專利名稱：用于工業(yè)機(jī)器人的多dof傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)機(jī)器人的多DOF傳感器，該機(jī)器人具有至少兩個D0F，該 多DOF傳感器被布置用于感測至少一個力D0F。DOF是自由度的縮寫。
背景技術(shù)：
工業(yè)機(jī)器人通常需要對機(jī)器人的節(jié)點中出現(xiàn)的力和力矩進(jìn)行控制。這樣的控制包 括測量需要傳感器的力和力矩。由于待測量的力通常位于與傳感器相距一段距離處，所以 通常根據(jù)來自傳感器的力矩和力測量信號來計算這些力。這意味著傳感器通常需要比待測 量DOF的數(shù)目更多的D0F。在特定應(yīng)用中將需要多少DOF依賴于需要測量多少DOF和傳感 器的放置。關(guān)于機(jī)器人的DOF數(shù)目也將有約束。在一般情況下，當(dāng)使用六個DOF的機(jī)器人 時，使用能夠感測三個力DOF和三個力矩DOF的六個DOF的傳感器。因此，已經(jīng)出于這一目的開發(fā)了各種多DOF傳感器?？梢岳缭谝韵鹿_文獻(xiàn)中 發(fā)現(xiàn)關(guān)于這樣的傳感器的例子。EP 1218652688公開了一種具有多軸力感測功能的力傳感器芯片。該力傳感器芯 片包括基部構(gòu)件，該構(gòu)件具有操作部分，其具有外力施加區(qū)；支撐部分，用于支撐操作部 分；連接部分，用于連接操作部分和支撐部分；以及抗應(yīng)變元件，設(shè)置于連接部分中或者設(shè) 置于連接部分與操作部分之間的邊界內(nèi)。EP 1327870公開了用于檢測機(jī)器人的力的六軸力傳感器，其中多個連接部分具有 由形成于前表面和后表面之一上的有源層構(gòu)成的多個抗應(yīng)變器件。EP 1653208公開了一種例如用于機(jī)器人的多軸力傳感器芯片，其具有在連接部分 的變形區(qū)上提供的抗應(yīng)變器件和在作用部分的非變形區(qū)上提供的溫度補(bǔ)償器件。JP 04134231公開了一種半導(dǎo)體三軸力傳感器，該傳感器具有形成擴(kuò)散應(yīng)變計的 單晶硅板，并且通過單獨隔膜檢測X、Y軸的矩量。JP 04249728公開了一種具有配重物(counter-weight)裝配軸的半導(dǎo)體三軸力 傳感器。力傳感器的檢測臂在穿過隔膜的方向上延伸。配重物固定到裝配軸的一端。配重 物被布置成不大于力傳感器的外徑。JP 2001264198公開了一種多軸力傳感器單元(cell)，其具有與摻雜有N型雜質(zhì) 的P型擴(kuò)散區(qū)一起形成的彈性梁。JP 1223626公開了一種傳感器，其中中心和外圍支撐本體以及連接tama的梁構(gòu) 成為具有共同半導(dǎo)體材料的一個本體，并且半導(dǎo)體計量電阻埋置于該梁的支撐本體的側(cè)面 上。US 5526700公開了一種用于測量沿著正交軸(x、y和ζ)在兩個本體之間的位移 的六分量測力計，該測力計包括半導(dǎo)體襯底，該半導(dǎo)體襯底在它的表面上載有由附著到兩 個本體上的結(jié)構(gòu)支撐的多個壓電電阻器，該結(jié)構(gòu)將力和矩量變換成在襯底表面的平面中所 施加的變形分量，由此實現(xiàn)使用IC制造技術(shù)來經(jīng)濟(jì)地大量制作傳感器。
3
WO 2000023778公開了一種用于使用由微加工硅制成的廉價檢測單元來檢測移 動元件的位置檢測器，該檢測器包括微加工單片芯片，具有固定部分和受到移位的活動部 分、根據(jù)活動部分的移位受到變形的臂；電裝置，用于測量變形；在移動元件與單片芯片的 活動部分之間的耦合裝置，能夠根據(jù)活動移位來移動活動部分。WO 8808521公開了一種使用電阻器的力和距量檢測器，并且其在半導(dǎo)體襯底上具 有形成如下橋電路的元件，在該橋電路兩端的電壓被讀取以確定3d力。WO 9000735公開了一種在單個整體單元中的多維力傳感器。該傳感器具有柔性梁 和作用于傳感器上的響應(yīng)元件，這些元件給出與獨立的力的量成比例的電輸出。用于工業(yè)機(jī)器人的許多現(xiàn)有技術(shù)的多DOF傳感器制造成本高并且對擾動敏感。將 傳感器的成本保持于合理水平至關(guān)重要。在工業(yè)機(jī)器人中的多DOF高度地可靠和準(zhǔn)確也是 必要的。本發(fā)明的目的因此在于滿足這一需求，并且因此解決這一問題以提供廉價和可靠 多 D0F。