基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置制造方法及图纸

基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置，属于机器人机械臂精密控制的传感测量技术，其技术要点是：机器人关节扭矩的输出轴上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条，超磁致伸缩材料涂层条分为正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条，正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在输出轴上；输出轴上于超磁致伸缩材料涂层条的外侧套设有套筒，所述套筒的内壁上装配有激励线圈，激励线圈的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈和右测量线圈。本发明专利技术在不接触传动轴、不改变传动轴受力状况以及旋转和动态工作条件下对扭矩进行高准确度、高精度的实时动态测量，从而实现对机械臂的精密控制。

Non contact robot torque measuring device based on inverse magnetostriction effect

The non-contact robot joint torque measuring device based on the inverse magnetostrictive effect belongs to the sensing and measuring technology of the precision control of the robot manipulator. The main technical points are as follows: the output shaft of the robot joint torque is coated with giant magnetostrictive material coatings, and the giant magnetostrictive material coatings are divided into positive giant magnetostrictive materials. The coating strip and the negative giant magnetostrictive material coating strip, the positive giant magnetostrictive material coating strip and the negative giant magnetostrictive material coating strip are symmetrically obliquely coated on the output shaft along the axial direction, and a sleeve is arranged on the outer sleeve of the giant magnetostrictive material coating strip on the output shaft, and an excitation coil is arranged on the inner wall of the sleeve. The left and right measuring coils of the same specification are assembled on the inner wall of the excitation coil side by side. The invention carries out high accuracy and high precision real-time dynamic measurement of torque under the conditions of no contact transmission shaft, no change of force condition of transmission shaft and rotation and dynamic working, thereby realizing the precise control of the manipulator.

