CN102812341A - 多轴向力-扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有换能器结构的多轴向力-扭矩传感器，应变量计置于限定的区域中以测量应变，根据应变来计算力和扭矩，并且其中，换能器结构有利地由用辐条连接的两个同心环构成，而换能器结构是平面式机械结构，并且所有应变量计被以测量非径向应变分量的方式应用到换能器结构的同一表面。

Description

多轴向力-扭矩传感器
描述
本发明涉及具有换能器结构的多轴向力-扭矩传感器，应变量计置于换能器的一个单个表面的限定的区域中以测量应变，根据应变来计算力和扭矩，并且其中，换能器结构有利地由用辐条连接的两个同心环构成。
背景技术
多轴向力-扭矩传感器大多数设计成复杂的3维换能器结构，应变量计置于限定的区域中，以测量应变，根据该应变来计算力和扭矩。
非常普遍，换能器结构由用辐条(3-4)连接的两个同心环构成。为了得到关于所有六个轴线(3个力、3个扭矩)的信息以及对所有力和扭矩轴线实现相当的敏感度，应变量计必须被置于辐条的不同的侧上，以及还部分地置于同心环上。
传统的换能器几何结构是高度复杂的，从而导致许多加工工作以及因此导致高成本。另外对辐条的不同的侧应用应变量计仅可通过手工来进行，这再次要花费较长的时间且导致高的成本。
因此这样的传感器是非常昂贵的，并且这会将它们的使用限制于小量的特别成本不敏感的机器人应用和R&D(每年最多100个一种类型的传感器)。具有可用的低成本多轴向传感器可将这样的传感器的使用扩展到大量应用(每年数百至数千个一种类型的传感器)，例如在机器人中、汽车中、保健装置中等。
发明目的
使用置于结构的仅一个表面上的应变量计来测量平面式机械结构的三个力和扭矩分量是有挑战性的。这个问题涉及结构的对称属性。
本发明的一个目的是提供用于力-扭矩换能器的设计，这可由低成本片材金属材料制造，并且可容易加工在仅一个表面上，例如通过使用低成本2自由度CNC机器。换能器结构必须还使得能够优选使用低成本自动工艺将所有应变量计置于同一表面上。该解决方案将使得能够有低成本力-扭矩传感器用于大规模生产。
因为本发明基于平面式准2维结构，所以换能器可还由片材类型材料制造，并且所有应变测量装置在一个表面上安装在片材的不同的位置处。
根据本发明的另一个目的，设想使用可能最小的数量的应变测量装置，以进一步限制组装工作且因而限制成本。应变测量装置的优选解决方案是应变量计，但是还有也可适用于这个概念的备选技术，例如压电阻材料、磁阻材料、光学读数器等。
如果考虑由将内部盘连接到固定的外部环带上的对称布置的径向辐条构成的传感器，则大体这些辐条包含对称布置的量计，以测量由于在中心施加的力和/或扭矩所引起的径向应变分量。这种结构展示许多对称元素，例如，用于3辐条系统的3折旋转和3个镜像平面。那么不可能获得对3个力和3个扭矩的选择性测量。
发明描述
为了克服对称的这个问题，已经发现，对于平面式机械传感器结构，应变量计必须被应用到换能器结构上，使得测量非径向应变分量。
存在两个方式来执行这种测量：
A)使用不沿径向对称的辐条。
B)测量非径向应变分量，即，沿着辐条的剪切应变。
通过使用相对于径向方向倾斜角度a的辐条来采用A)，针对量计信号获得应变值si(-Tz)=-si(Tz)。这个使得能够用正确属性表达校准函数tz(s1,…,sN)。
这种结构可仍然展现3折(fold)旋转对称元素，但是不再具有包含z轴线的镜像平面。
而提供使得能够有Tz检测的结构的方案B)将还导致有超过最小数量的应变量计。这是由于缺乏剪切应变来施加Fz，也就是说，需要额外的量计来测量在最大限度地对称的传感器上的Tz和Fz两者。
要清楚，需要至少6个应变量计来测量所有3个力和3个扭矩分量。因此总结，具有正好6个量计的最小系统不可最大程度地对称。所需要的不对称还可通过将应变量计置于偏离辐条轴线的位置上来获得，而非使辐条整个倾斜。
当进行施加轴向扭矩Tz时，即，扭矩向量分量垂直于传感器平面，这将导致在对称地等效的量计上有相同的传感器信号。具体而言，在各个辐条上的径向应变分量独立于Tz的正负号，即，形式上，这些信号从si(-Tz)扩展到si(Tz)，其中i=1,…,N遍及所有N个量计。
在应变量计信号方面返回Tz分量的校准函数tz(si,…,SN)具有正负号的变化，从Tz变到-Tz。在上面的关系si (-Tz) = si (Tz)的情况下，这个明显是不可能的。因此总结，这种结构不可检测轴向扭矩分量。该情形对于轴向力分量Fz是不同的：从Fz变到-Fz将改变信号的正负号，由于信号径向应变si(-Fz) =-si(Fz)的原因，这使得能够设定校准函数fz(si,…,SN)。这个取决于基本事实：应变量计在+Fz处被“压缩”，因为辐条在+z方向上弯曲，而应变量计在辐条在-z方向上弯曲时在-Fz处“伸展”。在Tz的情况下，辐条在平行于其上安装传感器的同一平面的方向上弯曲，并且对于+Tz和-Tz获得相同的“压缩”。为了绕过如今制造的力/扭矩传感器的这个问题，传感器安装在辐条的2个正交的侧上。
