Датчик с шестью степенями свободы

(19) (11) Всю С 01 1 5/16 РЕТ САНИЕ ИЯ К ПАТЕНТ а и Ос анин16, 19 а,лемен ем то торец к иловводяще твом для с трументом. щиисяпротивополо ту, снабжен ния с рабоч нере ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(72) Джорджо Вентурелло вальдоСальваторе (Италия)(71) Чентро Ричерке Фиат С.п.А.(54)(57) 1. ДАТЧИК С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯИИ СВОБОДЫ для преобразования сили моментов в электрические сигналы, прикладываемых к подвижномуэлементу, содержащий корпус, силовводящий элемент, преобразователиперемещения в электрические сигкалы и узел регистрации, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповьппения надежности, преобразователи перемещения в электрическийсигнал размещены в жестком цилиндрическом кожухе и выполнены в видевосьми конденсаторов, неподвижныеобкладки которых выполнены в видедвух металлических полуцилиндрических пластин, расположенных подравными углами и закрепленных внутри кожуха, а подвижные обкладки выполнены в виде двух групп разнесенных по одному диаметру иа равных расстояниях одна от другой вдоль общей оси по четыре в каждой группе металлических пластин, р сположенных 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 ю 1082331.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 21 .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, противоположный 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 схе. ма 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 3 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 бс 1, который служит в качестве торцового ограничителя для верхнего края поло. го 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 9 ц и 9 Ь через которые проходит соединительный элемент 6. Торцовая часть 6 Ь элемента б частично имеет резьбу для сочленения с гайкой 10, которая служит для подсоединения элемента б к кольцевому элементу 7.Соединительный элемент 6 снабжен осевым отверстием б с и парой, расположенных друг против друга, радиальных отверстий 6 д 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 противоположно 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 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 из. эластомерного материала. Верхняя поверхность кольцевого фланца ба 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 6 С соединительного элемента 6 и отверстие 2 а на торце подвижно. го рычага 2. Полый цилиндрический корпус 5 имеет цилиндрический торцовый выступ 5 о снабженный диаметральным отверстием 5 Ь в котором расположен палец 22, концы которого выступают в радиальном направлении наружу из выступа 5 О.Полый цилиндрический элемент 5 может быть изготовлен из электро- изоляционного 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 о 1 в которыевыступают концы пальцев 11, установленных на соединительном элементе,б.Кольцевая ограничительная прокладка 29 расположена вокруг соеди 108233720 Электрический проводник 3350 (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 фланцеы6 4Нижняя поверхность прокладки29 взаимодействует с . тороидальным кольцом 19, служащим в качестве упругого распорного элемента.Кольцевая ограничительная прокладка 30 расположена вокруг нижнего выступа 5 а полого цилиндрическогокорпуса 5 и опирается на закрывающий,элемент 27. Верхняя поверхность 0прокладки 30 взаимодействует с тороидальиым кольцом 17, располагаемымна нижнем конце полого цилиндрического корпуса 5 и служащим в качествеупругого распорного элемента. 15Нижний закрывающий элемент 27снабжен осевой цилиндрической камерой 31 (Фиг.б), состоящей из двухчастей, Цилиндрический выступ 5 адполого цилиндрического элемента 5проходит в первую часть камеры 3 1,Стенка этой первой части камеры 31сделана с двумя диаметрально противоположными канавками 3 16, в которые выступают концы пальца 22, 25установленного на нижнем конце полого цилиндрического корпуса 5,Вторая цилиндрическая часть 31 Ь(фиг.2) и боковая поверхность закрывающего элемента 27 выполнены с резь. з 0бой,Внутренняя поверхность втулки 23снабжена двумя полуцилиндрическимиметаллическими пластинами 32, расположенными под равными углами поотношению друг к другу и напротивпластин 12, удерживаемых на поломцилиндрическом корпусе 5 таким образом, что между ними образовываетсяузкое пространство и получается 40восемь конденсаторов, емкость которых зависит от положения пластин32 кожуха 4 по отношению к пластинам12 корпуса 3. Втулка 23 может бытьизготовлена иэ электроизоляционногоматериала, обладающего большой меха-.