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的得以實現(xiàn)是因為一種開篇說明的多DOF傳感器包括如下具體特征 它由多個單DOF傳感器構(gòu)成，每個單DOF傳感器具有與第一本體的表面連接的第一端面和 與第二本體上的表面連接的第二端面。單DOF傳感器如今獲取成本很低。這樣的傳感器也是魯棒和可靠的。其產(chǎn)生了清 楚地表示施加至傳感器的力的輸出信號。以在機(jī)械上定義良好的關(guān)系組合這樣的傳感器獲 得如下多DOF傳感器，該傳感器維持部件單DOF傳感器的準(zhǔn)確度和魯棒性。可以用各種最佳 方式組合單DOF傳感器以用于獲得各種布局并且允許關(guān)于力感測和力矩感測的各種組合。 多DOF傳感器因此解決上述問題并且滿足對應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人中的需求。根據(jù)第一替代優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器具有兩個DOF并且感測兩個力DOF或 者一個力DOF和一個力矩DOF。根據(jù)另一替代優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器具有三個D0F，其中一個、兩個或者三 個感測力DOF而其它感測力矩D0F。根據(jù)又一替代優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器具有四個D0F，其中兩個或者三個感測 力DOF而其它感測力矩D0F。根據(jù)又一替代優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器具有五個D0F，其中兩個或者三個感測 力DOF而其它感測力矩D0F。根據(jù)又一替代優(yōu)選實施方式，多DOF具有六個D0F，其中三個感測力DOF而其它感 測力矩DOF。利用上文提到的替代實施方式，多DOF傳感器可以適應(yīng)于與各種數(shù)目DOF的工業(yè) 機(jī)器人的各種應(yīng)用有關(guān)的各種需要。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器包括具有至少一個平坦表面的本體，至少 兩個單DOF傳感器以它們的相應(yīng)第一面連接到該平坦表面。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器包括具有至少一個V形部分的本體，并且一 對單DOF傳感器布置于每個所述部分中，從而該一對中的每個單DOF傳感器的第一面連接到V形部分的相應(yīng)表面。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器包括具有錐形部分的本體，并且一組三個 單DOF傳感器布置于該部分上，從而該一組中的每個單DOF傳感器的第一面連接到錐形部 分的相應(yīng)表面。緊接上文說明的實施方式代表用于布置單DOF傳感器的各種替代實施方式。各種 替代實施方式根據(jù)如何應(yīng)用多D0F、其中多少DOF分別涉及力或者力矩以及機(jī)器人的其它 操作條件而具有各種優(yōu)點。也可以用不同方式組合各種布置以便獲得多DOF傳感器的優(yōu)化總布局。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器具有如下本體，該本體具有三個在上述實 施方式中描述的那種V型部分。這樣的實施方式對于具有六個DOF的機(jī)器人中的多DOF傳感器特別地有利，并且 由此可以很準(zhǔn)確地測量三個力DOF和三個力矩D0F。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，單DOF傳感器連接到的至少一個表面彈性地布置于相應(yīng) 本體上。由此在某些種類的應(yīng)用中增加了準(zhǔn)確度。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，彈性布置的表面是膜的表面。將單DOF傳感器連接到膜 是一種獲得彈性的簡單和可靠方式。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，五個單DOF傳感器連接到作為桿的本體的相應(yīng)表面上， 所有五個所述表面位于該相應(yīng)表面上。