CN109186831B

CN109186831B - 一种力矩传感器

Info

Publication number: CN109186831B
Application number: CN201811137464.1A
Authority: CN
Inventors: 韩康; 陈立恒; 徐振邦; 霍琦; 李昂; 韩哈斯敖其尔
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: CN109186831A

Abstract

本发明公开了一种力矩传感器，其包括：固定盘、输入盘、应变梁、浮动梁、支撑梁和电阻应变片；支撑梁一端连接输入盘，另一端连接固定盘；应变梁一端连接固定盘，另一端连接浮动梁；浮动梁一端连接输入盘，另一端连接应变梁，浮动梁和输入盘之间具有预定间距；电阻应变片设置在应变梁的侧面，且电阻应变片相对应变梁和输入盘的中心对称设置，电阻应变片组成全桥电路对应变梁所受应变进行测量。本发明实施例提供的力矩传感器具有尺寸小且灵敏度高的优点。

Description

一种力矩传感器

技术领域

本发明涉及力矩测量技术领域，特别是涉及一种力矩传感器。

背景技术

力矩传感器作为一种力矩测量装置，在需要精确测量力矩的场合应用十分广泛。特别是随着自动化水平的不断提高，在机器人关节中普遍使用力矩传感器测量关节受力情况，进而实现机器人的力闭环控制，保障机器人操作的安全性与灵活性。近年来随着灵巧手、微型机器人等高新科技的发展，对微小型力矩传感器的需求也越来越显著，如何在有限的空间内提高力矩传感器测量的灵敏度，是微型力矩传感器发展亟待解决的问题之一。

力矩传感器根据将力矩信息转化为电信号的原理不同，可以分为电容式、电磁式和应变式等，其中应变式力矩传感器以可靠度高、灵敏度好等优点应用最普遍。现有技术中的力矩传感器需要在切向位置粘贴应变片，不利于传感器小型化。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种力矩传感器，所述力矩传感器包括：固定盘、输入盘、应变梁、浮动梁、支撑梁和电阻应变片；

所述支撑梁一端连接所述输入盘，另一端连接所述固定盘；

所述应变梁一端连接所述固定盘，另一端连接所述浮动梁；

所述浮动梁一端连接所述输入盘，另一端连接所述应变梁，所述浮动梁和所述输入盘之间具有预定间距；

所述电阻应变片设置在所述应变梁的侧面，且所述电阻应变片相对所述应变梁和所述输入盘的中心对称设置，所述电阻应变片组成全桥电路对所述应变梁所受应变进行测量。

在一些实施例中，所述支撑梁包括第一支撑梁和第二支撑梁，所述支撑梁一端连接所述输入盘，另一端连接所述固定盘，所述第一支撑梁和第二支撑梁相对所述输入盘中心对称。

在一些实施例中，所述应变梁包括第一应变梁和第二应变梁，所述应变梁一端连接所述固定盘，另一端连接所述浮动梁，且所述第一应变梁和第二应变梁相对固定盘的中心对称设置。

在一些实施例中，所述浮动梁包括：第一浮动梁，第二浮动梁，第三浮动梁，第四浮动梁，所述第一应变梁设置在所述第一浮动梁和所述第二浮动梁之间，所述第二应变梁设置在所述第三浮动梁和所述第四浮动梁之间。

在一些实施例中，所述第一浮动梁包括：第一弯折部和第一平板部，所述第一弯折部一端连接所述输入盘，另一端连接所述第一平板部的一端，所述第一平板部的另一端连接第一浮动梁；

所述第二浮动梁包括：第二弯折部和第二平板部，所述第二弯折部一端连接所述输入盘，另一端连接所述第二平板部的一端，所述第二平板部的另一端连接第一浮动梁；

所述第三浮动梁包括：第三弯折部和第三平板部，所述第三弯折部一端连接所述输入盘，另一端连接所述第三平板部的一端，所述第三平板部的另一端连接第二浮动梁；

所述第四浮动梁包括：第四弯折部和第四平板部，所述第四弯折部一端连接所述输入盘，另一端连接所述第四平板部的一端，所述第四平板部的另一端连接第二浮动梁。

在一些实施例中，所述电阻应变片为四个，所述电阻应变片分别粘贴在第一应变梁和第二应变梁的两个侧面上。

在一些实施例中，所述输入盘上设置有与输入力矩机构连接的圆形止口。

在一些实施例中，所述固定盘、输入盘、支撑梁、应变梁和浮动梁一体化设置。

在一些实施例中，所述力矩传感器还包括安装台，所述固定盘通过所述安装台进行固定。

本发明的有益效果在于：本发明实施例提供的一种力矩传感器通过区分支撑梁、应变梁与浮动梁，一方面减少其他方向力对力矩测量的干扰，另一方面能够提高力矩测量的灵敏度，特别适用于灵巧手等对力矩传感器尺寸有严格限制的应用场合，其具有尺寸小且灵敏度高的优点。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的一种力矩传感器的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的力矩传感器立体结构示意图。