在一些情况下，看起来能够基于对称的群理论以及它们的表示建立理论，以严格地证明上面的论点。关键因素将是力是矢量数量，而扭矩是所谓的“伪”矢量，其与正常的矢量相比在镜像对称下表现不同。
根据本发明的一个另外的解决方案是由用辐条连接的两个同心环构成的平面式结构，它们第一眼看类似于现有技术。不同之处在于整个结构具有均匀的、相当有限的厚度，使得如果提供了例如钢或铝制成的适当的片材材料，则仅例如通过低成本激光或水射流切割或通过冲孔而非普通的复杂的铣削工艺来加工出轮廓。
如果必须测量少于6个轴线或者如果正在使用特定的应变测量，则辐条的轴线不必穿过换能器的中心，但是它可以穿过。
对于完全6轴线测量，辐条轴线优选相对于径向方向倾斜，从而导致有非对称结构。倾斜角可在0°(径向)和90°(切向)之间变化，优选在30°和60°之间变化。
辐条的数量可为最少3个，其中，对不同的方向上的力和扭矩的敏感度通过改变辐条和环宽度以及改变整个换能器厚度来定制。
结构的厚度优选为恒定的，但是厚度的改变也是可行的(例如减小应变量计后部的厚度，以局部地增大敏感度)。
应变量计的数量可为每个辐条最少两个，可高达四个，它们具有限定的径向距离和周向距离。在换能器由片材制造的情况下，应变量计还可应用到片材的两个表面上和/或环结构上。
优选选项是使用非径向辐条(换能器不对称)，在辐条上具有轴向应变量计。备选解决方案是在径向辐条上使用非径向应变测量(换能器对称，应变测量不对称)，例如剪切应变或横向应变测量。两者的组合也是可行的。
应变量计可为箔应变量计或半导体应变量计或薄膜溅射应变量计。优选解决方案为半导体应变量计。
还可应用备选应变测量装置(例如压电阻材料、光学读出器、磁致伸缩材料等)。
优选地，应变量计预先组装在载体箔上，载体箔包括完整的配线(电连接)且还可能包括电子构件(例如电力供应、放大)，使得所有应变量计(和电子器件)可在一个步骤中以精确和可再现的定向安装。在薄膜溅射工艺中，可使用与应变量计相同的技术来应用所有电连接。
备选地，可使用专利申请PCT/EP2009/000811中描述的安装方式，即，整个电路预先制造在柔性PCB上而具有间隙，应变量计安装到间隙中且接触PCB。
针对力和扭矩的特定组合，对于不同的辐条几何结构可堆叠两个这样的平面式传感器，以有定制的敏感度。
本发明的这些和另外的特征以及其具体优点和本发明的改进是权利要求的主题。
借助于本发明的描述所附的图，将阐述和说明本发明的具体优点和有利的实施例。
图1显示根据现有技术的沿径向对称的辐条轮，其中各个辐条配备有一个应变量计；
图2显示具有辐条轮的本发明的第一实施例，四个辐条布置成不沿径向对称且各自配备有两个应变量计；
图3显示具有辐条轮的本发明的第二实施例，三个辐条各自布置成相对于邻近的辐条成120°的角度且各自配备有两个应变量计。
在图1中，根据现有技术的沿径向对称的辐条轮10显示为具有四个沿径向对称的辐条12，其中各个配备有一个应变量计14。
为了测量3个力和3个扭矩，需要至少6个应变量计，这意味着至少2个辐条需要2个应变量计。根据这个图容易理解，这个布置对于每个辐条轮10需要至少四个辐条12，辐条12沿径向对称地布置，并且各自配备有至少一个应变量计，以便实现在任何轴线上的应变测量需要。
为了克服这个测量布置的工作以及一致地减少工作和改进应变测量的精确度，本发明已经发现，必须放弃径向对称。
因此本发明涉及针对应变的方向(即相应地，它们的不同的平面和水平)的应变量计的新的且不同的布置。
因此图2中显示了具有减少的工作的一种新的模式的应变测量的一个实施例，其展现了具有四个辐条22的辐条轮20，其中，辐条22不沿径向对称。
各个辐条22对准成平行于半径，即各个辐条22沿着割线延伸，其中，各个割线，即相应地各个辐条22与邻近的辐条22包括直角。
根据本发明，各个辐条设有成对的应变量计24、26，其中，用于测量的目的的这些应变量计24、26可与相应的辐条22对准，或成角度，如90°。
因为应变量计24、26以这个方式布置，所以借助于这个布置来测量在各种平面或水平(相应地，轴线)处测量应变是可行的。
最后，在图3中，显示了本发明的一个优选实施例。图3显示具有三个辐条32的辐条轮30，所有辐条32以120°的角度布置。因此各个辐条32在不同的方向上即在不同的轴线上定向。各个辐条32配备有成对的应变量计34、36，它们沿着辐条32的长轴线来进行调节或调节成一定角度。这个布置使得能够用最少数量的应变量计来测量六个自由度。

Claims (24)

1. 一种具有换能器结构的多轴向力-扭矩传感器，应变量计置于限定的区域中以测量应变，根据所述应变来计算力和扭矩，以及其中，所述换能器结构有利地由用辐条连接的两个同心环构成，
其特征在于，
所述换能器结构是平面式机械结构，并且所有应变量计被以测量非径向应变分量的方式应用到所述换能器结构的同一表面上。
2. 根据权利要求1所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，所述换能器结构是由用不沿径向对称的3个辐条连接的两个同心环构成的平面式结构。
