具有蛇形或螺旋形变形梁和过载梁的力/扭矩传感器制造技术

一种力/扭矩传感器(110、130、140、150)包括连接TAP(112)和MAP(114)的多个蛇形(116、132、142)或螺旋形(152)可变形梁。这些类型的形状增加了可变形梁(116、132、142、152)的总长度，从而降低了它们的刚度。除了可变形梁(116、132、142、152)之外，还有多个直的过载梁(118)，每个过载梁(118)在第一端连接到TAP(112)和MAP(114)中的一个，并且在第二端与TAP(112)和MAP(114)中的另一个间隔开预定宽度的过载间隙(120)。在力和扭矩的第一范围内，可变形梁(116、132、142、152)上的应变计(134)将压缩和拉伸应变转换为电信号，该电信号被处理以解析力和扭矩。在大于第一范围的力和扭矩的第二范围内，过载梁(118)关闭过载间隙(120)，与TAP(112)和MAP(114)两者建立刚性接触。传感器(110、130、140、150)在力和扭矩的第二范围内的刚度大于在第一范围内的刚度。刚度大于在第一范围内的刚度。刚度大于在第一范围内的刚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有蛇形或螺旋形变形梁和过载梁的力/扭矩传感器
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2019年3月10日提交的美国临时专利申请序列号62/816,191和于2019年11月13日提交的美国专利申请序列号16/682,475的优先权，其全部内容通过引用合并于此。


[0003]本专利技术一般涉及力/扭矩传感器，并且特别涉及通过使用蛇形或螺旋形可变形梁和过载梁而表现出过载激活之后的刚度与过载激活之前的刚度的高比率的紧凑型传感器。

技术介绍

[0004]机器人技术在工业、医疗、航空航天、科学和其他应用中是一个不断增长且日益重要的领域。在许多情况下，机器人手臂或与其相连的工具接触表面或物体(例如工件)，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部件。
[0005]用于机器人应用的力/扭矩传感器在本领域中是已知的。例如，美国专利号10,422,707和10,067,019中描述了机器人工具力/扭矩传感器。前者的图1和图2包含在本文中，作为对基于应变计的力/扭矩传感器概念的介绍。在此类传感器中，本领域已知许多变体，并且图1和图2中描绘的特定设计并不意味着具有代表性或限制性。
[0006]如上述专利中所描述的，并参考图1，一种类型的力/扭矩传感器10使用应变计1
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6来测量连接两个机械部件的小梁16a
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c的变形——一个连接到机器人手臂，另一个连接到机器人工具(或与工具的机械耦合)或其他末端执行器。例如，在本领域中称为工具适配器板(Tool Adapter Plate,TAP)12的中央“毂(hub)”可以连接到工具。在本领域中称为安装适配器板(Mounting Adapter Plate,MAP)14的另一个围绕TAP环形布置并与TAP间隔开的主体可以连接到机器人手臂(或反之亦然)。TAP12和MAP14通过多个相对较薄(因此可机械变形)的梁16a、16b、16c相互连接，这些梁16a、16b、16c围绕TAP12径向布置——在该设计中，类似于车轮的辐条。分别附接到TAP12和MAP14的物体之间的相对力或扭矩试图相对于TAP12移动MAP14，导致梁16中的至少一些轻微变形或弯曲，如图2所示(不按比例)。通过将每个梁16连接到MAP14的非常薄的弯曲部17来增强变形。
[0007]应变计1
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6固定到每个梁16的一个或多个表面。应变计1
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6将梁表面处由梁的机械变形引起的应变转换为电信号。例如，应变计1
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6可以是通过响应伸长或收缩改变它们的电阻来响应拉伸、压缩和剪切应变的某些组合的应变计。一旦校准，来自所有梁16上的应变计1
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6的信号被一起处理以解析机器人手臂和附接工具之间的相对力和/或扭矩的大小和方向。如本文所用，术语“应变计”是指可预测地响应材料的机械变形的任何传感器或换能器(或传感器或换能器的组合)，该响应可被检测、量化并用于解析造成变形的力或扭矩。以上引用的专利提供了关于特定力/扭矩传感器10的具体方面的更多细节，针对其描述了创造性的改进。
