CN103076126A - 一种基于柔性铰链的电机力矩测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性铰链的电机力矩测定方法，通过一种圆柱型空心带横隔柔性铰链型柔性铰链机构测定电机输出力矩。柔性铰链机构外层分为外层A部分和外层B部分两部分，内层分为内层A部分和内层B部分两部分，内层A部分和外层B部分在外层B部分的范围内相互融合，内层B部分和外层A部分在外层A部分的范围内相互融合。第一横隔断和第二横隔断都把内层A部分和内层B部分连在一起。第一横隔断和第二横隔断在空间上相互垂直。第一应变片和第二应变片分别贴在第一横隔断两面的中心位置。第三应变片和第四应变片分别贴在第二横隔断两面的中心位置。使用时，可通过检测输出电压的变化，结合已知参数，方便的计算出电机输出力矩。

Description

一种基于柔性铰链的电机力矩测定装置及方法

技术领域

本发明涉及电机力矩测定方法，尤其是指通过一种圆柱型空心带横隔柔性铰链型柔性铰链机构测定电机输出力矩的方法，具体涉及一种基于柔性铰链的电机力矩测定装置及方法。

背景技术

所谓柔性铰链机构，是指在外力或力矩作用下，利用弹性材料微小变形及其自回复的特性，形成的一种特殊的运动副形式。柔性铰链是一种典型的柔性机构，较之传统的刚性铰链机构，有很多优点：

1.消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率；

2.结构简单，体积小，重量轻，并能省去大量装配工作；

3.无摩擦磨损，寿命较长；

4.不需要润滑设计，对环境友好。

现在柔性铰链机构已经被广泛地应用于陀螺仪、加速度计、精密天平、导弹控制等仪器仪表中，并获得了前所未有的高精度和稳定性。

现在的电机力矩测试方式，第一种是采用砝码法，如公开号为CN202501942U的专利文献中公开了一种基于砝码法的电机测试装置。第二种是使用成型的力矩传感器。但砝码法机构粗糙，精度差，且不具备方便的微调模式，而成型的力矩传感器设备价格较高，特别是高精度力矩传感器设备，更是十分昂贵。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是通过一种圆柱型空心带横隔柔性铰链机构，在其两端分别连接电机和负载，并在柔性铰链机构上贴附应变片，通过柔性铰链的形变，测定应变片电路输出电压的变化值，从而计算出电机的输出力矩。

根据本发明的一个方面，提供一种基于柔性铰链的电机力矩测定装置，包括柔性铰链机构，所述柔性铰链机构包括外层、内层、第一横隔断、以及第二横隔断，其中：

所述外层包括外层A部分1和外层B部分2，所述外层A部分1和外层B部分2具有相同的内径，述外层A部分1和外层B部分2分别为所述柔性铰链机构的两端部分，在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，所述外层A部分1和外层B部分2能够发生相对移动；

所述内层包括内层A部分3和内层B部分6，所述内层A部分3和内层B部分6具有相同的内经和外径，所述内层A部分3和内层B部分6都是贯穿所述柔性铰链机构纵向长度的圆弧结构，有相同的弧度和长度，其中，所述内层A部分3和外层B部分2在所述外层B部分2的范围内相互融合，所述内层B部分6和外层A部分1在外层A部分1的范围内相互融合，在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，所述内层A部分3和内层B部分6能够发生相对移动，所述外层A部分1、外层B部分2、内层A部分3和内层B部分6四部分同轴；

具有相同长度、宽度、以及厚度的所述第一横隔断4和第二横隔断7是通过柔性铰链机构圆心的均匀厚度平板，所述第一横隔断4和第二横隔断7均把所述内层A部分3和内层B部分6连在一起，所述第一横隔断4和第二横隔断6在空间上相互垂直，在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，所述第一横隔断4、第二横隔断7都会发生弯曲。

优选地，还包括第一应变片5、第二应变片9、第三应变片8、第四应变片10，其中，所述第一应变片5和第二应变片9分别贴在所述第一横隔断4两面的中心位置，所述第三应变片8和第四应变片10分别贴在第二横隔断7两面的中心位置。

优选地，还包括固定电阻R₁、固定电阻R₂、固定电阻R₃、固定电阻R₄，所述固定电阻R₁的阻值、固定电阻R₂的阻值、固定电阻R₃的阻值、固定电阻R₄的阻值、所述第一应变片5的初始电阻、第二应变片9的初始电阻、第三应变片8的初始电阻、第四应变片10的初始电阻相等，如下四个串联部分并联于检测电路的两端：

