使用耦合载荷和较少应变计的扭矩传感器制造技术

一种扭矩传感器包括换能器板，换能器板包括由多个辐条和仪表梁连接的中心区和外围。换能器板在轴向扭矩下表现出机械顺应性，但在离轴载荷下表现出刚性。附接到仪表梁的应变计检测由轴向扭矩引起的变形。在一些实施例中，仪表梁是不对称的，允许将应变计放置在对轴向扭矩高敏感并且对离轴载荷低敏感的区域中。对一些离轴载荷的应变计响应被设计为与对其他离轴载荷的应变计响应耦合或线性相关。这减少了至少部分解析所有载荷所需的应变计的数量。辐条和仪表梁是通过以简单形状去除邻近的换能器板材料而成本有效地形成的。应变计可以以各种方式连接，如惠斯通四分之一桥、半桥或全桥拓扑。拓扑。拓扑。

【技术实现步骤摘要】
使用耦合载荷和较少应变计的扭矩传感器


[0001]本专利技术总体上涉及力和扭矩传感器，尤其涉及一种针对感测轴向扭矩进行优化的传感器，其利用耦合的离轴载荷来减少解析轴向扭矩所需的应变计的最小数量。

技术介绍

[0002]机器人是产品制造、测试、组装和包装；辅助和远程手术；空间探索；在危险环境中操作；以及许多其他应用不可或缺的一部分。许多机器人和机器人应用需要施加或经历力的量化，例如材料移除(研磨、砂磨等)、零件组装、远程挖掘或对环境的其他操纵等。
[0003]工业机器人通常包括通用致动器或“臂”，它包括由机电关节连接的多个段，这些段在不同的轴线和平面上移动和旋转，提供多个自由度。六自由度(6
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DOF)机器人臂通常用于工业制造，包括诸如焊接、材料搬运、材料移除、喷漆等操作。6
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DOF设计提供x、y和z平面的运动以及灵活性、强度和范围，用于众多任务。它可以使与工件交互的机器人工具或“末端执行器”执行滚动、俯仰和横摆运动。
[0004]在许多应用中，有必要或期望监测末端执行器和工件之间的力。例如，在“力控制”任务中，末端执行器被控制为施加预定力(或预定范围内的力)，这需要测量接触力和/或扭矩并反馈给机器人控制系统。测量6
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DOF机器人末端的力和扭矩有两种传统方法：在机器人和末端执行器之间放置6轴力/扭矩传感器；和测量机器人的多个关节中的每个关节处的扭矩并计算在末端产生的力和扭矩。
[0005]美国专利No.10422707描述了一种紧凑的6轴力/扭矩传感器，该专利转让给本申请的受让人并通过引用全部并入本文。该传感器基于传统设计，包括通过多个可变形梁连接到圆环(圆环连接到机器人)的轮毂(轮毂连接到工具)，该可变形梁包括皱褶部以增加梁在载荷下的变形。固定到可变形梁的应变计测量梁表面在施加载荷下变形时的张力和压缩力，并通过校准程序中开发的解耦矩阵将应变计电路输出解码并映射到六个力(Fx、Fy、Fz)和六个扭矩(Tx、Ty、Tz)。通常，至少需要六个应变计，并且许多设计使用更多的应变计(例如，将它们安装到每个可变形梁的相对侧或全部四个侧面)。此外，如上述美国专利No.10422707中所述，一个或多个无应力应变计也可用于提供温度补偿的基准，以减少由热漂移引起的误差。由于应变计和其他仪表电子器件数量众多，传统的6轴力/扭矩传感器价格昂贵。
[0006]可根据电机电流估算机器人关节扭矩。然而，这些结果往往是有干扰的。或者，可以在多个关节中的每个关节中安装关节扭矩传感器。关节扭矩传感器往往具有更高的精度和更高的信噪比。传统的关节扭矩传感器可以遵循上述6轴力/扭矩传感器设计，并基于仅必须测量一个扭矩(Tz)的要求来调整传感器几何形状和/或应变计位置。
[0007]已知的关节扭矩传感器具有许多缺陷。它们通常对离轴载荷敏感。也就是说，除了期望的Tz之外的力和扭矩将导致梁变形并产生应变计输出，这可能表现为轴向扭矩Tz测量中的误差。已知的关节扭矩传感器设计还对扭矩脉动(torque ripple)敏感，当测量接近应变波齿轮箱(strain wave gearboxes，也称为谐波驱动(harmonic drives))的扭矩时，经
常会发现扭矩脉动。扭矩脉动是扭矩测量中的周期性波动，难以补偿。即使在修改了6轴力/扭矩传感器设计以仅测量轴向扭矩Tz之后，具有精确加工的薄特征(例如皱褶部)和大量应变计的传感器仍然制造成本高昂。由于需要将多个传感器装配到6
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DOF机器人臂，因此这种方法在许多应用中仍然成本高昂。
[0008]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其范围和实用性。
技术介绍
部分中描述的方法可以被采用，但不一定是以前已经设想或采用的方法。除非明确指出，否则本文中的任何陈述都不能仅因为其包含在
技术介绍
部分中而被承认为现有技术。