這給出了在例如用于導(dǎo)通編程的柄部內(nèi)裝配傳感器的可能性。根據(jù)一個優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器具有與運(yùn)動耦合裝置對應(yīng)的三對單DOF傳 感器。傳統(tǒng)運(yùn)動耦合是一種用于約束六個DOF的很有效和精確裝置，并且在將這樣的運(yùn) 動耦合概念應(yīng)用于六個DOF的傳感器時，該傳感器將是最佳的。在其鏈接中僅有軸向力的六個鏈接的并聯(lián)運(yùn)動學(xué)操控器也具有在應(yīng)用于六個DOF 的傳感器時將給出最佳傳感器布局的幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器基于Delta并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)布置 為Delta耦合或者修改的Delta耦合。Delta耦合是運(yùn)動耦合布置領(lǐng)域內(nèi)的定義好的結(jié)構(gòu)并且包括三對鏈接。根據(jù)又一優(yōu)選實施方式，多DOF傳感器基于Tau并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)布置為 Tau耦合或者修改的Tau耦合。Tau耦合是運(yùn)動耦合布置領(lǐng)域內(nèi)的定義好的結(jié)構(gòu)并且包括三個鏈接簇，一簇具有 三個鏈接、一簇具有兩個鏈接而一簇具有一個鏈接。Delta耦合和Tau耦合很好地適合于應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的多DOF傳感器并且獲得緊 湊布置和簡易制造。在從屬權(quán)利要求中說明上述優(yōu)選實施方式。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種工業(yè)機(jī)器人包括根據(jù)本發(fā)明或者其任何優(yōu)選實施方 式的多DOF傳感器。利用具有本發(fā)明的多DOF傳感器的工業(yè)機(jī)器人獲得如上所述對應(yīng)優(yōu)點。將參照附圖在對本發(fā)明的工作原理及其示例例子的下文具體描述中進(jìn)一步說明
5本發(fā)明。


圖1是單DOF力傳感器的示意透視圖。圖2是在槽中的兩個單DOF力傳感器的示意透視圖。圖3是圖2的裝置的側(cè)視圖。圖4示意地圖示了在透視圖中的運(yùn)動耦合。圖5是圖4的設(shè)備的理論表示圖。圖6a是經(jīng)過圖4的部分的截面。圖6b是與圖6a類似的物理表示圖。圖7是用于六個DOF的傳感器的坐標(biāo)系。圖8圖示了有過載保護(hù)的六個DOF的傳感器。圖9和圖10是六足結(jié)構(gòu)的兩個不同的理論表示圖。圖11和圖12是Delta結(jié)構(gòu)的兩個不同的理論表示圖。圖13和圖14是Tau結(jié)構(gòu)的兩個不同的理論表示圖。圖15-圖20是修改的Delta結(jié)構(gòu)和Tau結(jié)構(gòu)的理論表示圖，其中以兩個不同方式 表示每個結(jié)構(gòu)。圖21是經(jīng)過本發(fā)明的多DOF傳感器的例子細(xì)節(jié)的截面圖。圖22是在修改的Tau結(jié)構(gòu)中的本發(fā)明的多DOF傳感器的例子細(xì)節(jié)的透視圖。圖23是根據(jù)替代例子的圖22的細(xì)節(jié)的透視圖。圖24-圖52是根據(jù)本發(fā)明的多DOF傳感器的各種例子的理論表示圖。圖53-圖57是圖24-圖52中所示一些例子的替代理論表示圖。圖58和圖59分別是圖55和圖57的物理表示圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的多DOF傳感器由多個單DOF力傳感器構(gòu)成。當(dāng)在下文中僅使用術(shù)語 傳感器時，意味著單DOF力傳感器。這樣的傳感器廣泛用于汽車應(yīng)用。首先將描述單DOF 傳感器。圖1在示意透視圖中圖示了單DOF傳感器1。通過具有第一端面2和第二端面3 的圓形板，可以簡化傳感器的形狀，其中兩個端面平行。在操作中，傳感器位于兩個元件之間，從而第一端面2連接到第一元件上的表面 并且第二端面連接到第二元件的表面。這些表面因此也平行?？