CN105606279A - 弹性力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弹性力矩传感器，它由传感器外圈、若干弹性体、传感器内圈、内圈应变片、连接梁、连接梁应变片和中心基座组成；其中，弹性体沿圆周均匀分布，两端分别连接传感器外圈和传感器内圈；每个弹性体由对称的两个弹性体单元组成；传感器内圈与中心基座之间均匀设置连接梁；每个连接梁的表面均粘贴连接梁应变片；传感器内圈的上下表面均粘贴内圈应变片；本发明的柔性力矩传感器由于外围的弹性体本身对冲击具有一定的过滤作用，因此作用在内部力矩传感器的短时冲击力也会大大降低，相比于传统的力矩传感器在相同材料下设计的体积和重量也会明显下降；同时，采用应变片的方式相比于采用商用的力矩传感器可以大大降低使用的成本。

Description

弹性力矩传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种弹性力矩传感器，兼备物理弹性和感知力矩。

背景技术

随着现代科学的发展，传感器技术已经作为一种与现代科学密切相关的新兴学科得到了迅速发展，在工业控制、交通运输、消费电子、医疗诊断、航空航天等领域得到了广泛地应用，并且还促进了各个学科的发展。

传感器种类繁多，原理也各式各样，其中以电阻应变式传感器最为常见。尤其是力和力矩传感器，作为一种结构型传感器，已经在许多需要测量力或力矩的领域得到了大量应用。它的原理是利用结构参数变化来感受和转化信号，而电阻应变式传感器则是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。然而，尽管这类传感器是通过弹性体变形来进行测量且测量精度比较高，但由于弹性体的变形量非常小，与接触面间的刚性很大。为了满足瞬间受到的冲击力，传感器的结构需要保证有足够的余量来抵抗外部的冲击力，因此设计时的体积和重量相对较大。

近年来，有一种串联弹性执行器(SEA)和变刚度串联弹性执行器(VSA)受到了广泛关注。这种关节执行器相比传统关节的优势在于它在电机与负载端嵌入了低阻抗的弹簧，通过检测执行器与负载间的角度或位移，结合弹簧的物理特性，计算获得负载所承受的力和力矩值，从而实现力或力矩的测量和控制。相对于上文所述的力矩传感器结构和工艺相对比较简单。其主要特点是在结构上通过弹簧或平面扭簧等部件代替结构梁，在测量方面是通过角度传感器或位移传感器代替应变片进行测量。

其中作为弹性元件的弹簧或平面扭簧的设计成果相对已经较多，比如JP2001-304316A，US6983924，US8176809B2，US2014/0045600A1，CN102632508B，CN103836101A等，以及论文ANovelCompactTorsionalSpringforSeriesElasticActuatorforAssistiveWearableRobots和ActuatorControlforNASA-JSCValkyrieHumanoidRobot:ADecoupleDynamicsApproachforTorqueControlofSeriesElasticRobots中都提到各种平面扭簧的设计。以平面扭簧作为弹性元件可以使得设计更加灵活，可以根据需求设计出所需的弹性系数，且所占空间较小，在对重量和体积具有严格要求的场合中可以有更加灵活地应用。但是平面扭簧在材料选择、形状设计、冷热加工工艺的制定、以及使用寿命等方面也存在诸多挑战。比如平面扭簧的弹性体(或弹性梁)由于反复交变应力作用，容易导致疲劳而断裂；平面扭簧的弹性体(或弹性梁)的弹性系数会随着使用时间变化而发生改变，结合SEA或VSA的控制方法，如果弹性系数发生率改变，那么转动相同的角度输出的力矩也将改变，对于未能进行参数校正的平面扭簧，上述所带来的问题是如何对断裂的弹簧进行故障检测，以及如何实现对弹性系数的定期检测和校正，以及确保精密的测量和精确的控制。专利号CN105058414A针对上述问题提出了一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，但是由于所述装置是力矩传感器和平面扭簧的集成，尤其是力矩传感器的应用，使其在体积、重量和成本等方面的改善受到限制。因此，本发明将针对上述存在的问题，提出一种柔性力矩传感器，用于检测力矩信号的同时可以大大降低传感器的开发和使用成本，以及降低传感器的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种弹性力矩传感器，它提供了两种基本功能，一方面通过在平面扭簧内嵌入力矩检测传感器，实时校正平面扭簧弹性体的弹性系数，并分析和获得平面扭簧的工作状态；另一方面，在力矩传感器外围增加弹性体，降低了传感器本体的阻抗，提高了传感器与接触环境间的柔顺性和安全性。前者检测弹性体的工作状态，有助于确保弹性体弹性系数的准确性，尤其是当该弹性体的变形量被用作控制输入时，准确的弹性系数是实现位置/速度控制和力/力矩控制的基本保障，相比于传统的平面扭簧，嵌入力矩传感器后对实时监测和校正弹性体参数更具实际应用价值；后者从力矩传感器角度出发，通过在其周边增加一层弹性体，使得力矩传感器可以在刚度和阻抗之间进行平衡，选择合适的弹性体，使得所需的刚度和阻抗满足使用需求，相比于传统的力矩传感器具有更宽泛的性能范围，当弹性体设计成完全刚性时，本发明的传感器与传统的力矩传感器并无差异，但是当弹性体设计成具有一定弹性时，本发明的传感器相比传统的力矩传感器而言，刚性降低，但是阻抗降低了，而具体的刚性和阻抗可以根据具体的应用要求进行人为设计，而不会受限于购买的传感器本体的限制。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种弹性力矩传感器，它由传感器外圈、若干弹性体、传感器内圈、内圈应变片、若干连接梁、连接梁应变片和中心基座组成；其中，所述弹性体沿圆周均匀分布，两端分别连接传感器外圈和传感器内圈；每个弹性体由对称的两个弹性体单元组成；所述传感器内圈与中心基座之间均匀设置连接梁；所述每个连接梁的表面均粘贴连接梁应变片，连接梁应变片沿连接梁的轴向方向粘贴；所述传感器内圈的上下表面均粘贴内圈应变片，所述内圈应变片沿传感器内圈的圆周方向均匀分布，相连两片连接梁应变片的对称中心处粘贴一对内圈应变片；所述传感器外圈上均匀分布若干螺孔，用于固定和安装传感器；所述中心基座上均匀分布若干安装孔，用于固定和安装传感器。

