一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置

1.本实用新型属于检测装置技术领域，具体涉及一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置。

背景技术：

2.高分辨力觉反馈，在医用、民用、工业机器人领域中均存在重要需求。在医学领域，可用机械臂实现人体病毒样本拭子检测，以减少医务人员与病毒直接接触被感染的可能。但常规的机械臂缺乏精确的力反馈功能，过大的力容易破坏人体脆弱的软组织，过小的力容易导致采样量不足。如果能将拭子与人体组织之间的作用力检测出来，则可以实现更精准机械臂运动学控制，使拭子轻柔与待取样的软组织接触，获得最佳的采样量并提高阳性检出率。医用手术机器人手术刀末端与切割组织之间的力反馈，可以为术者提供更真实的操作体验，提高病变区域的切除准确率。民用或工业机器人机械臂末端与物体作用后的力反馈，为规划机械臂运动路径，准确到达预定位置提供参考依据，实现对目标的精准操纵。现有的力反馈装置有气囊式触觉反馈、形状记忆合金触觉反馈及电刺激触觉反馈的方式，但其均存在体积大、灵活性差、分辨率低以及装置结构复杂等问题。
3.为此，本实用新型提供一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置。

技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，可建立力与位移之间的映射，该装置可独立使用，或通过嵌入机械臂末端的方式使用，以实现高分辨作用力检测，解决现有的力反馈装置所存在的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，包括壳体，所述壳体内腔安装有沿着壳体长度方向滑动的滑块，滑块的前端设置有带有夹持头的连杆，连杆通过滑块的往复移动伸出和收回壳体，连杆的前端安装有检测端子，所述壳体内腔后端板与滑块后端面之间以及滑块前端面与壳体内腔前端板之间均安装有弹簧，所述壳体内安装有用于检测检测端子受力大小的测力机构。
7.所述壳体后端板与滑块后端面之间对称安装有第一弹簧和第二弹簧。
8.所述壳体前端板与滑块前端面之间对称安装有第三弹簧和第四弹簧。
9.所述壳体内腔沿滑块移动方向对称设置有导轨，所述滑块两端分别开设有与导轨滑动配合的滑槽。
10.所述测力机构分为两种，第一种为传感器测力机构，第二种为激光测力机构。
11.第一种包括第一霍尔传感器、第一永磁体、第二霍尔传感器及第二永磁体；
12.所述壳体后端板中部安装有第一霍尔传感器，所述滑块的后端板安装有与第一霍尔传感器正对设置的第一永磁体；
13.所述壳体前端板上安装有第二霍尔传感器，所述滑块前端面上安装有与第二霍尔
传感器正对设置的第二永磁体。
14.第二种包括第一齿条、第一齿轮、第二齿条和第二齿轮；
15.所述第一齿条一端安装于滑块后端面上，且朝向壳体后端板一侧设置，第二齿条一端安装于滑块前端面上，且朝向壳体前端板一侧设置，所述壳体内转动分别安装有与第一齿条啮合的第一齿轮以及与第二齿条啮合的第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮的端面上均安装有激光光纤，且壳体上安装有用于接收激光的多个激光接收器。
16.本实用新型的技术效果为：
17.将本检测装置嵌入机械臂的末端，作为病毒检测拭子的夹持器时，可柔性与待检人体组织接触，通过霍尔传感器与永磁体或者齿条、齿轮、激光光纤及激光接收器，实现高分辨作用力检测。
18.该检测装置与机械臂连接，做为机械臂之间的连接体，或机械臂与机械手之间的连接体，充分利用霍尔传感器和激光传感器的高分辨特性，以及弹簧受力和变形量的线性关系，可测出机械臂之间、或机械臂与机械手之间的压力或拉力。
19.本实用新型检测装置兼具测量拉力和压力的功能，且具有分辨率高、灵活性好、体积小、以及装置结构简单的特点。
附图说明
20.图1本实用新型实施例1基于柔性前端的高分辨作用力检测装置示意图；
21.图2本实用新型实施例2基于柔性前端的高分辨作用力检测装置示意图；
22.图3本实用新型实施例2基于柔性前端的高分辨作用力检测装置的激光光纤、齿轮及齿条部分示意图；
23.1-第一弹簧，2-第一霍尔传感器，3-第一永磁体，4-滑块，5-第二霍尔传感器，6-第二永磁体，7-连杆，8-第一齿轮，9-第一齿条，10-第二齿轮，11-第二齿条，12-检测端子，13-第二弹簧，14-第三弹簧，15-第四弹簧，16-激光光纤，17-激光接收器，18-壳体。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
25.实施例1
26.如图1所示，一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，包括壳体18，所述壳体18内腔安装有沿着壳体18长度方向滑动的滑块4，所述壳体18内腔沿滑块4移动方向对称设置有导轨，所述滑块4两端分别开设有与导轨滑动配合的滑槽，(图中未示出导轨和滑槽)，滑块4的前端设置有带有加持头的连杆7，连杆7通过滑块4的往复移动伸出和收回壳体18，连杆7的前端安装有检测端子12，本实施例中检测端子12可以是棉签或针头，或是另外一个机械臂，或是机械手；所述壳体18内腔后端板与滑块4后端面之间以及滑块4前端面与壳体18内腔前端板之间均安装有弹簧，具体为：所述壳体18后端板与滑块4后端面之间对称安装有第一弹簧1和第二弹簧13，所述壳体18前端板与滑块4前端面之间对称安装有第三弹簧14和第四弹簧15；所述壳体18内安装有用于检测检测端子12受力大小的测力机构。