-串联的第一应变片5和第二应变片9；

-串联的固定电阻R₁和固定电阻R₂；

-串联的第三应变片8和第四应变片10；

-串联的固定电阻R₃和固定电阻R₄。

根据本发明的另一个方面，还提供一种基于柔性铰链的电机力矩测定方法，利用权利要求3所述的基于柔性铰链的电机力矩测定装置，根据如下公式计算出电机的输出力矩T为：

$T=\frac{E(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2)B{H}^3}{3\mathrm{Uk}{L}^3}$

其中，Δε₁为第一应变片5和第二应变片9的连接点与固定电阻R₁和固定电阻R₂的连接点之间的电压变化值，Δε₂为第三应变片8和第四应变片10的连接点与固定电阻R₃和固定电阻R₄的连接点之间的电压变化值，B、H、L分别为所述第一横隔断4和第二横隔断6的宽度、厚度、长度，U为所述检测电路的输入电压，E为柔性铰链机构的弹性模量，k为应变片的应变参数。

本发明中的柔性铰链机构是一种圆柱型空心带横隔柔性铰链，在柔性铰链机构的两处用于横向连接的横隔断(第一横隔断、第二横隔断)的两面分别贴装应变片，每面一块应变片，共需贴装4片。

与现有技术相比，通过本发明提供的圆柱型空心带横隔柔性铰链型柔性铰链机构测定电机输出力矩方法的优点在于：

1.柔性铰链的结构简单，材料选择多样；

2.柔性铰链的尺寸可在合理的范围内缩放，能够适应各种电机输出轴和负载的尺寸要求；

3.采用多片应变片互相补偿和多点测量的模式，能够达到相当高的测试精度；

4.使用时仅须测定应变片电压变化，十分方便；

5.整个测试方法使用的材料和设备简单，价格便宜，容易获得。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明提供的基于柔性铰链的电机力矩测定装置的结构示意图。

图2是根据本发明提供的基于柔性铰链的电机力矩测定装置的圆周切开图，展示了本发明的部分内部结构。

图3是根据本发明提供的基于柔性铰链的电机力矩测定装置的圆周切开图的另一角度展示，图2和图3结合可清晰了解本发明的内部结构。

图4是根据本发明提供的基于柔性铰链机构的电机力矩测定装置关键参数示意图。

图5是应变片用于检测的电路图。

图中：

1为外层A部分；

2为外层B部分；

3为内层A部分；

4为第一横隔断；

5为第一应变片；

6为内层B部分；

7为第二横隔断；

8为第三应变片；

9为第二应变片；

10为第四应变片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明采用的圆柱型空心带横隔柔性铰链型柔性铰链机构共分三大部分：外层、内层和横向隔断。其中外层分为外层A部分1和外层B部分2两部分，这两部分具有相同的内径和外径，这两部分同轴，外层A部分1、外层B部分2分别为机构的两端部分，机构可通过外层A、B部分，用联轴器、轴套等结构与被测电机活着负载相连。当在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，外层A部分1、外层B部分2这两部分会发生相对转动。

内层分为内层A部分3和内层B部分6两部分，这两部分具有相同的内经和外径，这两部分都是贯穿柔性铰链机构纵向长度的圆弧结构，有相同的弧度和长度。内层A部分3和外层B部分2在外层B部分2的范围内相互融合，内层B部分6和外层A部分1在外层A部分1的范围内相互融合。在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，内层A部分3和内层B部分6部分会发生相对移动。外层A部分1、外层B部分2、内层A部分3和内层B部分6四部分同轴。

第一横隔断4和第二横隔断7是通过柔性铰链机构圆心的均匀厚度平板。第一横隔断4和第二横隔断7都把内层A部分3和内层B部分6连在一起。第一横隔断4和第二横隔断6在空间上相互垂直，二者具有相同的长度(计为L，见图4)，宽度(计为B，见图4)和厚度(计为H，见图4)。在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，第一横隔断4、第二横隔断7都会发生弯曲。

第一应变片5和第二应变片9分别贴在第一横隔断4两面的中心位置。第三应变片8和第四应变片10分别贴在第二横隔断7两面的中心位置。

应用本发明进行电机力矩测试时，电机和负载分别通过联轴器与外层A部分1、外层B部分2部分相连。电机拖动负载转动时，柔性铰链机构的第一横隔断4、第二横隔断7同时发生弯曲，受此影响，贴附于横隔断上的应变片会发生形变。四片应变片需按照图5中的电路进行连接。四片应变片的初始电阻应相等。电路中的四固定阻值电阻R₁，R₂，R₃，R₄的电阻值也需与应变片的初始电阻相等。