[0008]这种通用类型的力/扭矩传感器在有限的力和/或扭矩值范围内工作良好。典型的
传感器由刚性材料制成，例如铝或钢，在施加非常低的力时它们根本不会变形。在有限的力/扭矩值范围内，梁或其他可变形构件会轻微变形，由此产生的拉伸和压缩力由应变计检测并由测量电子设备量化。然而，随着施加的力或扭矩的大小增加，由于可变形构件相当短且非常坚硬，它们在遭受金属疲劳或屈服之前几乎不会进一步发生位移——这会分别减少或终止传感器的使用寿命。力/扭矩传感器通常以不同的尺寸制造，并指定用于仅经历其各自指定范围内的力/扭矩值的操作。然而，并非所有机器人应用都享有受控环境。例如，部署在诸如执法、军事、太空探索等现实世界环境中的机器人可能会遇到超过其设计额定值的临时或甚至持续的力和扭矩。
[0009]防止在过载情况下对力/扭矩传感器的损坏的一种方法是提供过载特征。一种类型的过载特征在本文中被称为“过载梁”(区别于“可变形梁”，其可以被仪表化)。公开的中国申请CN103528726的图1描绘了一个示例，其作为图3包括在本文中。在该传感器中，可变形梁2在+/
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x和y方向上将TAP 1连接到MAP 4。可变形梁2在每个梁2的相对侧配备有应变计R17
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R20、R21
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R24、R25
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R28和R29
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R32。一组过载梁3以45度角径向散布在可变形梁2之间。过载梁3没有配备应变计。过载梁3在一端连接到TAP 1，但在另一端与MAP 4的接触间隔开一窄间隙，例如千分之几英寸。该间隙的宽度设计为允许过载梁3在可变形梁2的正常变形范围内自由移动——也就是说，它允许连接TAP 1和MAP 4的可变形梁2在其设计的运动范围内移动(变形)，允许TAP 1和MAP 4之间的轻微相对运动。然而，当施加的力或扭矩达到传感器的设计最大值，并且可变形梁2变形了其最大设计量时，一个或多个过载梁3将关闭该间隙并与MAP 4硬接触。过载梁3比可变形梁2更硬/更坚固；因此，进一步施加的力/扭矩不会使可变形梁2进一步变形，因为过载梁3会吸收多余的力并防止TAP 1和MAP 4之间的任何进一步相对运动。
[0010]图4来自公开的中国申请CN1283985，描述了不同形式的过载特征。可变形梁2将TAP 6连接到MAP 9。在可变形梁2的变形极限，TAP 6和MAP 9的相对水平移动受到刚性附接到MAP 9并且布置在TAP 6中的孔8内的销5的约束。孔8的半径比销5的半径稍大δ1。TAP 6和MAP 9的相对垂直移动受到它们的间距的约束——TAP 6和MAP 9以宽度为δ2的间隙间隔开。过载特征的其他配置在本领域中是已知的。
[0011]传统的过载特征，如图3和图4中描绘的间隙，需要在配合过载特征之间保持非常严格的公差。这可能会增加力/扭矩传感器的成本。此外，实现非常严格的公差可能需要在组装成传感器后对部件进行机械加工/对准，这有损坏传感器的风险，并且由于在制造过程中增加了单独的步骤而可能会增加加工部件的交货时间。此外，如果存在严格的公差并且传感器与其预期的零负载位置略微偏离，则传感器可准确测量的范围将不会以零负载位置为中心，这可能导致传感器过早发生故障或传感器无法在其整个规定范围内准确测量。
[0012]包括过载特征的构件(即，图3的过载梁3或图4的销5)的刚度通常略大于传感器中可变形构件的刚度，可变形构件经历的变形被感测、测量、并转化为力和扭矩。理想情况下，一旦过载特征激活——例如，一旦间隙消除并且过载特征在TAP和MAP之间进行硬接触——可变形构件中的所有进一步变形(被测量为应变)应该停止增加。然而，实际上，如果过载特征的刚度与可变形构件的刚度相似，则向传感器施加更多负载将继续增加应变计测得的应力。这一事实对过载激活点之后和传感器结构屈服之前可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种力/扭矩传感器(110、130、140、150)，包括可操作以连接到第一物体的工具适配器板TAP(112)和可操作以连接到第二物体的安装适配器板MAP(114)，所述力/扭矩传感器(110、130、140、150)的特征在于：一个或多个蛇形可变形梁(116、132、142)，其将所述TAP(112)连接到所述MAP(114)，其中沿着所述蛇形可变形梁(116、132、142)的中心线从TAP(112)的附接点到MAP(114)的附接点的至少一个有向路径连续地向左偏离瞬时直线至少一次和向右偏离瞬时直线至少一次；应变计(134)，其固定到至少一些所述蛇形可变形梁(116、132、142)的一个或多个表面，所述应变计(134)可操作以将蛇形可变形梁(116、132、142)中由所述梁(116、132、142)变形引起的应变转换为信号；和测量电路，其可操作以响应来自所有应变计(134)的信号来测量所述第一物体和所述第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。