CN104316241A - 一种小型转矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供轻型高精度用于低转速检测的转矩传感器，适用于动静两种状态。本发明的转矩传感器具备：伴随驱动源的驱动而旋转的输入轴；伴随输入轴的旋转驱动而旋转的输出轴；弹性体(D3)与输出轴为一体式结构，置于输入与输出轴之间，能无摩擦无损耗的支撑该旋转传递结构，弹性体在内外轮缘之间产生力矩差时发生变形；粘贴在弹性体上的应变片伴随其变形阻值发生改变，由输出端电路系统检测出电信号；定位轴套用于部件1和部件2配合安装时的径向定位，同时保护和支撑弹性体外轮缘；通过输入轴和输出轴与外部连接件进行固结。此外，本发明的另一特点是为降低电路传输过程的信号损失，采用内嵌式电路板，将其安装在弹性体(D3)端面周围。

Description

一种小型转矩传感器

技术领域

本发明涉及一种适用于动静态轻型且易于与外部机械结构连接的小型转矩传感器。 

背景技术

力信息感知获取是智能机器人最重要的感知之一，实时高精度的力/力矩信息感知是机器人完成作业的最重要前提条件之一。力/力矩传感器能获取机器人作业时与外界环境之间的相互作用力，进而实现机器人的力觉、触觉和滑觉等感知。机械手必须能够灵敏的感知从端力的变化，而传感器与关节处的连接及分辨率等因素影响着整个系统的精度。因此，如何高效、低成本实现高精度力/力矩信息的获取、如何解决力/力矩传感器的刚度和灵敏度之间的矛盾、以及如何提高信息获取的精度、速度，降低传感器机械机构，实现传感器小型化从而提高整体紧凑性是当前面临的主要挑战。 

在力矩传感器中，弹性元件的结构决定了力矩传感器的性能优劣，同时也影响传感器的加工工艺性以及贴片的难易程度。对于多维力传感器由于弹性体设计原理及制造加工等因素影响，传感器存在维间耦合，这种耦合关系复杂且难以从理论上进行精确描述，导致其测量精度降低。弹性体的结构设计对传感器的综合性能影响很大，是影响传感器性能的核心技术。根据不同应用的需求，设计出传感器新型弹性体结构是目前需要不断攻克的难题。由于应用环境的不同，设计不同应用的传感器时时必须从传感器的弹性体结构、材料、信号获取、信息整合和传输方法等重新考虑。满足特殊应用和环境要求的新型弹性体传感器的设计是当前力/力矩传感器的主要研究热点之一。 

在外骨骼摇操作主手和人体协调性的研究中可知，由于人体的运动灵活性和复杂性，就要求传感器在测量外骨骼相对人体的不同姿态时的实时力矩信息，并且具有尺寸小，重量轻，灵敏度高，动态特性好等特点。传感器在外骨骼机构系统中起着至关重要的作用，因此需要根据外骨骼关节运动的特点设计出适用的传感器来满足整个系统的运行，从而提高整体机构的性能。本发明针对的外骨骼摇操作主手授理号201410432249.X。 

本发明围绕以上已受理专利有关外骨骼摇操作主手研究提出一种适用于该结构的小型化关节力矩传感器，该传感器根据外骨骼连接轴的尺寸进行结构设计，采用键进行连接，适用于动静态两种状态下使用；弹性体和内外轮缘一体式结构，可精确地在盘形结构下传递转矩；采用放大电路板内嵌入传感器的形式，大大减小了连接导线的传输长度，提高系统的信噪比。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于检测外骨骼摇操作主手关节转矩的小型转矩传感器，为了满足整体结构的紧凑、稳定性，传感器与电机轴和机架连接，通过检测出力矩差来反馈给控制系统实时进行力矩反馈。为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案实现：本发明的小型转矩传感器由连接有输入轴的盘形结构、连接有输出轴的弹性体及环形结构、外部电路三部分组成。其中，弹性体是与连有输入轴的环形法兰一体式的，放大电路内嵌在传感器结构中。 

所述的传感器根据外骨骼关节转动特点和结构尺寸进行设计，由于本发明传感器只用于外骨骼关节处的转动力矩的检测，因此为一维转矩传感器，由输入输出轴转动产生力矩，弹性体由内外轮缘受到力矩差而产生变形，检测出的应变不用考虑由于多维而产生的维间耦合问题，避免了测量精度的降低。整体结构由两部件组成，其中每个部件为连轴一体式结构，两部件连接位置、输入输出轴及连接过渡轴都处于同一轴心位置，在这平行阶梯轴连接处采用螺钉固结。具体结构连接方式为：部件1中弹性体一端与连接轴内轮缘(8)固结，内轮缘(8)与输出轴固结，弹性体另一端与法兰1轮缘(6)固结，法兰1与法兰2通过螺钉固结，法兰2与输入轴一体式结构，整体节凑的连接形式就相当于弹性体在存在连接空间的同时一端固结在输入轴上，另一端固结在输出轴上。传感器在具有连接轴的同时仍能很好的进行力矩的传输。 