在上述测试条件下，测得电路中两个电压变化值为：Δε₁和Δε₂。则可计算出电机的输出力矩为：

$T=\frac{E(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2)B{H}^3}{3\mathrm{Uk}{L}^3}$

其中：T为电机输出力矩；

E为柔性铰链机构的弹性模量；

U为图5中检测电路的输入电压；

k为应变片的应变参数；

B、H、L为图4种标注的柔性铰链相关参数；

Δε₁和Δε₂为图5种检测电路测定的电压变化值。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种基于柔性铰链的电机力矩测定装置，其特征在于，包括柔性铰链机构，所述柔性铰链机构包括外层、内层、第一横隔断、以及第二横隔断，其中：

所述外层包括外层A部分(1)和外层B部分(2)，所述外层A部分(1)和外层B部分(2)具有相同的内径，述外层A部分(1)和外层B部分(2)分别为所述柔性铰链机构的两端部分，在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，所述外层A部分(1)和外层B部分(2)能够发生相对移动；

所述内层包括内层A部分(3)和内层B部分(6)，所述内层A部分(3)和内层B部分(6)具有相同的内经和外径，所述内层A部分(3)和内层B部分(6)都是贯穿所述柔性铰链机构纵向长度的圆弧结构，有相同的弧度和长度，其中，所述内层A部分(3)和外层B部分(2)在所述外层B部分(2)的范围内相互融合，所述内层B部分(6)和外层A部分(1)在外层A部分(1)的范围内相互融合，在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，所述内层A部分(3)和内层B部分(6)能够发生相对移动，所述外层A部分(1)、外层B部分(2)、内层A部分(3)和内层B部分(6)四部分同轴；

具有相同长度、宽度、以及厚度的所述第一横隔断(4)和第二横隔断(7)是通过柔性铰链机构圆心的均匀厚度平板，所述第一横隔断(4)和第二横隔断(7)均把所述内层A部分(3)和内层B部分(6)连在一起，所述第一横隔断(4)和第二横隔断(6)在空间上相互垂直，在柔性铰链机构的两端施加扭转力矩时，所述第一横隔断(4)、第二横隔断(7)都会发生弯曲。

2.根据权利要求1所述的基于柔性铰链的电机力矩测定装置，其特征在于，还包括第一应变片(5)、第二应变片(9)、第三应变片(8)、第四应变片(10)，其中，所述第一应变片(5)和第二应变片(9)分别贴在所述第一横隔断(4)两面的中心位置，所述第三应变片(8)和第四应变片(10)分别贴在第二横隔断(7)两面的中心位置。

3.根据权利要求2所述的基于柔性铰链的电机力矩测定装置，其特征在于，还包括固定电阻R₁、固定电阻R₂、固定电阻R₃、固定电阻R₄，所述固定电阻R₁的阻值、固定电阻R₂的阻值、固定电阻R₃的阻值、固定电阻R₄的阻值、所述第一应变片(5)的初始电阻、第二应变片(9)的初始电阻、第三应变片(8)的初始电阻、第四应变片(10)的初始电阻相等，如下四个串联部分并联于检测电路的两端：

-串联的第一应变片(5)和第二应变片(9)；

-串联的固定电阻R₁和固定电阻R₂；

-串联的第三应变片(8)和第四应变片(10)；

-串联的固定电阻R₃和固定电阻R₄。

4.一种基于柔性铰链的电机力矩测定方法，其特征在于，利用权利要求3所述的基于柔性铰链的电机力矩测定装置，根据如下公式计算出电机的输出力矩T为：

$T=\frac{E(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_1+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_2)B{H}^3}{3\mathrm{Uk}{L}^3}$

其中，Δε₁为第一应变片(5)和第二应变片(9)的连接点与固定电阻R₁和固定电阻R₂的连接点之间的电压变化值，Δε₂为第三应变片(8)和第四应变片(10)的连接点与固定电阻R₃和固定电阻R₄的连接点之间的电压变化值，B、H、L分别为所述第一横隔断(4)和第二横隔断(6)的宽度、厚度、长度，U为所述检测电路的输入电压，E为柔性铰链机构的弹性模量，k为应变片的应变参数。

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