27.实施例1中测力机构包括第一霍尔传感器2、第一永磁体3、第二霍尔传感器5及第二永磁体6；
28.所述壳体18后端板中部安装有第一霍尔传感器2，所述滑块4的后端板安装有与第一霍尔传感器2正对设置的第一永磁体3；第一永磁体3和第一霍尔传感器2之间距离变化表现为第一霍尔传感器2接收到的电压信号的变化，距离越近，则电压信号越大，距离越远，电压信号越小；通过第一霍尔传感器2的电压信号变化，即可得到第一弹簧1和第二弹簧13的压缩量，根据虎克定律，得到压力f1；
29.所述壳体18前端板上安装有第二霍尔传感器5，所述滑块4前端面上安装有与第二霍尔传感器5正对设置的第二永磁铁6；第二永磁体6和第二霍尔传感器5之间距离变化表现为第二霍尔传感器5接收到的电压信号的变化，距离越近，则电压信号越大，距离越远，电压信号越小；通过第二霍尔传感器5电压信号变化，即可得到第三弹簧14和第四弹簧15的伸长量，根据虎克定律，得到拉力f2，滑块4受到的作用力为f1+f2；f1+f2的总和与检测端子12受到的作用力f3互为反作用力，因此测得检测端子12受到的作用力f3。
30.一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置的工作原理为：
31.首先将检测装置安装到检测机器人的机械臂，通过检测机器人的运动带动检测装置进行检测，当检测端子12遇到待检体后，受到向上的压力，此时滑块4、连杆7及检测端子12向壳体18的后端板一侧运动，第一弹簧1和第二弹簧13受到压力，第三弹簧14和第四弹簧15受到拉力；
32.在压缩空间内，第一弹簧1和第二弹簧13变形量等于第一永磁体3和第一霍尔传感器2之间的距离变化，第一永磁体3和第一霍尔传感器2之间距离变化表现为第一霍尔传感器2和接收到的电压信号变化，距离越近，则电压信号越大，距离越远，电压信号越小；因此，通过第一霍尔传感器2的电压信号变化，可计算出第一永磁体3和第一霍尔传感器2之间的距离，得到第一弹簧1和第二弹簧13的压缩量，并且通过虎克定律，得到压力f1；
33.在拉伸空间内，第三弹簧14和第四弹簧15变形量等于第二永磁体6和第二霍尔传感器5之间的距离变化，第二永磁体6和第二霍尔传感器5之间距离变化表现为第二霍尔传感器5和接收到的电压信号变化，距离越近，则电压信号越大，距离越远，电压信号越小；因此，通过第二霍尔传感器5的电压信号变化，计算第二永磁体6和第二霍尔传感器5之间的距离，得到第三弹簧14和第四弹簧15的伸长量，并且通过虎克定律，得到拉力f2；因此滑块4受到的作用力为f1和f2之和，而f1和f2之和与检测端子12受到的作用力f3互为反作用力，即可测得检测端子12受到的作用力f3，实现高分辨作用力检测。
34.当将检测装置安装到两个机械臂之间，或机械臂与机械手之间，则一方面可以测出末端机械臂或机械手所受到的压力；另一方面可以测出末端机械臂或机械手所受到的拉力，所受拉力的测量原理为压力测量的反向过程。本实用新型检测装置具有体积小、灵活性好、分辨率高以及装置结构简单的特点。
35.实施例2
36.实施例2与实施例1的区别在于测力机构不同，如图2和图3所示。
37.实施例2中测力机构包括第一齿条9、第一齿轮8、第二齿条11和第二齿轮10；
38.所述第一齿条9一端安装于滑块4后端面上，且朝向壳体18后端板一侧设置，第二齿条11一端安装于滑块4前端面上，且朝向壳体18前端板一侧设置，所述壳体18内分别安装有与第一齿条9啮合的第一齿轮8以及与第二齿条11啮合的第二齿轮10，所述第一齿轮8和第二齿轮10的端面上均安装有激光光纤16，且在壳体18内安装有用于接收激光的八个激光
接收器17。
39.一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置的工作原理为：
40.首先将检测装置安装到检测机器人机械臂，通过检测机器人的运动带动检测装置进行检测，当检测端子12遇到待检体后，受到向上的作用力，此时滑块4、连杆7及检测端子12向壳体18的后端板一侧运动，第一弹簧1和第二弹簧13受到压力，第三弹簧14和第四弹簧15受到拉力；
41.在压缩空间内，第一齿条9上移，带动第一齿轮8转动，第一齿条9的齿移动量等于第一齿轮8的齿的转动量，第一齿轮8内的激光光纤16射出激光，激光射出方向指向第一齿轮8外侧，被激光接收器17接收，本实施例中在180度范围内布置了八个激光接收器17，根据不同位置的激光接收器17可以反映出第一齿轮8的变化量，因此第一齿条9的位移量可知，则压缩空间内第一弹簧1和第二弹簧13的压缩量可知，得到压力f1已知；
42.在拉伸空间内，第二齿条11上移，带动第二齿轮10转动，第二齿条11的齿移动量等于第二齿轮10的齿的转动量，第二齿轮10内的激光光纤16射出激光，被激光接收器17接收，本实施例中在180度范围内布置了八个激光接收器17，根据不同位置的激光接收器17可以反映出第二齿轮10的变化量，因此第二齿条11的位移量可知，则拉伸空间内第三弹簧14和第四弹簧15的压缩量可知，得到压力f2；因此滑块4受到的作用力为f1和f2之和，而f1和f2之和与检测端子12受到的作用力f3互为反作用力，即可测得检测端子12受到的作用力f3，实现高分辨作用力检测。
43.当检测装置安装到两个机械臂之间，或机械臂与机械手之间，则一方面可以测出末端机械臂或机械手所受到的压力；另一方面可以测出末端机械臂或机械手所受到的拉力，所受拉力的测量原理为压力测量的反向过程。本实用新型检测装置具有体积小、灵活性好、分辨率高以及装置结构简单的特点。