作为一种优选方案，所述弹性体单元的形状为由两个半径不等的圆弧拼接而成的S型。

作为一种优选方案，所述弹性体单元的形状为由两个半径相等的圆弧拼接而成的S型。

作为一种优选方案，所述弹性体单元的形状为B型。

作为一种优选方案，所述弹性体的数量为3对；所述连接梁的数量为3个。

本发明的有益效果是，本发明充分利用平面扭簧和力矩传感器的优势，通过嵌入力矩传感器对平面扭簧的弹性体进行监测和校正，以确保正确的弹性系数，提高控制的性能和人机安全交互的安全性，避免在弹性体在反复交变下发生疲劳断裂，从而造成性能上的突变，对工业应用或机器人交互控制等造成破坏，同时力矩传感器的监测数据也将被应用于平面扭簧设计、加工和工艺等方面的数据分析，对平面扭簧的迭代设计和性能提升提供直接的数据参考，在实际应用中具有重要的价值；同样，通过在力矩传感器外部增加弹性体，使得力矩传感器在刚性和阻抗间可以根据需求进行合理设计，从而达到满足性能指标的要求。力矩传感器一般具有额定力矩和最大力矩的限制，由于力矩传感器的刚性非常大，为了能够抵抗外部的短时冲击，力矩传感器梁的设计需要满足一定的承受力，而本发明的柔性力矩传感器由于外围的弹性体本身对冲击具有一定的过滤作用，因此作用在内部力矩传感器的短时冲击力也会大大降低，相比于传统的力矩传感器在相同材料下设计的体积和重量也会明显下降，可以在有限空间内设计出满足需求力矩量程的力矩传感器。同时，采用应变片的方式相比于采用商用的力矩传感器可以大大降低使用的成本。

附图说明

图1是弹性力矩传感器的立体图；

图2是弹性力矩传感器的平面图；

图3是力矩传感器的示意图；

图4是弹性体单元的形状为S型的示意图；

图5是弹性体单元的形状为B型的示意图；

图中，传感器外圈1、弹性体2、传感器内圈3、内圈应变片4、连接梁5、连接梁应变片6、中心基座7、安装孔8、螺孔9。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1-5所示，本发明由传感器外圈1、若干弹性体2、传感器内圈3、内圈应变片4、若干连接梁5、连接梁应变片6和中心基座7组成；所述弹性体2沿圆周均匀分布，两端分别连接传感器外圈1和传感器内圈3；每个弹性体2由对称的两个弹性体单元组成；所述传感器内圈3与中心基座7之间均匀设置连接梁5；所述每个连接梁5的表面均粘贴连接梁应变片6，连接梁应变片6沿连接梁5的轴向方向粘贴；所述传感器内圈3的上下表面均粘贴内圈应变片4，所述内圈应变片4沿传感器内圈3的圆周方向均匀分布，相连两片连接梁应变片6的对称中心处粘贴一对内圈应变片4；所述传感器外圈1上均匀分布若干螺孔9，用于固定和安装传感器；所述中心基座7上均匀分布若干安装孔8，用于固定和安装传感器。