梢杂酶鞣N方式(例如通過 螺絲或者通過粘合)形成傳感器1到元件的相應(yīng)表面的連接。傳感器測量兩個元件之間的 法向力、即在圖中的Z方向上的力。通常，剪切力也出現(xiàn)于元件之間、即在X和y方向上的 力。最佳性能是在針對這些剪切力的傳感器靈敏度相對于在待測量的方向上的靈敏度盡可 能小時。傳感器產(chǎn)生視這些力Fx、Fy和Fz而定的輸出信號S。圖2和圖3示意地圖示了由兩個單DOF力傳感器構(gòu)成的兩個DOF的傳感器。圖2 是其透視圖。兩個傳感器11、12在兩個DOF的傳感器在其之間操作的元件之一中布置于V形槽中。槽具有相應(yīng)傳感器11、12所附著到的兩個平坦表面31a、31b。表面以角度、相 、-父。 在圖3 (該圖是與表面31a、31b的相交線垂直的經(jīng)過兩個DOF的傳感器的截面) 中，可以看見另一元件的互補(bǔ)表面21a、21b。
在圖2和圖3中表明出現(xiàn)的力以及一般和局部坐標(biāo)系, 視槽力而定的傳感器信號可以計算為
rxi
811 a12 813
1 2 1 1
S SV.
a21 a22 a23
4H
X1y Z
IfF 其中
511= kx' Fx11 + ky.' Fy11 + kz * Fz11
512= kx Fxl 2 + ky Fy 12 + kz Fz12并且all = 0. 5 · kx
al2 = ky · sin(a 1/2)-kz · cos(a 1/2)
al3 = 0. 5 · ky · cos(a 1/2) +0. 5 · kz · sin (a 1/2)a21 = 0. 5kxa22 = ky · sin ( α 1/2) +kz · cos ( α 1/2)a23 = 0. 5 · ky · cos ( α 1/2) +kz · sin ( α 1/2)在圖4中，圖示了傳統(tǒng)運(yùn)動耦合。這樣的耦合具有一個元件和第二元件，其中 半球按120°分布附著到該一個元件的表面，并且該第二元件的表面具有與半球匹配的三 個V形槽。這代表用于三個力DOF和三個力矩DOF的六個DOF的布置。在圖5中以更理論性的方式圖示了圖4的運(yùn)動耦合用于說明原理。因此闡明具有 配合球B和六個接觸點P的三個槽G。當(dāng)形成根據(jù)本發(fā)明的六個DOF的傳感器時，每個球可以視為由兩個單DOF力傳感 器所取代，每個傳感器用于每個相應(yīng)球接觸點，這在圖6a和6b中類似地圖示。每個球接觸 點因此由每個傳感器上的區(qū)域接觸所取代。在圖6b中可見每個傳感器11、12附著到兩個元件9、10上的相應(yīng)膜8，這使耦合具
有靈活性。圖7示出了整個六個DOF的力/力矩傳感器的坐標(biāo)系和用于三個槽的坐標(biāo)系。根 據(jù)信號si 1、sl2、s21、s22、s31、s32可以按照下式計算三個力FxO、FyO和FzO以及三個力 ^E TxO, TyO 和 TzO
權(quán)利要求
一種用于工業(yè)機(jī)器人的多DOF傳感器，所述機(jī)器人具有至少兩個DOF，所述多個DOF傳感器被布置用于至少按2個DOF感測力，其中所述多個DOF傳感器由多個單DOF傳感器(1，11，12)構(gòu)成，每個單DOF傳感器具有與第一元件的第一表面(21a，21b)連接的第一端面(2)和與第二元件的表面(31a，31b)連接的第二端面(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多DOF傳感器，具有兩個D0F，感測兩個力D0F，或者一個力 DOF和一個力矩DOF。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多DOF傳感器，具有三個D0F，其中兩個或者三個感測力DOF 而其它感測力矩D0F。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多DOF傳感器，具有四個D0F，其中兩個或者三個感測力DOF 而其它感測力矩D0F。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多DOF傳感器，具有五個D0F，其中兩個或者三個感測力DOF 而其它感測力矩D0F。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多DOF傳感器，具有六個D0F，其中三個感測力DOF且三個感 測力矩DOF。