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专利名称：用于工业机器人的多dof传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于工业机器人的多DOF传感器，该机器人具有至少两个D0F，该 多DOF传感器被布置用于感测至少一个力D0F。DOF是自由度的缩写。
背景技术：
工业机器人通常需要对机器人的节点中出现的力和力矩进行控制。这样的控制包 括测量需要传感器的力和力矩。由于待测量的力通常位于与传感器相距一段距离处，所以 通常根据来自传感器的力矩和力测量信号来计算这些力。这意味着传感器通常需要比待测 量DOF的数目更多的D0F。在特定应用中将需要多少DOF依赖于需要测量多少DOF和传感 器的放置。关于机器人的DOF数目也将有约束。在一般情况下，当使用六个DOF的机器人 时，使用能够感测三个力DOF和三个力矩DOF的六个DOF的传感器。因此，已经出于这一目的开发了各种多DOF传感器。可以例如在以下公开文献中 发现关于这样的传感器的例子。EP 1218652688公开了一种具有多轴力感测功能的力传感器芯片。该力传感器芯 片包括基部构件，该构件具有操作部分，其具有外力施加区；支撑部分，用于支撑操作部 分；连接部分，用于连接操作部分和支撑部分；以及抗应变元件，设置于连接部分中或者设 置于连接部分与操作部分之间的边界内。EP 1327870公开了用于检测机器人的力的六轴力传感器，其中多个连接部分具有 由形成于前表面和后表面之一上的有源层构成的多个抗应变器件。EP 1653208公开了一种例如用于机器人的多轴力传感器芯片，其具有在连接部分 的变形区上提供的抗应变器件和在作用部分的非变形区上提供的温度补偿器件。JP 04134231公开了一种半导体三轴力传感器，该传感器具有形成扩散应变计的 单晶硅板，并且通过单独隔膜检测X、Y轴的矩量。JP 04249728公开了一种具有配重物(counter-weight)装配轴的半导体三轴力 传感器。力传感器的检测臂在穿过隔膜的方向上延伸。配重物固定到装配轴的一端。配重 物被布置成不大于力传感器的外径。JP 2001264198公开了一种多轴力传感器单元(cell)，其具有与掺杂有N型杂质 的P型扩散区一起形成的弹性梁。JP 1223626公开了一种传感器，其中中心和外围支撑本体以及连接tama的梁构 成为具有共同半导体材料的一个本体，并且半导体计量电阻埋置于该梁的支撑本体的侧面 上。US 5526700公开了一种用于测量沿着正交轴(x、y和ζ)在两个本体之间的位移 的六分量测力计，该测力计包括半导体衬底，该半导体衬底在它的表面上载有由附着到两 个本体上的结构支撑的多个压电电阻器，该结构将力和矩量变换成在衬底表面的平面中所 施加的变形分量，由此实现使用IC制造技术来经济地大量制作传感器。
3
WO 2000023778公开了一种用于使用由微加工硅制成的廉价检测单元来检测移 动元件的位置检测器，该检测器包括微加工单片芯片，具有固定部分和受到移位的活动部 分、根据活动部分的移位受到变形的臂；电装置，用于测量变形；在移动元件与单片芯片的 活动部分之间的耦合装置，能够根据活动移位来移动活动部分。WO 8808521公开了一种使用电阻器的力和距量检测器，并且其在半导体衬底上具 有形成如下桥电路的元件，在该桥电路两端的电压被读取以确定3d力。WO 9000735公开了一种在单个整体单元中的多维力传感器。该传感器具有柔性梁 和作用于传感器上的响应元件，这些元件给出与独立的力的量成比例的电输出。用于工业机器人的许多现有技术的多DOF传感器制造成本高并且对扰动敏感。将 传感器的成本保持于合理水平至关重要。在工业机器人中的多DOF高度地可靠和准确也是 必要的。本发明的目的因此在于满足这一需求，并且因此解决这一问题以提供廉价和可靠 多 D0F。

发明内容