所述的部件1末端作为输出轴(1)与外骨骼遥操作手关节处结构连接，通过连接轴(3)传递转矩，法兰内轮缘(8)固结连接轴，连接轴与内轮缘之间轴径存在一定差值，因此内轮缘给出一个平台支撑嵌入的电路板，同时法兰外端面(19)与弹性体外端面(20)之间存在同轴度位置差，这样就给电路板安装提供了足够的位置空间。由环形法兰内外轮缘之间的弹性体来进行转矩差检测，弹性体上的应变片随着弹性体应变的产生而发生阻值的改变。应变片采用4片，任意对称的两个弹性梁上分别粘贴两片，由应变片上的引出线与外围电源和导线连接，四个应变片与外围电源组成全桥电路，从而产生电压信号。此外，环形法兰外轮缘内端面(17)与弹性体内端面(18)平行面之间垂直距离为3mm左右，相当于在弹性体内端面一侧有3mm长的环状结构，因此法兰1在与部件2连接时由环状结构进行过渡，而不与弹性体直接接触，这样弹性梁在产生变形时就不会受到部件2结构的干涉。环形法兰(6)与盘形法兰(11)之间采用螺钉(D4)连接，法兰1上的螺纹孔采用贯穿的螺纹孔，避免了加工过程中孔中留有末屑，从而防止安装时零件之间的摩擦所造成的磨损。 

所述部件2中盘形法兰末端轴作为输入轴(9)与电机驱动轴连接，通过连接过渡轴将力矩传递到盘形法兰(11)，该过渡轴提供足够的空间避免外部机械结构与法兰盘的接触。法兰(11)为法兰盘形式，既能很好的与部件1中环形法 兰进行固结，又能提供强有力的结构支撑，其内侧设计有轴套(13)式结构，与环形法兰(6)形成基孔制配合连接，提高整体结构的安装精度。盘形法兰2内端面(14)设计的凸出部分轴套筒结构内部中空，轴套筒内端面与盘形法兰外端面垂直距离2mm左右，比部件1中法兰外轮缘内端面(17)与弹性体内端面(18)之间垂直距离差要小，因此两部件固结在一起时轴套筒外端面与弹性体内端面(18)不会接触，这样弹性体在受到力矩作用发生变形时不会受到部件2中法兰盘的干涉。部件2在与部件1连接时，轴套筒在与环形法兰的配合连接时也起到了很好的径向定位作用。中空的轴套筒不仅支撑保护部件1中环形法兰(6)结构，同时降低了整体结构质量。 

所述的放大电路板3为内嵌入传感器结构的形式。本发明采用简约低功耗的放大电路设计来有效提升信噪比，该电路板中同时存在差分抗射频干扰滤波器，尽可能多的消除输入线路中的射频能量。本发明中的电路板内圆尺寸根据连接轴(3)尺寸设计，外圆根据盘形法兰(6)的内圆尺寸设计，电路板厚度根据弹性体外端面(20)与端面(19)之间留有的间隙大小来选取，因此整个放大电路板结构刚好可以安装在传感器弹性体端面处。同时在电路板圆周处开有四个环周对称的小孔，布线时在板上一对称的孔附近分别设有输入端和输出端的四排插针，方便输入输出信号线的连接，减短了应变片引出线及其他连接线的长度。在电路板信号输入端设计有一个稳压电源调整器78L05，该稳压器放在输入端可以调整输入电压，很好的保护了放大电路及后续信号采集模块。 

本发明的优点在于：(1)盘形法兰连轴式结构，可应用成动静态转矩传感器，应用范围更广。传感器弹性体采用连轴式结构连接四个对称式分布梁，能产生相对较大应变，灵敏度更高，测量更精确。(2)传感器中由两部件采用螺钉固结，在很好的传递转矩的过程中，留有避免机械结构相互干涉的空间。连接轴套筒能起到径向定位和支撑法兰轮缘的作用，同时中空结构形式降低了整体结构质量，更轻型化。(3)电路板采用内嵌入传感器结构形式，根据传感器结构尺寸，自行设计电路板形状尺寸和线路分布，在信号传输过程中减短了连线的长度，避免额外噪音，提高整体信噪比。 