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6中的任一權(quán)利要求所述的多DOF傳感器，包括具有至少一個平坦 表面的元件，至少兩個單DOF傳感器(1)以它們的相應(yīng)第一面(2)連接到所述平坦表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求2-7中的任一權(quán)利要求所述的多DOF傳感器，包括具有兩個或者三個 正交表面的元件，每個至少一個單DOF傳感器(1)以它的第一面(2)連接到所述正交表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求2-8中的任一權(quán)利要求所述的多DOF傳感器，包括具有至少一個V形 部分的元件，并且其中在每個所述部分中布置一對單DOF傳感器(11，12)，使得所述一對中 的每個單DOF傳感器(11，12)的第一面(2)連接到所述V形部分的相應(yīng)表面(21a，21b)。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9中的任一權(quán)利要求所述的多DOF傳感器，包括具有錐形部分的 元件，一組三個單DOF傳感器布置于所述錐形部分上，使得所述一組中的每個單DOF傳感器 (1)的第一面(2)連接到所述錐形部分的相應(yīng)表面(21c，21d)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多DOF傳感器，其中所述元件具有三個這樣的V形部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-11中的任一權(quán)利要求所述的多DOF傳感器，其中所述表面(21a， 21b，31a，31b，21c，31c)中的至少一個彈性地布置于所述相應(yīng)元件上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的多DOF傳感器，其中所述彈性布置的表面(21a，21b，31a， 31b，21c，31c)是膜的表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多DOF傳感器，其中所述單DOF傳感器(1)其中五個連接到 作為桿的元件的相應(yīng)表面(21d，21e,21f),所有五個所述表面位于所述相應(yīng)表面上。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多DOF傳感器，其特征在于它具有與運(yùn)動耦合布置對應(yīng)的三 對單DOF傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多DOF傳感器，其特征在于它基于Delta并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動 學(xué)結(jié)構(gòu)而布置為Delta耦合或者修改的Delta耦合。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多DOF傳感器，其特征在于它基于Tau并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)而 布置為Tau耦合或者修改的Tau耦合。
18.—種工業(yè)機(jī)器人，包括根據(jù)權(quán)利要求1-17中的任一權(quán)利要求所述的多DOF傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)機(jī)器人的多DOF傳感器，該機(jī)器人具有至少兩個DOF。多DOF傳感器被布置用于感測至少一個力并且由多個單DOF傳感器(11，12)構(gòu)成。每個單DOF傳感器(11，12)的第一端面連接到第一本體(31a，31b)的表面，并且每個單DOF傳感器(11，12)的第二端面連接到第二本體的表面。本發(fā)明還涉及一種包括本發(fā)明的多DOF傳感器的工業(yè)機(jī)器人。
文檔編號G01L5/16GK101965249SQ200980107131
公開日2011年2月2日 申請日期2009年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月28日
發(fā)明者T·布羅加爾德 申請人:Abb技術(shù)公司