具有受控热传导的机器人力/扭矩传感器制造技术

机器人力/扭矩(FT)传感器约束附接工具产生的热量经FT传感器主体径向传导。工具的热量经导热构件引导到FT传感器主体的中心。工具的热量通过绝热构件与FT传感器主体的除其中心以外的部分隔离。如附接到可变形梁表面的应变计的换能器从FT传感器主体的中心以基本相等的距离布置。当热量从中心经FT传感器主体径向向外传导时，所有换能器在任何给定时间经历基本相等的热负荷。本发明专利技术的实施例基本消除了以如半桥或四分之一桥的差分电路拓扑连线的转换器组之间的热梯度，增强了这种电路抑制由FT传感器主体或换能器本身的热变化引起的共模信号分量的能力。消除FT传感器主体中除径向方向以外的热梯度，提高了已知温度补偿技术的有效性。效性。效性。

【技术实现步骤摘要】
具有受控热传导的机器人力/扭矩传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年6月16日提交的题为“Robotic Force/Torque Sensor with Controlled Thermal Conduction”的美国专利申请第16/902,674号的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0003]本专利技术总体上涉及用于机器人应用的力/扭矩传感器，并且具体地涉及在操作期间在整个传感器主体上具有可预测的热量分布的力/扭矩传感器。

技术介绍

[0004]机器人技术在工业、医疗、科学、航空航天和其他应用中是一个不断增长且日益重要的领域。在机器人臂或与其附接的工具与工件接触的许多情况下，必须密切监控所施加的力和/或扭矩。因此，力/扭矩传感器是许多机器人系统的重要组成部分。
[0005]许多类型的力/扭矩传感器在本领域中是已知的。一种已知类型的力/扭矩传感器使用机械
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电换能器，如应变计，来测量连接传感器主体两个区域的小梁的变形，一个这样的区域连接到机器人臂，另一个区域连接到机器人工具。例如，传感器主体的中心区域(在本领域中通常称为工具适配器板(Tool Adapter Plate,TAP)，并且在本文中称为“工具接口区域”)(直接或间接)连接到工具。围绕工具接口区域环形地设置并与工具接口区域间隔开的传感器主体的另一区域(在本领域中通常称为安装适配器板(Mounting Adapter Plate,MAP)，并在本文中称为“安装接口区域”)(直接或间接)连接到机器人臂。虽然在一些实施例中，工具接口区域和安装接口区域可以是组装成力/扭矩传感器的分开的部件，但在许多现代设计中，力/扭矩传感器主体是单一设计，例如由单个块(或片)金属铣削而成。术语工具接口区域和安装接口区域是指两种类型的力/扭矩传感器结构。
[0006]当然，在任何给定的应用中，机器人可以连接到工具接口区域并且工具可以连接到安装接口区域。因此，术语工具接口区域和安装接口区域在本文中仅用作参考术语。此外，如本领域公知的，一个或多个其他装置可以插入在力/扭矩传感器与工具或机器人之间，例如机器人工具更换器的主单元和工具单元。
[0007]安装接口区域和工具接口区域通过多个相对薄的(因此可机械变形的)梁彼此连接，这些梁围绕工具接口区域径向布置，在一些情况下类似于车轮的辐条。分别附接到工具接口区域和安装接口区域的物体之间的相对力或扭矩试图相对于工具接口区域移动安装接口区域，导致至少一些梁的轻微变形或弯曲。
[0008]诸如应变计的换能器以各种位置和取向固定到至少一些梁的一些或所有表面。表现出与应变相关的阻力的应变计将梁表面的拉伸和压缩应变(由梁的机械变形引起)转换为电信号。来自仪表化梁上的应变计的信号在校准后被一起处理，以解析工具接口区域和安装接口区域之间以及因此工具和机器人之间的相对力和/或扭矩的大小和方向。作为非限制性示例，均已转让给本申请的受让人的美国专利公开2017/0211999和2017/0205296以
及国际公开WO2018/200668描述了用于机器人应用的力/扭矩传感器。这些公开内容通过引用整体并入本文。
[0009]如本领域中已知的，并且如以上并入的公开内容中所讨论的，热变化对准确的力/扭矩测量具有有害影响。例如，传感器和/或电缆的电阻变化、传感器主体材料膨胀以及其他影响会导致误差。
[0010]与箔应变计相比，硅应变计由于其高灵敏度而优选用于许多应用。然而，它们表现出明显更差的温度性能。硅应变计有两种主要的温度效应——应变计的电阻温度系数(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)和应变计的应变因子温度系数(Temperature Coefficient of Gage Factor,TC GF)。当硅应变计的电阻随温度变化时，TCR就会出现。在某些应变计中，电阻在0
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50℃温度波动范围内的变化可能比传感器满量程加载时的变化更大。TCGF的出现是因为硅应变计的应变因子(其描述应变计经受的应变与所导致的其电阻变化之间的相关性)与温度有关。用于将应变计连接在一起并测量电子设备的导体的电阻也与温度有关。
[0011]随着温度升高，金属力/扭矩传感器主体将膨胀至材料的膨胀系数描述的程度。例如，钢的膨胀系数大约为11ppm/K，这意味着温度升高1摄氏度时可以预期11μm/m的膨胀。即使没有施加机械载荷，这种膨胀也会被表面应变计“检测”为明显应变。
[0012]可引入误差的其他热因素(尽管通常不如上述那些突出)包括在其上具有温度梯度的应变计的平衡电路的错误非共模输出；传感器主体材料的弹性模量的温度依赖性；由于激励电压引起的应变计的自发热；应变计载体材料的相对湿度和吸湿性；以及用于将应变计粘合到传感器主体表面的粘合剂的有效性与温度相关的变化。
[0013]在本领域中已经尝试消除温度变化对力/扭矩传感器的有害影响。具有适应特定材料的温度特性的自补偿应变计表现出较少的温度相关效应。然而，自补偿应变计比传统应变计更复杂、更昂贵，并且必须与力/扭矩传感器主体材料仔细匹配。此外，一些电路配置，例如半惠斯通电桥电路，会导致温度引起的变化表现为至少在电桥中的所有应变计都经历相同温度变化的情况下共模信号被抵消(如上所述，跨桥配置的热梯度破坏了这一假设)。
[0014]如以上并入的公开内容中所讨论的，用于针对温度引起的误差补偿应变计读数的先进技术在本领域中是已知的。例如，US2017/0205296公开了将应变计固定到传感器主体的非受力部分。由于传感器主体的膨胀以及传感器和/或电缆的电阻率的变化，该应变计检测到的任何明显应变都是纯热诱导的，并且可以在测量实际力和扭矩时从其他应变计的输出中通过数学方法去除。WO 2018/200668公开了接近应变计的热传感器的使用，以及针对局部温度变化对个别应变计输出的显式补偿。该公开文本还公开了一种瞬态温度补偿方法，由此对整个传感器主体中的瞬态温度分布进行建模，并且从测量信号中预测和去除热致应变。
[0015]通常，这些技术在整个力/扭矩传感器主体上温度变化均匀的情况下最有效——这在实际应用中很少出现。然而，即使接受不均匀加热的必然性，控制加热使得基本上所有应变计都基本上同时经历温度变化将是有利的。
[0016]本文的
技术介绍
部分被提供用于将本专利技术的实施例置于技术和操作背景中，以帮助本领域技术人员理解它们的范围和效用。
技术介绍
部分中描述的方法可以采用，但它们
不一定是先前已构想或采用过的方法。除非明确指出，本文中的任何陈述都不能仅因为将其包含在
技术介绍
部分中而被认为是现有技术。

