一种感知接触点三维力位移与三维力的触须传感器

摘要

本发明公开了一种感知接触点三维力位移与三维力的触须传感器，该触须传感器安装在机器人本体上，该触须传感器包括十字型弹性梁(1)、应变计(8)、柔性触须(3)、接触球(4)、弹簧(7)和套管(5)；所述的十字型弹性梁(1)呈中空结构，包括内置于内部的四根弹性梁(2)、轮缘以及四个轮缘螺孔(6)，其中，所述的四根弹性梁(2)两两相交互成90°，组成十字形，其上下表面与左右侧面粘贴应变计(8)；所述的四个轮缘螺孔(6)对称分布在十字形弹性梁(1)上表面，用于固定传感器位置；所述的柔性触须(3)安装在十字型弹性梁(1)中心。本发明能够实现对目标物体的准确定位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种触须传感器，具体地讲是一种柔性触须传感器，能够感知三维力位移与三维力并实现对目标的精准定位。

背景技术

机器人感知技术是机器人智能决策与控制的基础与支撑，如何在未知环境下感知环境信息，进行导航、路径规划与自主避障正在成为新的研究热点。感知外界信息的主要手段有视觉、听觉、力觉与触觉，目前机器人感知外界信息的主要方法是模仿人类视觉原理进行的，但在能见度低或黑暗情况下，单纯依靠视觉传感器已经无法满足要求。在此情况下，触觉传感器应运而生。

人工触须是目前较为常用的传感装置，现有的传感器大多在触须末端安装小型电机或其他驱动装置，用来扫描物体感知物体的外形与轮廓信息，缺点是扫描需要大量时间，无法对高速行走的机器人提供足够的信息用来避障或对目标定位。

为解决机器人快速避障与目标定位问题，本发明提出一种在触须末端通过安装弹簧结构将位移量转化成力信息，传递给十字型弹性梁上粘贴的应变计，通过应变计的电阻值变化来间接地快速定位。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出一种感知接触点三维力位移与三维力的触须传感器。当机器人靠近目标物体时，该传感器利用弹簧结构感知触须末端的偏移量，然后通过柔性触须将弹簧力信息传递给安装在触须根部的十字型弹性梁，从而实现对目标物体的准确定位。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种感知接触点三维力位移与三维力的触须传感器，该触须传感器安装在机器人本体上，该触须传感器包括十字型弹性梁、柔性触须、接触球、弹簧和套管；

所述的十字型弹性梁呈中空结构，包括内置于内部的四根弹性梁、轮缘以及四个轮缘螺孔，其中，所述的四根弹性梁两两相交互成90°，组成十字形，其上下表面与左右侧面粘贴应变计；所述的四个轮缘螺孔对称分布在十字形弹性梁上表面，用于固定传感器位置；所述应变计粘贴在靠近柔性触须根部的四根弹性梁的上下表面以及左右侧面。

所述的柔性触须安装在十字型弹性梁中心，从四根弹性梁的十字形交点向外延伸而出；弹簧上下两端通过弹簧片分别与柔性触须末端和接触球相连；套管与弹簧同轴心并环绕于弹簧外表面，上表面与接触球重合。

优选的，所述柔性触须采用柔性金属丝材料，用于传递弹簧力信息给十字型弹性梁。

优选的，所述的四根弹性梁截面分别呈长方形，柔性触须的横截面为圆形。

优选的，柔性触须末端通过弹簧连接接触球。

优选的，柔性触须的直径0.6mm～1mm，长度100mm～150mm。

有益效果：

1、十字型弹性梁结构结合弹簧的结构设计，可同时感知三维力位移和三维力，实现了将位移量转化为对物理量力的测量，从而确定目标物体位置。

2、柔性触须末端的接触球接触目标物体时发生变形，弹簧结构的存在保证非接触时触须偏移量为零。

3、微型二维应变计的设计与应用实现了触须传感器的微型化。采用微型二维应变计将所有应变片粘贴在十字型弹性梁上，可大大减少贴片面积，从而实现了触须传感器的小型化。

4、结构简单紧凑，易于加工和工艺处理。本发明保留十字弹性梁结构的优点，结构简单，易于加工，维间耦合小。

5、线性、重复性好，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的传感器整体结构示意图。

图2为本发明的传感器应变计粘贴位置俯视示意图。

图3为本发明的触须传感器顶端剖面示意图。

图4为本发明触须传感器受力分析原理图。

图中标号：十字型弹性梁1，四根弹性梁2，柔性触须3，接触球4，套管5，轮缘螺孔6，弹簧7，应变计8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1至图4所示，本发明提供的一种感知接触点三维力位移与三维力的触须传感器，该触须传感器安装在机器人本体上，该触须传感器包括十字型弹性梁1、应变计8、柔性触须3、接触球4、弹簧7和套管5。

所述的十字型弹性梁1呈中空结构，包括内置于内部的四根弹性梁2、轮缘以及四个轮缘螺孔6，其中，所述的四根弹性梁2两两相交互成90°，组成十字形，其上下表面与左右侧面粘贴应变计8；所述的四个轮缘螺孔6对称分布在十字形弹性梁1上表面，用于固定传感器位置。