本发明的目的得以实现是因为一种开篇说明的多DOF传感器包括如下具体特征 它由多个单DOF传感器构成，每个单DOF传感器具有与第一本体的表面连接的第一端面和 与第二本体上的表面连接的第二端面。单DOF传感器如今获取成本很低。这样的传感器也是鲁棒和可靠的。其产生了清 楚地表示施加至传感器的力的输出信号。以在机械上定义良好的关系组合这样的传感器获 得如下多DOF传感器，该传感器维持部件单DOF传感器的准确度和鲁棒性。可以用各种最佳 方式组合单DOF传感器以用于获得各种布局并且允许关于力感测和力矩感测的各种组合。 多DOF传感器因此解决上述问题并且满足对应用于工业机器人中的需求。根据第一替代优选实施方式，多DOF传感器具有两个DOF并且感测两个力DOF或 者一个力DOF和一个力矩DOF。根据另一替代优选实施方式，多DOF传感器具有三个D0F，其中一个、两个或者三 个感测力DOF而其它感测力矩D0F。根据又一替代优选实施方式，多DOF传感器具有四个D0F，其中两个或者三个感测 力DOF而其它感测力矩D0F。根据又一替代优选实施方式，多DOF传感器具有五个D0F，其中两个或者三个感测 力DOF而其它感测力矩D0F。根据又一替代优选实施方式，多DOF具有六个D0F，其中三个感测力DOF而其它感 测力矩DOF。利用上文提到的替代实施方式，多DOF传感器可以适应于与各种数目DOF的工业 机器人的各种应用有关的各种需要。根据又一优选实施方式，多DOF传感器包括具有至少一个平坦表面的本体，至少 两个单DOF传感器以它们的相应第一面连接到该平坦表面。根据又一优选实施方式，多DOF传感器包括具有至少一个V形部分的本体，并且一 对单DOF传感器布置于每个所述部分中，从而该一对中的每个单DOF传感器的第一面连接到V形部分的相应表面。根据又一优选实施方式，多DOF传感器包括具有锥形部分的本体，并且一组三个 单DOF传感器布置于该部分上，从而该一组中的每个单DOF传感器的第一面连接到锥形部 分的相应表面。紧接上文说明的实施方式代表用于布置单DOF传感器的各种替代实施方式。各种 替代实施方式根据如何应用多D0F、其中多少DOF分别涉及力或者力矩以及机器人的其它 操作条件而具有各种优点。也可以用不同方式组合各种布置以便获得多DOF传感器的优化总布局。根据又一优选实施方式，多DOF传感器具有如下本体，该本体具有三个在上述实 施方式中描述的那种V型部分。这样的实施方式对于具有六个DOF的机器人中的多DOF传感器特别地有利，并且 由此可以很准确地测量三个力DOF和三个力矩D0F。根据又一优选实施方式，单DOF传感器连接到的至少一个表面弹性地布置于相应 本体上。由此在某些种类的应用中增加了准确度。根据又一优选实施方式，弹性布置的表面是膜的表面。将单DOF传感器连接到膜 是一种获得弹性的简单和可靠方式。根据又一优选实施方式，五个单DOF传感器连接到作为杆的本体的相应表面上， 所有五个所述表面位于该相应表面上。这给出了在例如用于导通编程的柄部内装配传感器的可能性。根据一个优选实施方式，多DOF传感器具有与运动耦合装置对应的三对单DOF传 感器。传统运动耦合是一种用于约束六个DOF的很有效和精确装置，并且在将这样的运 动耦合概念应用于六个DOF的传感器时，该传感器将是最佳的。在其链接中仅有轴向力的六个链接的并联运动学操控器也具有在应用于六个DOF 的传感器时将给出最佳传感器布局的几何结构。根据又一优选实施方式，多DOF传感器基于Delta并联机器人的运动学结构布置 为Delta耦合或者修改的Delta耦合。Delta耦合是运动耦合布置领域内的定义好的结构并且包括三对链接。根据又一优选实施方式，多DOF传感器基于Tau并联机器人的运动学结构布置为 Tau耦合或者修改的Tau耦合。Tau耦合是运动耦合布置领域内的定义好的结构并且包括三个链接簇，一簇具有 三个链接、一簇具有两个链接而一簇具有一个链接。Delta耦合和Tau耦合很好地适合于应用根据本发明的多DOF传感器并且获得紧 凑布置和简易制造。在从属权利要求中说明上述优选实施方式。根据本发明的又一方面，一种工业机器人包括根据本发明或者其任何优选实施方 式的多DOF传感器。利用具有本发明的多DOF传感器的工业机器人获得如上所述对应优点。将参照附图在对本发明的工作原理及其示例例子的下文具体描述中进一步说明