技术实现思路

[0009]为了向本领域技术人员提供基本理解，以下给出了本公开的简化概要。该概要不是对本公开的广泛概述，并且不旨在识别本专利技术实施例的关键/紧要的元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给出本文中公开的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的前序。
[0010]根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，一种扭矩传感器包括换能器板，该换能器板包括通过多个辐条和仪表梁连接的中心区和外围。换能器板的辐条和仪表梁被设计为仅当施加轴向扭矩时允许显著的机械顺应性。一个实施例采用仪表梁上单表面应变计放置来检测由轴向扭矩引起的变形，而其他实施例采用侧梁应变计放置。辐条和仪表梁直接连接中心区和外围，没有中间皱褶部。仪表梁可以是不对称的，以允许将应变计放置在对轴向扭矩高敏感并且对离轴载荷低敏感的区域，而不将应变计放置在中性轴线上。对一些离轴载荷的应变计响应被设计为与对其他离轴载荷的应变计响应耦合或线性相关。这减少了至少部分解析所有载荷所需的应变计的数量。辐条是通过以简单形状(例如通孔和/或弧形槽)去除邻近的换能器板材料而成本有效地形成的。仪表梁是类似地通过以径向槽去除换能器板材料而形成的。与孔或弧形槽的凸弧形边缘相邻的径向槽的直边导致不对称的梁形状。应变计可以以多种配置连接，例如惠斯通四分之一桥、半桥或全桥拓扑。
[0011]一个实施例涉及被配置为测量第一物体和第二物体之间的轴向扭矩的扭矩传感器。该扭矩传感器包括大致圆形、大致平面的换能器板，该换能器板具有中心区和外围，该中心区具有垂直中心轴线z。一个或多个第一安装孔靠近中心区并且被配置为附接到第一物体。一个或多个第二安装孔靠近外围并且被配置为附接到第二物体。在中心区和外围之间穿过换能器板形成多个空隙，其中相邻空隙限定连接中心区和外围的辐条。在中心区和外围之间穿过换能器板形成一个或多个径向槽，每个径向槽与至少一个空隙相邻。径向槽和空隙之间的换能器板限定连接中心区和外围的仪表梁。应变计附接到仪表梁。应变计电路连接到应变计，并且被配置为输出取决于应变计的应变相关电阻的电压。
[0012]另一实施例涉及一种扭矩传感器。该传感器包括具有轴线并且被配置为附接在第一物体和第二物体之间的换能器板以及附接到换能器板的四个应变计，其中每个应变计连接到一个应变计电路。这种换能器板的配置、应变计的放置和应变计电路使得针对两个不同的力和扭矩对中的每一对的应变计响应是线性相关的，其中针对每对中的力的应变计响应与针对该对中的扭矩的应变计响应相差数倍，并且四个应变计电路输出包括四乘四线性系统，其中至少围绕该轴线的扭矩由这些应变计响应和解耦矩阵直接确定。
[0013]又一实施例涉及一种制造扭矩传感器的方法。提供大致圆形、大致平面的换能器板，该换能器板具有中心区和外围，该中心区具有垂直中心轴线z。靠近中心区形成一个或多个第一安装孔，第一安装孔被配置为附接到第一物体。靠近外围形成一个或多个第二安装孔，第二安装孔被配置为附接到第二物体。在中心区和外围之间穿过换能器板形成第一多个空隙，其中相邻的空隙限定连接中心区和外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种扭矩传感器，其被配置为测量第一物体和第二物体之间的轴向扭矩，包括：大致圆形、大致平面的换能器板，其具有中心区和外围，所述中心区具有垂直的中心轴线z；一个或多个第一安装孔，其靠近所述中心区并且被配置为附接到所述第一物体；一个或多个第二安装孔，其靠近所述外围并且被配置为附接到所述第二物体；在所述中心区和所述外围之间穿过所述换能器板的多个空隙，其中相邻的空隙限定连接所述中心区和所述外围的辐条；在所述中心区和所述外围之间穿过所述换能器板的一个或多个径向槽，每个径向槽与至少一个空隙相邻，其中在该径向槽和该空隙之间的所述换能器板限定连接所述中心区和所述外围的仪表梁；附接到所述仪表梁的应变计；以及应变计电路，其连接到所述应变计并且被配置为输出取决于所述应变计的应变相关电阻的电压。2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中至少一个空隙是通孔。3.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中至少一个空隙是弧形槽。4.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中至少一个径向槽是通孔。5.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述换能器板在围绕轴线的扭矩Tz下比在任何其他力Fx、Fy、Fz或扭矩Tx、Ty下表现出更大的机械顺应性。6.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述扭矩传感器包括至少四个应变计，每个应变计附接到单独的仪表梁。7.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其中所述应变计都附接到它们相应的仪表梁的同一侧。8.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其中每个应变计附接到其相应的仪表梁的一侧，该侧是径向槽的内侧。9.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其中有两个力或扭矩是耦合的，使得针对这两个力或扭矩中的一个的应变计响应是针对这两个力或扭矩中的另一个的应变计响应的倍数。10.根据权利要求9所述的扭矩传感器，其中不同的另外两个力或扭矩是耦合的，使得针对这两个力或扭矩中的一个的应变计响应是针对这两个力或扭矩中的另一个的应变计响应的倍数。11.根据权利要求10所述的扭矩传感器，其中这四个应变计响应以及单独的和耦合的载荷包括四乘四线性系统，并且其中围绕轴线的扭矩Tz直接由所述四个应变计响应和解耦矩阵确定。12.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其中平行于轴线的力Fz也直接由所述四个应变计响应和所述解耦矩阵确定。13.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述扭矩传感器是机器人关节扭矩传感器，并且其中所述第一物体是机器人臂的两段之间的关节的致动器，并且所述第二物体刚性地附接到所述两段之一。14.一种扭矩传感器，包括：换能器板，其具有轴线并且被配置为附接在第一物体和第二物体之间；和
附接到所述换能器板的四个应变计，每个应变计连接到一个应变计电路；其中所述换能器...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
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：