[发明专利]力和力矩探测器，用于这种力和力矩探测器的力传感器模块和具有这种力和力矩探测器的机器人

说明书

本发明涉及一种力和力矩探测器(1)，具有四个压电式力传感器(4至4″′)和基板(2)；其中，四个压电式力传感器(4至4″′)检测力，并针对检测到的力F产生测量信号；其中，力和力矩探测器(1)具有盖板(3)，该盖板(3)具有边界面(31)，待检测的力施加在该边界面(31)上；其中，力和力矩探测器(1)具有分析单元(6)，该分析单元(6)分析压电式力传感器(4至4″′)的测量信号；其中，基板(2)具有至少一个用于压电式力传感器(4至4″′)和分析单元(6)的空腔(21至21″′，22)，压电式力传感器(4至4″′)和分析单元(6)布置在该空腔(21至21″′，22)中；并且其中，基板(2)和盖板(3)机械地连接成一壳体。

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的力和力矩探测器。本发明还涉及一种用于这种力和力矩探测器的力传感器模块。此外，本发明还涉及一种具有这种力和力矩探测器的机器人。

背景技术

机器人技术是大趋势。越来越多复杂的加工由机器人来承担，例如部件的接合。为此需要用到传感技术来检测接合力检测。三轴的接合力可以通过力和力矩的六个分量来描述。这种接合力可以通过力和力矩探测器来确定。为此，将力和力矩探测器布置在在工具和机器人的机器人臂之间的力通路中，例如，布置在机器人臂的手腕中。力和力矩探测器检测接合力，并将与所检测到的接合力相对应的输出信号通过总线系统的接口传输到机器人的机器人控制器上。

在专利文献US2016/0109311A1中公开了一种用于检测力的力和力矩探测器。四个压电式力传感器被机械地紧固在正方形基板的四个侧表面上。压电式力传感器通过张紧力相对于第一和第二承载件的边界面被机械地预紧，张紧力的作用方向垂直于边界面。压电式力传感器被布置在于基板中心的参考点相同的距离处。每两个压电式力传感器位于一个轴上。两个轴垂直于基板的侧表面并彼此成直角地延伸。在第一轴的压电式力传感器上紧固有第一承载件，在第二轴的压电式力传感器上紧固有第二承载件。

四个压电式力传感器检测作用在第一和第二承载件的边界面上的力的三个分量。根据已知的从四个压电式力传感器到参考点的距离，可以计算出在坐标系中作用在基板上的力矩的三个分量。因此，力和力矩探测器总共提供六个分量。

每个压电式力传感器具有三个压电式传感元件。该压电式传感元件根据结晶学被定向为，使得作用在其上的力产生数量与力的大小成比例的电极化电荷。对于每个压电式力传感器来说，一个压电式传感元件检测法向力的分量，两个压电式传感元件检测剪切力的两个分量。亦即，四个力传感器针对所检测到的力产生电极化电荷形式的测量信号。每个压电式力传感器具有电荷放大器和模数转换器。电荷放大器相应地放大三个压电式传感元件中的电极化电荷，而模数转换器将三个被放大的电极化电荷相应地转换为三个数字输出信号。因此，对于总共十二个压电式传感元件将形成十二个数字输出信号。

专利文献DE102012005555B3教导了一种测量板，其具有多个布置为一行的压电式力传感器。每个压电式力传感器对应一个受压件，待检测的力通过受压件作用在压电式力传感器上。每个压电式力传感器具有两个压电式传感元件，一个压电式传感元件用于检测压力，一个压电式传感元件用于检测剪切力。每个压电式力传感器的压电式传感元件成对地叠置在测量板的凹部中。总共八个压电式传感元件形成八个测量信号，这些测量信号通过电接口传输到四个插座。在插座上连接有信号线缆，用以将测量信号进一步传输到外部分析单元。

发明内容

本发明的第一个目的在于，进一步开发这种力和力矩探测器，使其具有尽可能小的空间尺寸，从而能够将其布置在机器人臂的手腕中，而不会在复杂的加工操作中妨碍机器人。该力和力矩探测器的第二个目的是在机械上尽可能坚固，特别是具有高的弯矩负载能力。该力和力矩探测器的另一目的是尽可能价格低廉，从而能够针对机器人的制造成本做出仅仅是微小的贡献。该力和力矩探测器的又一目的在于确保高度的工作安全性，使得机器人和人能够在一共同的空间中工作。

至少一个上述目的通过独立权利要求的特征来实现。