5本发明。


图1是单DOF力传感器的示意透视图。图2是在槽中的两个单DOF力传感器的示意透视图。图3是图2的装置的侧视图。图4示意地图示了在透视图中的运动耦合。图5是图4的设备的理论表示图。图6a是经过图4的部分的截面。图6b是与图6a类似的物理表示图。图7是用于六个DOF的传感器的坐标系。图8图示了有过载保护的六个DOF的传感器。图9和图10是六足结构的两个不同的理论表示图。图11和图12是Delta结构的两个不同的理论表示图。图13和图14是Tau结构的两个不同的理论表示图。图15-图20是修改的Delta结构和Tau结构的理论表示图，其中以两个不同方式 表示每个结构。图21是经过本发明的多DOF传感器的例子细节的截面图。图22是在修改的Tau结构中的本发明的多DOF传感器的例子细节的透视图。图23是根据替代例子的图22的细节的透视图。图24-图52是根据本发明的多DOF传感器的各种例子的理论表示图。图53-图57是图24-图52中所示一些例子的替代理论表示图。图58和图59分别是图55和图57的物理表示图。
具体实施例方式根据本发明的多DOF传感器由多个单DOF力传感器构成。当在下文中仅使用术语 传感器时，意味着单DOF力传感器。这样的传感器广泛用于汽车应用。首先将描述单DOF 传感器。图1在示意透视图中图示了单DOF传感器1。通过具有第一端面2和第二端面3 的圆形板，可以简化传感器的形状，其中两个端面平行。在操作中，传感器位于两个元件之间，从而第一端面2连接到第一元件上的表面 并且第二端面连接到第二元件的表面。这些表面因此也平行。可以用各种方式(例如通过 螺丝或者通过粘合)形成传感器1到元件的相应表面的连接。传感器测量两个元件之间的 法向力、即在图中的Z方向上的力。通常，剪切力也出现于元件之间、即在X和y方向上的 力。最佳性能是在针对这些剪切力的传感器灵敏度相对于在待测量的方向上的灵敏度尽可 能小时。传感器产生视这些力Fx、Fy和Fz而定的输出信号S。图2和图3示意地图示了由两个单DOF力传感器构成的两个DOF的传感器。图2 是其透视图。两个传感器11、12在两个DOF的传感器在其之间操作的元件之一中布置于V形槽中。槽具有相应传感器11、12所附着到的两个平坦表面31a、31b。表面以角度、相 、-父。 在图3 (该图是与表面31a、31b的相交线垂直的经过两个DOF的传感器的截面) 中，可以看见另一元件的互补表面21a、21b。
在图2和图3中表明出现的力以及一般和局部坐标系, 视槽力而定的传感器信号可以计算为
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)在图4中，图示了传统运动耦合。这样的耦合具有一个元件和第二元件，其中 半球按120°分布附着到该一个元件的表面，并且该第二元件的表面具有与半球匹配的三 个V形槽。这代表用于三个力DOF和三个力矩DOF的六个DOF的布置。在图5中以更理论性的方式图示了图4的运动耦合用于说明原理。因此阐明具有 配合球B和六个接触点P的三个槽G。当形成根据本发明的六个DOF的传感器时，每个球可以视为由两个单DOF力传感 器所取代，每个传感器用于每个相应球接触点，这在图6a和6b中类似地图示。每个球接触 点因此由每个传感器上的区域接触所取代。在图6b中可见每个传感器11、12附着到两个元件9、10上的相应膜8，这使耦合具
有灵活性。图7示出了整个六个DOF的力/力矩传感器的坐标系和用于三个槽的坐标系。根 据信号si 1、sl2、s21、s22、s31、s32可以按照下式计算三个力FxO、FyO和FzO以及三个力 ^E TxO, TyO 和 TzO