3. 根据权利要求1所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，属于具有沿径向对称的辐条的所述换能器结构的所述应变量计被以非并排而是沿横向或成某个角度的方式应用到所述辐条上。
4. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，测量沿着所述辐条的剪切应变。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，提供至少6个应变量计来测量所有3个力和3个扭矩分量。
6. 根据前述权利要求1至4中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，通过将所述应变量计置于偏离辐条轴线的位置上来获得要求的不对称。
7. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，所述换能器结构具有均匀的、相当有限的厚度，其中仅必须加工出轮廓。
8. 根据权利要求7所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，提供钢或铝作为所述换能器结构的适当的片材材料。
9. 根据前述权利要求7或8中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，通过低成本激光或水射流切割或通过冲孔来提供所述换能器结构的制造。
10. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，所述辐条的轴线不必穿过所述换能器的中心。
11. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，对于全部6轴线测量，所述辐条轴线相对于径向方向倾斜，从而导致有非对称结构。
12. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，倾斜角度在0°(径向)和90°(切向)之间变化，优选在30°和60°之间变化。
13. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，通过改变辐条宽度和整个换能器厚度来定制对不同的方向上的力和扭矩的敏感度。
14. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，所述辐条的宽度能够在长度上有所变化，而所述结构的厚度优选是恒定的。
15. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，应变量计的数量最少是每个辐条有两个，它们具有限定的径向距离和周向距离。
16. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，应变量计应用到片材结构的两个表面上和/或环结构上。
17. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，使用了非径向辐条(换能器不对称)，在所述辐条上具有轴向应变量计。
18. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，作为箔应变量计，或半导体应变量计或薄膜溅射应变量计，或优选半导体应变量计来提供应变量计。
19. 根据前述权利要求1至17中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，也能够应用备选应变测量装置，例如压电阻材料，或光学读出器，或磁致伸缩材料。
20. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，所述应变量计预先组装在包括具有电连接的完整配线的载体箔上。
21. 根据权利要求20所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，也包括用于功率供应和/或放大的电子构件。
22. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，在一个步骤中，以精确且可再现的定向为所有应变量计及其电子器件提供所述应变量计的制造和安装。
23. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，通过使用与所述应变量计相同的技术来应用用于所有电连接的薄膜溅射工艺。
24. 根据前述权利要求中的一项所述的多轴向力-扭矩传感器，其特征在于，针对力和扭矩的特定组合，能够对于不同的辐条几何结构堆叠两个平面式传感器，以有定制的敏感度。
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