技术实现思路

[0017]下面给出本公开内容的简化概述，以便为本领域技术人员提供基本的理解。该概述不是对本公开的广泛概述并且不旨在确定本专利技术实施例的关键/必要要素或描绘本专利技术的范围。本概述的唯一目的是以简化形式呈现本文公开的一些概念，作为稍后呈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种置于机器人和发热工具之间的机器人力/扭矩传感器，包括：工具接口区域，其具有中心孔；安装接口区域，其围绕所述工具接口区域环形地设置并与所述工具接口区域间隔开；多个可变形梁，其围绕所述工具接口区域径向延伸并将所述工具接口区域连接到所述安装接口区域；换能器，其固定到至少一些所述可变形梁的表面并且被配置为将所述可变形梁表面处的拉伸和压缩应变转换成电信号；导热构件，其被配置为以导热关系接触所述中心孔；和绝热构件，其被配置为使所述机器人力/扭矩传感器的除所述中心孔之外的部分隔离与所述导热构件的热接触。2.根据权利要求1所述的机器人力/扭矩传感器，其中：来自所述发热工具的热量通过所述导热构件传导至所述中心孔，并且通过所述工具接口区域和可变形梁径向向外传导；并且所述换能器包括应变计，所述应变计沿着梁的长度以基本相同的距离固定到所述可变形梁的表面，从所述工具接口区域测量，由此所有应变计基本上同时经历由所述发热工具引起的温度变化。3.根据权利要求1所述的机器人力/扭矩传感器，其中所述导热构件包括：柄部，其尺寸和形状适于与所述中心孔的内表面热接触；和法兰，其连接到所述柄部并且尺寸和形状适于至少部分地在所述工具接口区域的第一表面上方延伸。4.根据权利要求3所述的机器人力/扭矩传感器，其中所述绝热构件包括：环形圈，其设置在所述工具接口区域的第一表面和所述导热构件的法兰之间。5.根据权利要求4所述的机器人力/扭矩传感器，还包括连接所述导热构件的法兰和所述工具接口区域的紧固件，其中所述绝热构件置于所述法兰和所述工具接口区域之间。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：奥腾工业自动化廊坊有限公司，
类型：发明
国别省市：