附图说明

图1是转矩传感器整体结构图； 

图2是转矩传感器部件1结构图； 

图3是转矩传感器部件2结构图； 

图4是转矩传感器内嵌式电路板（内嵌式放大电路板结构图）。 

附图中符号说明：图1整体装配图：D1部件1，D2部件2，D3弹性体，D4螺钉。图2部件1：(1)输出轴，(2)键1，(3)连接传递轴，(4)梁：弹性 变形体，(5)应变片，(6)盘形法兰1，(7)螺纹孔，(8)连接轴内轮缘，(17)法兰1内端面，(18)弹性体内端面，(19)法兰1外端面，(20)弹性体外端面。图3部件2：(9)输入轴，(10)键2，(11)盘形法兰2，(12)通孔，(13)定位轴套，(14)法兰2内端面，(15)轴套筒内端面。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的详细说明： 

本发明是一种小型转矩传感器，属于一维力矩传感器。图1所示是该传感器的整体结构图。本发明的传感器主要由连轴式环形法兰部件1、连轴式盘形法兰部件2、放大电路板(图4)、外围信号处理系统4部分组成。其中，部件1与部件2是通过螺钉固结在一起的，在装配时，尽量使输入输出轴上的键槽处于平行位置，方便与外部连接机构进行装配。如让输入轴(9)与电机轴连接，输出轴(1)与机架连接，启动时，由电机产生力矩，传输给输入轴，由输入轴通过连接轴、法兰盘，弹性体传送给输出轴，进而传送给机架，驱动机构的运动。当输出轴的力矩不足以驱动机构时，机构在运动时就会使输出轴的力矩和输入轴的力矩产生差值，此时的弹性体是位于输入与输出端的正中间位置。弹性体上的外轮缘与输入轴连接，内轮缘与输出轴连接，弹性体由于内外轮缘上的力矩不同而产生变形，粘贴在弹性体上的应变片随着变形发生阻值的变化。四个应变片组成的全桥电路产生电压信号，通过内嵌的放大电路传输给外部信号处理系统，再由信号处理系统传输给外骨骼机构的控制系统，进而进行力矩的控制，调整电机转矩的输出，传感器完成转矩的反馈和调节。 

图2所示为本发明中整体结构的部件1，包括与外部机构相连的输出轴(1)及用于固定连接的键(2)，连接传递轴(3)，弹性体梁(4)，连接轴内轮缘(8)，法兰(6)。为了使弹性体梁在受力分析时更接近于在内外轮缘的力矩差下发生变形，在设计部件1尺寸时，根据ANSYS软件分析计算，在满足弹性体变形强度范围内给出法兰1外端面(19)与弹性体外端面(20)之间的距离、法兰1内端面(17)与弹性体内端面(18)之间距离，从而在理论上保证弹性体与输入输出轴两端距离相等，尽量减少传递扭矩的偏差。弹性体梁尺寸越小在受到力矩时，变形越大，产生的输出信号越强，灵敏度就会越高。但材料的强度刚度有一定的承受范围，这就需要再保证结构的刚度强度不损坏的前提下，尽可能减小弹性体梁尺寸。弹性梁的两端都设计有倒角，避免应力集中的产生。采用Workbench模拟分析软件，对弹性体梁进行结构的设计分析和优化，选用基体材料为铝合金，考虑安全系数，施加最大转矩，分析结果的应力不能超过铝合金的屈服极限。经过分析计算最终选用弹性体为弯曲轮毂式结构，弹性梁长8mm，宽3mm，厚6mm。与弹性体固结的法兰环直径满足能安装进螺钉就行，尽量使整体直径较小。 

图3所示为本发明中整体结构的部件2，包括与电机轴连接的输入轴(9)，用于固定连接的键(10)，连接法兰1的盘形法兰(11)，定位轴套(13)。输入轴(9)与电机驱动轴连接，通过连接过渡轴将力矩传递到盘形法兰(11)，过渡轴避免连接到输入轴上的外部机械与法兰盘的接触。为了防止弹性体变形时受到干涉，盘形法兰2内端面(14)设计出设计的凸出部分轴套筒结构内部中空至盘形法兰外端面同轴垂直距离2mm左右，比部件1中法兰外轮缘内端面(17)与弹性体内端面(18)之间垂直距离差3mm要小，轴套筒在与环形法兰的配合连接时起到了很好的径向定位作用。中空的轴套筒不仅支撑保护部件1重环形法兰(6)结构，同时降低了整体结构质量。整个盘形法兰2的厚度根据所选螺钉长度尺寸决定，连接部件1与部件2的螺钉选用M3、长度12mm内六角螺钉，则盘形法兰厚度取5mm，螺孔采用通孔。与输入轴相连的连接轴能对部件2起到传递转矩和缓冲压力的作用。 