нической прочностью. Для экранирования внешняя поверхность втулки можетбыть покрыта проводящим материалом. полым цилиндрическим корпусом 5 исоединительным элементом 6) при помощи тороидальных колец 15, 17 и 19.Кожух 4 может осуществлять ограниченные перемещения с шестью степенями свободы по отношению к корпусу 3.Прокладки 29 и 30 соответственновзаимодействуют с тороидальнымикольцами 19 и 17 для ограниченияосевых перемещений кожуха 4 по отношению к корпусу 3, Концы пальцев11 и 22, которые входят с зазоромв канавки 28 и 31 с 1 соответственно,ограничивают угловые перемещениякожуха 4 по отношению к корпусу 3.Деиствие сил или моментов,прикладываемых во время работы кподвижному рычагу 2 при помощи датчика 1, преобразуется в измененияемкости восьми конденсаторов.Узел регистрации (фиг.8) подсоединен к пластинам 12 корпуса 3 н кпластинам 32 кожуха 4 для измерения во время работы величин емкостикаждого из конденсаторов и дляобеспечения на основе такого замераэлектрических сигналов, показывающих силы и моменты, прикладываемыек подвижной детали, представляющейподвижную руку 2 робота. Пластины12 а, 12 Ъ, 12 с, 12 с 1, 12 е, 121, 12 и121 установлены на корпусе 3, апластины 32 а и 32 Ь установлены накожухе 4.На фиг,8 введена система ортогональных декартовых координат ОХУ 2,ось 2 которой совпадает с осью концентрических цилиндрических поверхностей, часть которых образуют пластины 12 и 32, ось Х направлена перпендикулярно к двум соответствующим парам противоположных пластини проходит через центр этих пластин,а ось У направлена перпендикулярнок оси Е и к оси Х. Пластины 32 с 1 и32 Ь обе заземпяются. Восемь преобразователей 35-42 напряжения 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 емкости30 1 4 5 8 показывает относительное перемещение кожуха 4 по отношению к внутреннему корйусу 3 вследствие приложения силы, действующей вдоль оси Х.Аналогично можно определить, что 35величина(Ч -Ч ) + (Ч -Ч ) 40 показывает величину перемещения кожуха 4 по отношению к внутреннему корпусу 3 под действием силы, действующей вдоль оси У.Кроме того, величины 45(Ч -Ч ) - (Ч -Ч )1 4 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 У.Если к кожуху 4 приложена некоторая сила, параллельная оси 2, например в положительном направлении этой оси, то ее действие приводит к осевому перемещению пластины 32 50 55 соответствующего конденсатора, к ко торому они соответственно подключаются. Выходные напряжения преобразователей 35-42 обозначены соответственно Ч 1, Ч, , 8 5Предположим, 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 О нему корпусу 3 таким образом, что расстояние между пластинами 12 д, 12 Б и 320 уменьшается, в то время как расстояние между пластинами 1257 12 б. и 32 а увеличиваетсяСоответ ственно емкость конденсаторов, образованных пластинами 12 Ь, 124 и 32 О увеличивается, в то время как емкость конденсаторов, образованных пластинами 12 а, 12 с и 32 Ь. уменьша ется. Следовательно, напряжения Ч 1 и Ч 5 создаваемые на выходах)преобразователей 35 и 39 соответственно, увеличиваются, а напряжения Ч 4 И Ч 8, создаваемые соответст 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 12 а, 125, 12 е, 121, и частями обращенных к ним пластин 32 д и 32 Ъ, увеличиваются вследствие увеличения перекрывающихся поверхностей. Наоборот. емкость конденсаторов, образованных пластинами 12 с, 12, 12, 126 и обращенными к ним частями пластин 32 с 1 и 32 Ь уменьшается вследствие уменьшения перекрывающейся области поверхности этих пластин.С другой стороны, если сила, действующая на кожух 4, направлена параллельно оси 2, но в отрицатель. ном направлении, то емкости конденсаторов, содержащих пластины 12 с, 123, 12 фи 12, увеличиваются, а емкости конденсаторов, содержащих пластины 12 п, 12 Ъ, 12 и 128 умень - шаются.