2.根据权利要求1所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其特征还在于：一个或多个过载梁(118)，其在第一端连接到所述TAP(112)和MAP(114)中的一个，并且在第二端与所述TAP(112)和MAP(114)中的另一个间隔开预定宽度的过载间隙(120)，每个过载梁(118)表现出比蛇形可变形梁(116、132、142)更大的刚度。3.根据权利要求3所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述过载间隙(120)由与所述TAP(112)或MAP(114)不同的部件形成，该部件刚性附接到所述TAP(112)或MAP(114)中的一个，并且与所述TAP(112)或MAP(114)中的另一个形成所述过载间隙(120)。4.根据前述权利要求中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个蛇形可变形梁(116、132、142)包括多个平行的可变形梁段，所述可变形梁段以蛇形构造连接在所述TAP(112)和MAP(114)之间。5.根据前述权利要求中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个蛇形可变形梁(116、132、142)包括：第一段；第一和第二蛇形区，分别连接在所述第一段与所述MAP(114)和TAP(112)之一的分离点之间；和第二段，其连接在所述第一段与所述MAP(114)和TAP(112)中的另一个之间。6.根据权利要求2
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5中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中多个过载梁(118)中的每一个径向散布在多个蛇形可变形梁(116、132、142)中的每一个之间。7.根据权利要求2
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6中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个过载间隙(120)基本上是圆形的。8.根据权利要求2
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7中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中对于每个过载梁(118)还包括固定在所述MAP(114)或TAP(112)上方和下方的板，所述板与所述过载梁(118)间隔开一过载间隙，所述板限定z方向间隙，所述z方向间隙限制所述过载梁(118)垂直于所述TAP(112)、MAP(114)和过载梁(118)的公共平面的移动。9.根据权利要求8所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，还包括限定所述z方向间隙的塞尺。10.根据权利要求8所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述板被加工以限定所述z方向间隙。
11.根据权利要求2
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10中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中：在所述TAP(112)和MAP(114)之间施加的力或扭矩的第一范围内，所述蛇形可变形梁(116、132、142)可操作以变形，并且MAP(114)所述过载梁(118)的第二端由于所述过载间隙(120)而不接触TAP(112)或MAP；并且在所述TAP(112)和MAP(114)之间施加的力或扭矩的大于所述第一范围的第二范围内，至少一个过载梁(118)的第二端关闭所述过载间隙(120)并接触所述TAP(112)或MAP(114)，防止所述TAP(112)和MAP(114)之间的进一步运动并且因此名义上防止所述蛇形可变形梁(116、132、142)的进一步变形。12.根据权利要求11所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述传感器(110、130、140、150)在力或扭矩的所述第一范围内在所施加的力或扭矩下表现出第一刚度或运动阻力，...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
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：