图4所示为本发明中内嵌入传感器结构的电路板，为了将电路板嵌入传感器结构中，该电路板的结构尺寸根据部件1的连接轴内轮缘(8)和弹性体外轮缘尺寸进行设计，同时在该电路板上对称性地开了4个孔，方便应变片连接线的引出。根据设计出的放大电路原理图，对PCB板进行布线，原理图中设计有滤波器和放大芯片，可进行信号的滤波和放大。由于电路板上的电阻R5和R6有助于隔离仪表放大器输入电路与外部信号源，因此该滤波器同时具有输入过载保护功能。选用的仪表放大器AD620成本低，精度高，功耗低，适合在高精度数据采集系统中使用。同时在输入端J1处增加了一个CYT78L05三端稳压电源调整器，可以调整输入电压。由于应变片粘贴及干扰的存在等问题，很难保证在没有扭转载荷加载时电桥输出为绝对0V，因此在该PCB板上设计有调零电路，由R1，R2，R3，R4组成。所测得电压信号最终由输出端J2中接口2输出。 

根据上述特点可知，本发明的小型力转矩传感器体积更小，质量更轻，符合小型化要求，结构紧凑，灵敏度更高，精度更高，并且适合动静态条件下使用。 

Claims (5)

1.转矩传感器，其包括两个平行的轴向对置的盘形法兰(6，11)，该法兰为连轴式，包含有电动机驱动的输入轴(9)和设于法兰周围的连接外缘环，需要与外部机械器件固结的输出轴(1)。通过螺钉(D4)将部件(1)、部件(2)固结在一起。部件1中环形法兰(6)与弹性体(4)为一体式结构，整个环形式法兰外轮缘与部件2盘形法兰连接，连接轴(3)作为过渡轴将盘形式法兰内轮缘(8)与输入轴(9)固结，内轮缘与外轮缘之间存在力矩差时，弹性体的四个梁将会产生形变，粘贴在弹性梁上的应变片的阻值发生变化，电路将会产生电压信号，放大电路板安装在弹性体外端面(20)处，内嵌在整个传感器内部。

2.根据权利1要求的转矩传感器，其特征在于，两端输入输出轴直接分别与电机和机架连接，进行动静态力矩的传递，适用于两种运动形式下的机械机构传动。部件1中的输出轴(1)根据机架接口结构设计来进行连接；轴(3)作为连接过渡轴与弹性体内轮缘固结且有自身的长度，留出过渡空间，让弹性体和电路板避免受到机架结构的干扰。此外，弹性体外端面(20)与法兰外端面(19)两平行面轴向存在位置差，该位置差根据电路板厚度设定，给电路板留出安装空间。

3.根据权利1要求的转矩传感器，其特征在于，整体结构由两部件组成，但两部件连接位置、输入输出轴及连接过渡轴都处于同一轴心位置，在这平行阶梯轴中只有一处螺钉固结位置，其余全部为连轴一体式结构。部件1中弹性体一端与连接轴内轮缘(8)固结，内轮缘(8)与输出轴固结，弹性体另一端与法兰1轮缘(6)固结，法兰1与法兰2通过螺钉固结，法兰2与输入轴一体式结构，整体节凑的连接形式就相当于弹性体在存在连接空间的同时一端固结在输入轴上，另一端固结在输出轴上。

4.根据权利1要求的转矩传感器，其特征在于，与部件2连接的法兰1内端面(17)与弹性体(4)的内端面(18)不重合，二者之间存在一定同一轴度位置差。部件2中法兰盘内端面(14)处设计的凸出部分轴套筒结构内部中空至盘形法兰外端面同轴垂直距离2mm左右，降低整体结构质量。轴套筒(13)外部结构支撑和连接弹性体外轮缘，其内端面(15)与弹性体内端面(18)之间同一轴度平行面之间的存在垂直距离，弹性体在与部件2的法兰端面固结时不会产生面接触，在产生变形弹性体不会受部件2干扰。

5.根据权利1要求的转矩传感器，其特征在于，放大电路板的结构和电路布线设计，把电路板安装在弹性体结构附近。电路板内圆尺寸根据连接轴(3)尺寸一致，外圆根据盘形法兰1(6)的内圆尺寸设计，电路板厚度根据弹性体外端面(20)与端面(19)之间留有的间隙大小来选取，在电路板圆周处开有四个环周对称的小孔。电路板在布线时在板上一对称的孔附近分别设有输入端和输出端的四排插针，方便输入输出信号线的连接。在电路板信号输入端设计有一个稳压电源调整器，该稳压器放在输入端可以调整输入电压。整个内嵌式放大电路板固定在弹性体外端面处。