所述的柔性触须3安装在十字型弹性梁1中心，从四根弹性梁2的十字形交点向外延伸而出；弹簧7上下两端通过弹簧片分别与柔性触须3末端和接触球4相连；套管5与弹簧7同轴心并环绕于弹簧7外表面，上表面与接触球4重合。

所述柔性触须3采用柔性金属丝材料，柔性触须3可看作触须传感器的传递梁，用于传递弹簧力信息给十字型弹性梁1。

所述的四根弹性梁2的截面分别呈长方形，柔性触须3的横截面为圆形。

柔性触须3末端通过弹簧7连接接触球4。接触球4接触或扫描物体时，弹簧7会使X、Y方向可发生弹性变形，保证非接触时触须3偏移量为零。

柔性触须3的直径0.6mm～1mm，长度100mm～150mm。

所述应变计8粘贴在靠近柔性触须3根部的四根弹性梁2的上下表面以及左右侧面。

触须传感器采用十字型弹性梁1结合弹簧7的结构实现了位移量向物理量力 的转换。

所述应变计是感应元件，粘贴在靠近柔性触须的四根弹性梁的上下表面以及左右两侧，随着柔性触须的变形，应变计长度发生变化，应变计中的电阻丝阻值也发生改变，即外力产生的变形转化为电阻大小变化，从而实现向电信号的转变；

本发明的触须传感器采用十字型弹性梁结构结合弹簧的拉压缩特性实现了位移量向物理量力的转换。

(一)十字型弹性梁

参见图1、图2和图3所示，十字型弹性梁1包括四根弹性梁2以及四个轮缘螺孔6，四根弹性梁2两两相交互成90度，组成十字形；通过四个轮缘螺孔6与螺钉的配合实现了触须传感器的固定；十字型弹性梁1上的四根弹性梁的上下表面与左右两侧贴有应变计8，当触须传感器顶端的接触球接触到目标物体时，弹簧7受力作用将发生压缩或拉伸，通过柔性触须3传递给十字型弹性梁1，引发弹性体上粘贴的应变计的阻值发生变化。

(二)应变计

参见图2所示，应变计8粘贴在靠近柔性触须3根部的四根弹性梁2的上下表面以及左右侧面，随着弹性体变形，应变计8的阻值会发生变化。

(三)柔性触须

参见图1和图3所示，柔性触须3的根部安装在十字型弹性梁1中心，从四根弹性梁2的交点延伸而出；柔性触须3的末端通过弹簧片连接弹簧7，传递弹簧力信息给十字型弹性梁1；所述柔性触须采用柔性金属丝材料，具有良好的韧性和弹性；

(四)接触球

参见图1和图3所示，为改善柔性触须3在扫描物体和接触物体表面上的滑移能力，在弹簧7的一端通过弹簧片安装小直径接触球4，接触球4是触须传感器的敏感体，用于感知接触力信息；

(五)弹簧

参见图1和图3所示，弹簧7固定于接触球4与柔性触须3之间，当接触球4接触或扫描物体时，或者说受到外力作用下，弹簧7与柔性触须3将同时发生变形，弹簧7可使柔性触须3在非接触时的偏移量保证为零，即发生弹性变形。

(六)套管

参见图1和图3所示，套管5安装在柔性触须3末端，与柔性触须3、弹簧7和接触球4同轴心；套管5的上表面与接触球4的下表面重合，当接触球4的上表面受到外力作用时，弹簧7压缩或拉伸的同时，套管5亦随之向下或向上移动。本发明设计的触须传感器是如何根据弹簧7的偏移量得到触须3末端的位移量就成为本发明接下来要完成的工作。

参见如图4所示，采取被动感知方式对柔性触须进行分析，在外力作用下，柔性触须的轴线由直线变为连续光滑的曲线。沿变形前的触须轴线建立x轴，沿触须截面的纵向建立y轴，以柔性触须的固定端为原点o，l为柔性触须的长度。假设被检测物体是一长方体，物体沿y轴负方向匀速运动。因为触须的变形属于小位移偏移，可认为弹簧的拉伸量近似等价于触须末端的位移量△X。根据弹簧弹力公式：F＝kx，k表示弹簧弹力系数，可知触须受到的外力F和触须的位移量成正比关系，则只需获取弹簧力F的值便可得到位移量△X。

作用力F通过柔性触须传递到十字型弹性梁上，导致粘贴在弹性梁上的应变计阻值发生改变，从而使作用在电阻上的的电压信号发生改变，实现力的测量。

由此可见，通过十字型弹性梁结构结合弹簧的拉压缩特性实现了位移量的高精度测量。

本发明公开的一种感知接触点三维力位移与三维力的触须传感器，接触球是敏感部分，用于感知轴向力，柔性触须作为传递梁传递力信息。本发明的触须传感器属于机器人的检测装置部分，且触须传感器安装在机器人本体上，最佳位置是安装在机器人本体的前端。当机器人本体靠近目标物体时，该触须传感器通过接触球接触或扫描目标物体，弹簧会发生弯曲和压缩，而后引起十字型弹性梁上的粘贴的应变计阻值改变，进而实现对位移量的检测转化为对物理量力的测量，最终实现对目标的准确定位。