[发明专利]三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手

说明书

本发明公开了一种三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手，传感器系统包括：三维弹性应变感知元件和复应变测量元件；三维弹性应变感知元件为柱状或管状结构，三维弹性应变感知元件其中一端固定，多个复应变测量元件集成设置于三维弹性应变感知元件的固定端一侧；在三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据复应变测量元件的测量值确定三维弹性应变感知元件的自由端的位移量。通过本发明的技术方案，提高了传感器系统的响应速度，在低成本情况下提高了位移测量的精确度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统、一种基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法和一种机械手。

背景技术

近年来，随着国民经济的发展，工业自动化需求越来越高，机械手的使用也越来越普及，不但可以实现安全操作，同时也可以提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、还可以避免人工送料、取料时因疲劳往往送料、取料不准等。为实现机械手对物品的准确抓取，机械手必须动态响应快，定位精度好。位置检测系统是实现工业机械手精确定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。其中，位移量是最基本、最主要的几何量，高精度的位移测量技术对高精度机械手的发展起到关键作用。

角位移测量在各种测量和自动控制系统中的作用十分重要，应用极其广泛。现代测量方法与设备众多，原理各异，但最终的目标都是能够以低成本、高稳定性，重复性好、精度合适地实现角度的测量。许多应用还要求在动态下多自由度同步测量，比如高速焊接机械手和自动换刀及夹具的机械手臂的腕关节等。

传统的机械手位移测量多是通过多个单自由度高精度位移测量传感器组合来实现，测量系统结构较复杂、成本高，在传感器串联安装时易引入多轴累积误差等，难以满足精密位移测量及定位的需求。

目前国内外在高度柔性的机器人闭环位置测量控制上广泛使用的旋转绝对编码器即每个一维角位移关节都配置一个转动编码器。机械手末端的位置由来自各编码器的信号计算而定。这种测量方法传感器本身分辨率可以做到较高，但易形成链式累积误差并忽略了惯性引起的机械手臂变形，在终端位置闭环控制中造成精度下降。另外因单台机器人上用量大，成本也较高。同时，从多个角位移传感器计算机械手末端位置运算量大，降低机械手反应速度和计算成本。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手，通过设置于三维弹性应变感知元件固定端的复应变测量元件的测量值，根据应变状态与位移量之间存在的唯一确定关系，经预先建立的数学模型实时转换得到三维弹性应变感知元件的自由端位移量，提高了传感器系统的响应速度，克服了材料特性对传感器灵敏度、精度和分辨率的影响，在低成本情况下提高了位移测量的精确度。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，包括：三维弹性应变感知元件和复应变测量元件；所述三维弹性应变感知元件为柱状或管状结构，所述三维弹性应变感知元件其中一端固定，多个所述复应变测量元件集成设置于所述三维弹性应变感知元件的固定端一侧；在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的测量值确定所述三维弹性应变感知元件的自由端的位移量。

在上述技术方案中，优选地，基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统还包括应变测量放大电路，所述应变测量放大电路与所述复应变测量元件相连接，所述应变测量放大电路用于将所述复应变测量元件的检测量转换并放大为可识别数字量信号。

在上述技术方案中，优选地，所述复应变测量元件包括MEMS主动应变片、复合压电陶瓷主动应变片和被动式电阻薄膜应变片。

在上述技术方案中，优选地，所述复应变测量元件在所述三维弹性应变感知元件上的分布和位置经优化后构成静定或过静定结构。