4.

На выходных зажимах дифферен—

25 циальных усилителей 53, 54 и суммирующей схемы 58 существуют при работе соответствующие сигналы напряжения, показывающие составляющие вдоль осей Х, Y, Z соответственно моментов, прикладываемых к кожуху 4.

Предлагаемое устройство может представлять рукоятку для ручного управления подвижной рукой 2 робота в период обучения. В этом случае сигналы, обеспечиваемые на выходе средств обработки сигналов 44, могут использоваться центральным процессором робота для минимизировання сил и моментов, прикладываемых к рукоятке для того, чтобы рука робота проходила в пространстве определенный путь, по которому она будет перемещаться впоследствии при работе самого робота.

4> К нижнему концу кожуха 4 предлагаемого устройства может подсоединяться рабочий инструмент, и в этом случае устройство работает как чувствительное запястье, способное определять напряжения, которым подвергается рабочий инструмент во время работы.

1082337

Фиг f

1082337

Фиг. 2

1082337

108233 1

1082337

BHHHIIH Заказ 1589/55 Тираж 823 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Узгород, ул.Проектная, 4