所述传感器外圈1、若干弹性体2、传感器内圈3构成平面扭簧；所述传感器内圈3、内圈应变片4、连接梁5、连接梁应变片6和中心基座7构成力矩传感器。

作为一种优选方案，所述弹性体单元的形状为由两个半径不等的圆弧拼接而成的S型，如图1和图3所示。

作为一种优选方案，所述弹性体单元的形状为由两个半径相等的圆弧拼接而成的S型，如图4所示。

作为一种优选方案，所述弹性体单元的形状为B型，如图5所示。

作为一种优选方案，所述弹性体2的数量为3对；所述连接梁5的数量为3个，如图1所示，但在实际生产过程中，可以根据弹性力的大小调整弹性体的数目。本实施例取弹性体2数目为3个，内圈应变片4和连接梁应变片6的数量分别为6片和3片。定义内圈应变片4上产生的6路应变分别为ε₁₁，ε₁₂，ε₂₁，ε₂₂，ε₃₁，ε₃₂，定义连接梁应变片6上产生的3路应变分别为ε₄，ε₅，ε₆，根据测量的这些应变量，经过信号解调和温度补偿等措施，可以获得传感器所需的力和力矩信息，其中可以检测的力为：

FX＝k₁(ε₅,ε₆)/2

$F_Y=k_2({\mathrm{\ϵ}}_4,\sqrt{3}{\mathrm{\ϵ}}_5/2,\sqrt{3}{\mathrm{\ϵ}}_6/2)$

F_Z＝k₃(ε₄,ε₅,ε₆,(ε₃₂+ε₁₁),(ε₁₂+ε₂₁),(ε₂₂+ε₃₁))

可以检测的力矩为：

M_X＝k₄(ε₄,ε₅,ε₆,(ε₃₂+ε₁₁),ε₂₁,ε₃₁)

M_Y＝k₅(ε₄,ε₅/2,ε₆/2,(ε₃₂+ε₁₁),(ε₁₂+ε₂₁),(ε₂₂+ε₃₁))

M_Z＝k₆(ε₄,ε₅,ε₆)

其中，F_X、F_Y和F_Z分别为沿着x、y和z轴方向所测量的力；M_X、M_Y和M_Z分别为绕着x、y和z方向所测量的力矩。k₁、k₂、k₃均为力系数，k₄、k₅、k₆均为力矩系数。x、y和z三轴原点即为中心基座7的中心点，z轴沿着中心基座7的中心孔轴线方向，x和y则在平面方向。

当传感器外圈1和传感器内圈3在平面内相对转动时，正反方向的弹性系数基本都是一致的，而适当的偏差也可通过内部的力矩传感器检测后进行校正，本发明所述的柔性力矩传感器中弹性体2数目为3个，如果成对弹性体2的数量发生变化时，内部力矩传感器的结构也需要进行适当调整，如采用十字梁结构等。弹性体单元的不同形状的设计使得整个传感器具备了一定的柔性，提供了与环境或人交互时的安全性，并且对外部的冲击具有滤波作用，可以大大降低冲击的力矩，将有助于降低内部对力矩传感器的设计体积和重量，在有限空间内设计出满足力矩量程的力矩传感器。

另外通过应变片对梁的变形进行检测，从而获取力矩的信息。利用平面扭簧检测力矩的传统方式是通过安装角度传感器检测传感器外圈1和中心基座7间的相对转动角度，在弹性系数已知的前提下，通过转角和弹性系数的乘机获取力矩信息。本发明直接通过力矩传感器来进行检测力矩信息，获得的力矩值可以更加直接，而角度传感器的角度检测可以作为一种检测冗余进行考虑，对于不采用角度传感器的使用方式可进一步降低使用成本，另外通过在传感器上增加阻尼器等方式，配合对称的弹性体单元组成“弹簧-阻尼”系统，以满足实际应用的需求。

Claims (5)

1.一种弹性力矩传感器，其特征在于，它由传感器外圈(1)、若干弹性体(2)、传感器内圈(3)、内圈应变片(4)、若干连接梁(5)、连接梁应变片(6)和中心基座(7)等组成；其中，所述弹性体(2)沿圆周均匀分布，两端分别连接传感器外圈(1)和传感器内圈(3)；每个弹性体(2)由对称的两个弹性体单元组成；所述传感器内圈(3)与中心基座(7)之间均匀设置连接梁(5)；每个连接梁(5)的表面均粘贴连接梁应变片(6)，连接梁应变片(6)沿连接梁(5)的轴向方向粘贴；所述传感器内圈(3)的上下表面均粘贴内圈应变片(4)，所述内圈应变片(4)沿传感器内圈(3)的圆周方向均匀分布，相连两片连接梁应变片(6)的对称中心处粘贴一对内圈应变片(4)；所述传感器外圈(1)上均匀分布若干螺孔(9)，用于固定和安装传感器；所述中心基座(7)上均匀分布若干安装孔(8)，用于固定和安装传感器。

2.根据权利要求1所述的弹性力矩传感器，其特征在于，所述弹性体单元的形状为由两个半径不等的圆弧拼接而成的S型。

3.根据权利要求1所述的弹性力矩传感器，其特征在于，所述弹性体单元的形状为由两个半径相等的圆弧拼接而成的S型。

4.根据权利要求1所述的弹性力矩传感器，其特征在于，所述弹性体单元的形状为B型。

5.根据权利要求2-4任一项所述的弹性力矩传感器，其特征在于，所述弹性体(2)的数量为3对；所述连接梁(5)的数量为3个。