权利要求
一种用于工业机器人的多DOF传感器，所述机器人具有至少两个DOF，所述多个DOF传感器被布置用于至少按2个DOF感测力，其中所述多个DOF传感器由多个单DOF传感器(1，11，12)构成，每个单DOF传感器具有与第一元件的第一表面(21a，21b)连接的第一端面(2)和与第二元件的表面(31a，31b)连接的第二端面(3)。
2.根据权利要求1所述的多DOF传感器，具有两个D0F，感测两个力D0F，或者一个力 DOF和一个力矩DOF。
3.根据权利要求1所述的多DOF传感器，具有三个D0F，其中两个或者三个感测力DOF 而其它感测力矩D0F。
4.根据权利要求1所述的多DOF传感器，具有四个D0F，其中两个或者三个感测力DOF 而其它感测力矩D0F。
5.根据权利要求1所述的多DOF传感器，具有五个D0F，其中两个或者三个感测力DOF 而其它感测力矩D0F。
6.根据权利要求1所述的多DOF传感器，具有六个D0F，其中三个感测力DOF且三个感 测力矩DOF。
7.根据权利要求2-6中的任一权利要求所述的多DOF传感器，包括具有至少一个平坦 表面的元件，至少两个单DOF传感器(1)以它们的相应第一面(2)连接到所述平坦表面。
8.根据权利要求2-7中的任一权利要求所述的多DOF传感器，包括具有两个或者三个 正交表面的元件，每个至少一个单DOF传感器(1)以它的第一面(2)连接到所述正交表面。
9.根据权利要求2-8中的任一权利要求所述的多DOF传感器，包括具有至少一个V形 部分的元件，并且其中在每个所述部分中布置一对单DOF传感器(11，12)，使得所述一对中 的每个单DOF传感器(11，12)的第一面(2)连接到所述V形部分的相应表面(21a，21b)。
10.根据权利要求3-9中的任一权利要求所述的多DOF传感器，包括具有锥形部分的 元件，一组三个单DOF传感器布置于所述锥形部分上，使得所述一组中的每个单DOF传感器 (1)的第一面(2)连接到所述锥形部分的相应表面(21c，21d)。
11.根据权利要求10所述的多DOF传感器，其中所述元件具有三个这样的V形部分。
12.根据权利要求1-11中的任一权利要求所述的多DOF传感器，其中所述表面(21a， 21b，31a，31b，21c，31c)中的至少一个弹性地布置于所述相应元件上。
13.根据权利要求12所述的多DOF传感器，其中所述弹性布置的表面(21a，21b，31a， 31b，21c，31c)是膜的表面。
14.根据权利要求6所述的多DOF传感器，其中所述单DOF传感器(1)其中五个连接到 作为杆的元件的相应表面(21d，21e,21f),所有五个所述表面位于所述相应表面上。
15.根据权利要求6所述的多DOF传感器，其特征在于它具有与运动耦合布置对应的三 对单DOF传感器。
16.根据权利要求6所述的多DOF传感器，其特征在于它基于Delta并联机器人的运动 学结构而布置为Delta耦合或者修改的Delta耦合。
17.根据权利要求6所述的多DOF传感器，其特征在于它基于Tau并联机器人的结构而 布置为Tau耦合或者修改的Tau耦合。
18.—种工业机器人，包括根据权利要求1-17中的任一权利要求所述的多DOF传感器。
全文摘要
本发明涉及一种用于工业机器人的多DOF传感器，该机器人具有至少两个DOF。多DOF传感器被布置用于感测至少一个力并且由多个单DOF传感器(11，12)构成。每个单DOF传感器(11，12)的第一端面连接到第一本体(31a，31b)的表面，并且每个单DOF传感器(11，12)的第二端面连接到第二本体的表面。本发明还涉及一种包括本发明的多DOF传感器的工业机器人。
文档编号G01L5/16GK101965249SQ200980107131
公开日2011年2月2日 申请日期2009年2月4日 优先权日2008年2月28日
发明者T·布罗加尔德 申请人:Abb技术公司