一种用于关节扭矩测量的传感器

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别涉及一种用于关节扭矩测量的传感器。

背景技术

关节扭矩传感器作为协作机器人感知外界力/力矩的核心硬件，其测量信号的质量，严重影响着协作机器人诸多功能的性能，如力控、拖动、碰撞检测等。传感器作为测力器件，其对外界的扰动相当敏感。这些干扰可能来源于机械加工误差，也可能来源于关节径向力的影响。这些影响都是不可避免的，严重制约了扭矩传感器的测试精度和信号质量。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种用于关节扭矩测量的传感器。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种用于关节扭矩测量的传感器，包括：

应变弹性体和信号处理PCB板，其中，所述应变弹性体用于感受形变并进行形变测量，所述信号处理PCB板用于进行模拟量信号处理，

所述应变弹性体采用圆形结构，所述应变弹性体包括外缘固定结构和内缘固定结构，所述外缘固定结构和内缘固定结构之间通过桥形承力梁连接，在所述外缘固定结构上设有多个装配孔，用于固定扭矩传感器的外缘；在所述内缘固定结构设有多个安装孔，用于固定传感器内缘；在所述桥型承力梁和传感器内缘的连接部分布置有多个应变测量腔，每个所述应变测量腔体内布置有两片应变片；所述信号处理PCB板安装在外缘固定结构和内缘固定结构之间。

进一步，所述应变弹性体采用铝制材料制成。

进一步，所述内缘固定结构和外缘固定结构之间进一步连接有传感器增强结构。

进一步，所述应变测量腔的数量为4个，采用对称的结构设计方式。

进一步，8片应变片组成两个惠斯通全桥。

进一步，

两个惠斯通全桥通道的测量值分别如下：

其中，ΔR为传感器翘曲变形扰动，ΔRΔε为干扰影响量；R

根据本发明实施例的用于关节扭矩测量的传感器，能够消除装配和传动过程中的不确定性影响，此传感器能够有效的降低力矩测量值的误差、噪声和两通道偏差值，补偿扭矩传感器装配和传动误差，有效消除径向力干扰对扭转力的影响。

本发明仅仅通过单个桥路的组桥方式就可以实现扭矩传感器装配和传动误差补偿。两个桥路可以获得几乎相同的测量结果，方便执行更加精准的双通道冗余校验，更加有效的保证产品的安全性。本发明的构型设计上充分考虑了扭转力和径向力不同的影响。在保证传感器对于扭转力具有相当高的灵敏度前提下，能够有效消弱径向力对测量值的影响。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1a和图1b分别为根据本发明实施例的用于关节扭矩测量的传感器俯视图和左视图；

图2为根据本发明实施例的应变弹性体的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的用于关节扭矩测量的传感器，包括：应变弹性体和信号处理PCB板，其中，应变弹性体用于感受形变并进行形变测量，信号处理PCB板用于进行模拟量信号处理，PCB板通过四个对称布置的螺钉19固定在应变弹性体上。

应变弹性体采用圆形结构，应变弹性体包括外缘固定结构和内缘固定结构，外缘固定结构和内缘固定结构之间通过桥形承力梁16连接，在外缘固定结构上设有多个装配孔(13,14)，用于固定扭矩传感器的外缘；在内缘固定结构设有多个安装孔12，用于固定传感器内缘。内缘固定结构和外缘固定结构之间进一步连接有传感器增强结构17。内缘留有通孔15，用于穿过传感器线缆。

在桥型承力梁和传感器内缘的连接部分布置有多个应变测量腔，每个应变测量腔体内布置有两片应变片。

在本发明的实施例中，应变弹性体采用铝制材料制成。

其中，应变弹性体采用图2所示的结构设计。装配孔13、装配孔14用于固定扭矩传感器外缘，安装孔12用于固定传感器内缘，桥型承力梁16和传感器内缘的连接部分布置有应变测量腔，每个应变测量腔体内布置有两片应变片(1，2)、(3，4)、(5，6)、(7，8)。整个弹性体采用对称的结构设计方式，一共四组桥形梁和增强结构。

基于弹性体材料抗弯能力远低于抗拉压能力的特点，应变弹性体中的桥形结构对于径向作用力，能够产生较大的变形，从而削弱径向力对应变腔的干扰。而应变弹性体中的桥形结构对径向扭转作用力，具有较高的刚度，此部分作用力能够有效的传递到应变腔，提高扭矩传感器对传感器扭转方向作用力的响应灵敏度。

针对扭矩传感器外缘固定结构和内缘固定结构之间的变形，图2中的结构既能够提高传感器测量有效值的灵敏度，也能够有效降低传感器径向扰动的影响。

信号处理PCB板18安装在外缘固定结构和内缘固定结构之间。图1a和图1b中分别给出了整体的俯视图和左视图。信号处理PCB板18包括多个电子元器件(9、10、11)，完成电压值模拟量的测量、传感器线性系数标定。

在本发明的实施例中，应变测量腔的数量为4个，采用对称的结构设计方式。8片应变片(1、2、3、4、5、6、7、8)组成两个惠斯通全桥。

本发明通过巧妙的选择组成全桥的应变片，能够有效消除装配和传动过程中误差对力矩测量值的影响，能够有效消除径向载荷对扭矩传感器测量值的影响。每一路惠斯通全桥中选择的应变片都具有对称的形变，能够消除装配和传动过程中误差的影响，同时保证两通道的一致性。

通过合理的组桥方式，两通道的测量值如下：

基于传感器完全对称的结构设计，机械装配和传动过程中的扰动对四个应变腔具有相同或是相反的影响。基于此特点，针对传感器翘曲变形扰动ΔR，给出下述包含扰动的传感器输出值。相比于期望的力矩测量值，本专利的组桥方式能让干扰的影响减小为二阶小量ΔRΔε：

其中，ΔR为传感器翘曲变形扰动，ΔRΔε为干扰影响量；R

根据本发明实施例的用于关节扭矩测量的传感器，能够消除装配和传动过程中的不确定性影响，此传感器能够有效的降低力矩测量值的误差、噪声和两通道偏差值，补偿扭矩传感器装配和传动误差，有效消除径向力干扰对扭转力的影响。

本发明仅仅通过单个桥路的组桥方式就可以实现扭矩传感器装配和传动误差补偿。两个桥路可以获得几乎相同的测量结果，方便执行更加精准的双通道冗余校验，更加有效的保证产品的安全性。本发明的构型设计上充分考虑了扭转力和径向力不同的影响。在保证传感器对于扭转力具有相当高灵敏度的前提下，能够有效消弱径向力对测量值的影响。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。