Когда направление силы, действующей на кожух 4, параллельно оси 2, величина (например)(Ч -Ч ) + (Ч,. Ч 8)показывает величину и направление относительного перемещения между кожухом 4 и внутренним корпусом 3 вдоль оси 2 вследствие приложения силы, действующей на кожух 4 параллельно оси 2, 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 2, необходимо, чтобыуокружности, соответственно ограничиваемые верхними кромками пластин 12 п, 12 Ъ, 12 е, 121 и нижними кромками пластин 12 с, 12, 12; 126 лежали в соответствующих плоскостях, которые не пересекают пластины 32 а и 32 Ъ.Если момент, действующий вокруг оси 2, например, в направлении против часовой стрелки, приложен к кожуху, то вследствие действия этого момента емкость конденсаторов,содержащих пластины 126, 121, 125 и 12 и уменьшается в результате умень. щения площадей частей пластин 32 о и 32 которые перекрывают эти пластины, Наоборот, емкости конден 1082337саторов, содержащих пластины 12 а, 12, 12 С и 123 увеличиваются вследствие увеличения площадей их перекрытия с пластинами 32 а и 32 ЪВ случае момента, действующего на кожух 4 вокруг оси Е в направлении 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 вели- чина(ч чг( з)показывает величину и направлениеотносительного вращения между кожухом 4 и внутренним корпусом 3вследствие приложения к кожуху 4 момента, действующего вокруг оси 2,и поэтому эта величина дает информацию как о величине, так и о направлении этого моментаДействительно, чтобы однозначно представить отношение. междумгновенными значениями емкостей конденсаторов и величиной и направлением сил, действующий на кожух 4,необходимо, чтобы каждая из пластин12, установленных на внутреннемкорпусе 3, ни в коем случае не перекрывалась одновременно обеими пластинами 32, установленными на кожухе4. Такая ситуация предотвращаетсяименно йаличием пальцев 11 и 22(фиг,5 и 6). Вследствие того, чтоэти пальцы могут вращаться с ограниченным люфтом в соответствующих канавках 28 а и 31 р они ограничиваютугловые перемещения кожуха 4 поотношению к внутреннему корпусу 3.На фиг.8 показаны средства 44обработки сигналов, генерируемыхпреобразователями 35-42, и показывающих составляющие сил и моментоввдоль осей Х У и 2, прикладываемыхк кожуху 4 и, следовательно, передаваемых к руке 2 при помощи внутреннего корпуса 3,Средства обработки сигналовпреобразователей напряжения 44 содержат, например, дифференциальныеусилители 45-54 и четыре аналоговыесуммирующие схемы 55-58. Соединениямежду входами дифференциальных уси 5 лителей 45-52 и выходами преобразователей 35-42, так же как соединениямежду этими дифференциальными усилителями и суммирующими схемами 55-58образуют схему, эквивалентную шести10 приведенным отношениям между напряжениями, обеспечиваемыми на выходахпреобразователей 35-42, и составляющими вдоль осей Х, У, 2 сил и моментов, прикладываемых к кожуху 415 и передаваемых к подвижной руке 2при помощи внутреннего корпуса 3,В частности, на выходных зажимахсуммирующих схем 55, 5 б и 57 сущест.вуют при работе соответствующие сиг 20 ,налы напряжения, показывающие составляющие вдоль осей Х, У, Е соот ветственно сил, прикладываемых ккожуху 4.На выходных зажимах дифферен -25 циальных усилителей 53, 54 и суммирующей схемы 58 существуют приработе соответствующие сигналы напряжения, показывающие составляющиевдоль осей Х, У, Е соответственномоментов, прикладываемых к кожуху 4.Предлагаемое устройство можетпредставлять рукоятку для ручногоуправления подвижной рукой 2 роботав период обучения. В этом случаесигналы, обеспечиваемые на выходесредств обработки сигналов 44, могут использоваться центральным процессором робота для минимизированнясил и моментов, прикладываемых крукоятке для того, чтобы рука робота проходила в пространстве определенный путь, по которому она будетперемещаться впоследствии при работе самого робота,45 К нижнему концу кожуха 4 предлагаемого устройства может подсоединяться рабочий инструмент, и в этомслучае устройство работает как чувствительное запястье, способноеопределять напряжения, которым подвергается рабочий инструмент вовремя работы.