技术特征：

1.一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于，包括壳体，所述壳体内腔安装有沿着壳体长度方向滑动的滑块，滑块的前端设置有带有夹持头的连杆，连杆通过滑块的往复移动伸出和收回壳体，连杆的前端安装有检测端子，所述壳体内腔后端板与滑块后端面之间以及滑块前端面与壳体内腔前端板之间均安装有弹簧，所述壳体内安装有用于检测检测端子受力大小的测力机构。2.根据权利要求1所述的一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于：所述壳体后端板与滑块后端面之间对称安装有第一弹簧和第二弹簧。3.根据权利要求1所述的一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于：所述壳体前端板与滑块前端面之间对称安装有第三弹簧和第四弹簧。4.根据权利要求1所述的一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于：所述壳体内腔沿滑块移动方向对称设置有导轨，所述滑块两端分别开设有与导轨滑动配合的滑槽。5.根据权利要求1所述的一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于：所述测力机构分为两种，第一种为传感器测力机构，第二种为激光测力机构。6.根据权利要求1所述的一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于：传感器测力机构包括第一霍尔传感器、第一永磁体、第二霍尔传感器及第二永磁体；所述壳体后端板中部安装有第一霍尔传感器，所述滑块的后端板安装有与第一霍尔传感器正对设置的第一永磁体；所述壳体前端板上安装有第二霍尔传感器，所述滑块前端面上安装有与第二霍尔传感器正对设置的第二永磁体。7.根据权利要求1所述的一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，其特征在于：激光测力机构包括第一齿条、第一齿轮、第二齿条和第二齿轮；所述第一齿条一端安装于滑块后端面上，且朝向壳体后端板一侧设置，第二齿条一端安装于滑块前端面上，且朝向壳体前端板一侧设置，所述壳体内转动分别安装有与第一齿条啮合的第一齿轮以及与第二齿条啮合的第二齿轮，所述第一齿轮和第二齿轮的端面上均安装有激光光纤，且壳体上安装有用于接收激光的多个激光接收器。

技术总结

一种基于柔性前端的高分辨作用力检测装置，属于检测装置技术领域，包括壳体，所述壳体内腔安装有沿着壳体长度方向滑动的滑块，滑块的前端设置有带有夹持头的连杆，连杆通过滑块的往复移动伸出和收回壳体，连杆的前端安装有检测端子，所述壳体内腔后端板与滑块后端面之间以及滑块前端面与壳体内腔前端板之间均安装有弹簧，所述壳体内安装有用于检测检测端子受力大小的测力机构。本实用新型检测装置兼具测量拉力和压力的功能，且具有分辨率高、灵活性好、体积小、以及装置结构简单的特点。以及装置结构简单的特点。以及装置结构简单的特点。