【技术实现步骤摘要】
基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置
本专利技术属于机器人机械臂精密控制的传感测量技术，主要涉及一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置。
技术介绍
机器人关节作为机器人的重要组成部件，其性能的好坏直接影响机器人的整体性能，实际工作中，要求机器人末端在承受一定的载荷条件下，能够按照规定的速度和加速度沿着指定的轨迹运动，而这主要取决于各关节系统能否动态提供所需的驱动力或者力矩。随着机器人在工业、军事、服务、医疗保健及航空航天等领域的应用和发展，对机器人机械臂控制的要求越来越高，例如空间机器人执行在轨维护(OOS)，需要对机械臂进行精密控制，来完成一系列维护动作；绘图机器人在工作中笔尖要以一定的作用力与工作面保持接触，需要对机械臂进行精密控制来实现机器人笔尖以合适的作用力与工作面接触，保证绘图精度。而对机器人机械臂的精密控制则离不开对机械臂关节扭矩的测量，因此，机械臂关节扭矩的精确测量技术越来越受到重视，越来越多的研究人员对机械臂关节扭矩的测量进行了深入的研究。公开号为CN206470010U的专利文献公开了重庆兵科机器人有限公司申请的一种机械臂关节扭矩测量装置，该装置由内连接环、外连接环、压力感应装置、弧状支架及弧状探头组成，通过弧状探头触发压力感应装置，再根据压力感应装置反馈的压力信息和压力感应装置所处的旋转半径，实现当前转动方向下的关节扭矩测量。该测量装置的优点在于：可实现双转向测量和扭矩数据多位置并行测量，灵敏度高；该测量装置存在的问题在于：结构复杂，存在多个探头和多根导线，影响装置的稳定性和测量精度。公开号为CN104215372A的专利文献公开了中国科学院沈阳自动化研究所申请的一种机械臂关节扭矩测量装置，该测量装置由弹性体、测头及位移检测期间组成，主要是通过将扭矩信息转换为弹性体的形变，然后通过测头将弹性体的形变转换为位移信息，根究不同大小的扭矩会产生不同大小的位移，实现对机械臂关节扭矩的测量。该测量装置的优点在于：体积小，重量轻，能够避免温度、湿度及电磁噪声等因素的影响；该测量装置存在的问题在于：属于接触型扭矩测量装置，存在稳定性及不确定度的问题，测量精度不高。
技术实现思路
：针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置，以实现在不接触传动轴、不改变传动轴受力状况以及旋转和动态工作条件下对扭矩进行高准确度、高精度的实时动态测量，从而实现对机械臂的精密控制的目的。本专利技术的基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置，为实现上述目的所采用的技术方案在于：所述机器人关节扭矩的输出轴上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条，所述超磁致伸缩材料涂层条分为正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条，所述正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在输出轴上；所述输出轴上于超磁致伸缩材料涂层条的外侧套设有套筒，所述套筒的内壁上装配有激励线圈，所述激励线圈的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈和右测量线圈；测量过程为：步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈4，用于提供正弦激励磁场，使两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；步骤b、将这两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b反向串联，用于传感测量的调零；步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条2的输出轴1在扭矩的作用下发生应变，使超磁致伸缩材料涂层条2的内部磁化状态改变，导致两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b中的磁场发生变化，输出差动感应电压Uo，所述输出差动感应电压Uo计算方式为：式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λs表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N2表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，Bs表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，Wp表示输出轴的抗截面系数，T表示扭矩。步骤d、根据输出差动电压Uo与扭矩呈正比例关系，获得扭矩值。作为本专利技术的进一步改进，所述正超磁致伸缩材料涂层条沿轴向倾斜﹢45°涂敷在输出轴上，所述负超磁致伸缩材料涂层条沿轴向倾斜﹣45°涂敷在输出轴上。如此设置，±45°可便于超磁致伸缩材料涂层条的内部磁化状态发生改变，进而便于两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b中的磁场发生变化。作为本专利技术的进一步改进，所述左测量线圈和右测量线圈沿轴线的长度均为1/2激励线圈沿轴线的长度。如此设置，以作为后续测量时反向串联调零的基础。作为本专利技术的进一步改进，所述超磁致伸缩材料涂层采用的材料是铽镝铁。如此设置，使超磁致伸缩材料涂层具有对应变敏感、响应速度快等突出特点，保证了装置的测量精度和响应速度。作为本专利技术的进一步改进，所述超磁致伸缩材料涂层条采用磁控溅射、真空蒸发、脉冲激光溅射或喷涂中的任意一种工艺制备而成。本专利技术的基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置的测量方法，采用的技术方案在于，包括以下步骤：步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈4，用于提供正弦激励磁场，使两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；步骤b、将这两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b反向串联，用于传感测量的调零；步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条2的输出轴1在扭矩的作用下发生应变，使超磁致伸缩材料涂层条2的内部磁化状态改变，导致两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b中的磁场发生变化，输出差动感应电压Uo，所述输出差动感应电压Uo计算方式为：式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λs表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N2表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，Bs表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，Wp表示输出轴的抗截面系数，T表示扭矩。步骤d、根据输出差动电压Uo与扭矩呈正比例关系，获得扭矩值。本专利技术的有意效果是：本专利技术将超磁致伸缩材料涂层条分别呈±45°方向等间隔均匀涂敷在输出轴的表面，以作为传感的核心材料，同时将套筒固定套设在输出轴上，并处于超磁致伸缩材料涂层条的外侧，将激励线圈装配于套筒的内壁上，再将两个规格相同的左测量线圈和右测量线圈分别装配于激励线圈的内壁的左半部分和右半部分上，用于提供传感测量的非接触环境。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)、本专利技术的测量原理主要是基于在输出轴上涂敷超磁致伸缩材料涂层条而产生逆磁致伸缩效应，再将将扭矩信号转换为电压信号进行输出，其输出信号与被测扭矩成正比，从而测量出关节的扭矩，其测量原理简单；(2)、本专利技术的扭矩测量装置主要由涂敷在输出轴上的超磁致伸缩材料涂层条、套设在输出轴上的套筒、设于套筒内壁上的激励线圈、设于激励线圈内壁上的左测量线圈和右测量线圈5个部件构成，使本专利技术达到在不接触传动轴、不改变传动轴受力状况以及旋转和动态工作条件下对扭矩进行高准确度、高精度的实时动态测量，且相比传统扭矩测量装置，结构更为简单，其中输出轴与套筒的固定连接结构更为简单、牢固可靠；(3)本专利技术采用铽镝铁作为传感材料制作超磁致伸缩材料涂层条，使其具有对应变敏感、响应速度快等突出特点，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置，其特征在于：所述机器人关节扭矩的输出轴(1)上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)，所述超磁致伸缩材料涂层条(2)分为正超磁致伸缩材料涂层条(2a)和负超磁致伸缩材料涂层条(2b)，所述正超磁致伸缩材料涂层条(2a)和负超磁致伸缩材料涂层条(2b)等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在输出轴(1)上；所述输出轴(1)上于超磁致伸缩材料涂层条(2)的外侧套设有套筒(3)，所述套筒(3)的内壁上装配有激励线圈(4)，所述激励线圈(4)的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)；测量过程为：步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈(4)，用于提供正弦激励磁场，使两个规格相同的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；步骤b、将这两个规格相同的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)反向串联，用于传感测量的调零；步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)的输出轴(1)在扭矩的作用下发生应变，使超磁致伸缩材料涂层条(2)的内部磁化状态改变，导致两个规格相同的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)中的磁场发生变化，输出差动感应电压Uo，所述输出差动感应电压Uo计算方式为：...

【技术特征摘要】
1.基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置，其特征在于：所述机器人关节扭矩的输出轴(1)上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)，所述超磁致伸缩材料涂层条(2)分为正超磁致伸缩材料涂层条(2a)和负超磁致伸缩材料涂层条(2b)，所述正超磁致伸缩材料涂层条(2a)和负超磁致伸缩材料涂层条(2b)等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在输出轴(1)上；所述输出轴(1)上于超磁致伸缩材料涂层条(2)的外侧套设有套筒(3)，所述套筒(3)的内壁上装配有激励线圈(4)，所述激励线圈(4)的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)；测量过程为：步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈(4)，用于提供正弦激励磁场，使两个规格相同的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；步骤b、将这两个规格相同的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)反向串联，用于传感测量的调零；步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)的输出轴(1)在扭矩的作用下发生应变，使超磁致伸缩材料涂层条(2)的内部磁化状态改变，导致两个规格相同的左测量线圈(5a)和右测量线圈(5b)中的磁场发生变化，输出差动感应电压Uo，所述输出差动感应电压Uo计算方式为：式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λs表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N2表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，Bs表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，Wp表示输出轴的抗截面系数，T表示扭矩。步骤d、根据输出差动电压Uo与扭矩呈正比例关系，获得扭矩值。2.如权利要求1所述的基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置，其特征在于：所述正超磁致伸缩材料涂层条(2a)沿轴向倾斜﹢45°涂敷在输...

【专利技术属性】
技术研发人员：王静，王雷，唐钰璇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23