本发明实施例涉及的附图标记如下所示：

1、固定盘；2-1、第一浮动梁；2-2、第二浮动梁；2-3、第三浮动梁；

2-4第四浮动梁；211、第一弯折部；212、第一平板部；

221、第二弯折部；222、第二平板部；231、第三弯折部；

232、第三平板部；241、第四弯折部；242、第四平板部；

3、电阻应变片；4-1、第一应变梁；4-2、第二应变梁；

5、输入盘；6-1、第一支撑梁；6-2、第二支撑梁；7、安装台；

100、力矩传感器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参考图1-图2所示，是本发明实施例提供的力矩传感器100的结构示意图。

本发明实施例提供了一种力矩传感器100，所述力矩传感器100包括：固定盘1、输入盘5、应变梁、浮动梁、支撑梁和电阻应变片3；

所述支撑梁一端连接所述输入盘5，另一端连接所述固定盘1；

所述应变梁一端连接所述固定盘1，另一端连接所述浮动梁；

所述浮动梁一端连接所述输入盘5，另一端连接所述应变梁，所述浮动梁和所述输入盘5之间具有预定间距；

所述电阻应变片3设置在所述应变梁的侧面，且所述电阻应变片3相对所述应变梁和所述输入盘5的中心对称设置，所述电阻应变片3组成全桥电路对所述应变梁所受应变进行测量。

在一些实施例中，所述支撑梁包括第一支撑梁6-1和第二支撑梁6-2，所述支撑梁一端连接所述输入盘5，另一端连接所述固定盘1，所述第一支撑梁6-1和第二支撑梁6-2相对所述输入盘5中心对称。

在一些实施例中，所述应变梁包括第一应变梁4-1和第二应变梁4-2，所述应变梁一端连接所述固定盘1，另一端连接所述浮动梁，且所述第一应变梁4-1和第二应变梁4-2相对固定盘1的中心对称设置。

在一些实施例中，所述浮动梁包括：第一浮动梁2-1，第二浮动梁2-2，第三浮动梁2-3，第四浮动梁2-4，所述第一应变梁4-1设置在所述第一浮动梁2-1和所述第二浮动梁2-2之间，所述第二应变梁4-2设置在所述第三浮动梁2-3和所述第四浮动梁2-4之间。

在一些实施例中，所述第一浮动梁2-1包括：第一弯折部211和第一平板部212，所述第一弯折部211一端连接所述输入盘5，另一端连接所述第一平板部212的一端，所述第一平板部212的另一端连接第一浮动梁2-1；

所述第二浮动梁2-2包括：第二弯折部221和第二平板部222，所述第二弯折部221一端连接所述输入盘5，另一端连接所述第二平板部222的一端，所述第二平板部222的另一端连接第一浮动梁2-1；

所述第三浮动梁2-3包括：第三弯折部231和第三平板部232，所述第三弯折部231一端连接所述输入盘5，另一端连接所述第三平板部232的一端，所述第三平板部232的另一端连接第二浮动梁2-2；

所述第四浮动梁2-4包括：第四弯折部241和第四平板部242，所述第四弯折部241一端连接所述输入盘5，另一端连接所述第四平板部242的一端，所述第四平板部242的另一端连接第二浮动梁2-2。

在一些实施例中，所述电阻应变片3为四个，所述电阻应变片3分别粘贴在第一应变梁4-1和第二应变梁4-2的两个侧面上。

在一些实施例中，所述输入盘5上设置有与输入力矩机构连接的圆形止口。

在一些实施例中，所述固定盘1、输入盘5、支撑梁、应变梁和浮动梁一体化设置。

在一些实施例中，所述力矩传感器100还包括安装台7，所述固定盘1通过所述安装台7进行固定。

在一些实施例中，两个支撑梁的长、宽、高尺寸均可适当调整，以达到减少与转矩方向不同的其他力和力矩对转矩测量干扰的目的；

在一些实施例中，两个应变梁和四个浮动梁的长、宽、高尺寸可适当调整，从而实现不同力矩量程及测量灵敏度的设计；

在一些实施例中，浮动梁的位置可以调整至应变梁的另一端，即应变梁一端与输入盘5直接接触，另一端与浮动梁接触，而浮动梁一端与应变梁接触，另一端与固定盘1接触，同样可以达到本发明设计的目的。

本发明实施例提供的力矩传感器100包括固定盘1、输入盘5、两个支撑梁、两个应变梁和四个浮动梁。其中，输入盘5位于传感器的中心。两个支撑梁分别连接在输入盘5与固定盘1中间，以减少其他方向力对力矩测量对结果造成的干扰。两个应变梁一端与固定盘1相连，另一端通过浮动梁连接在输入盘5上，而电阻应变片3粘贴在应变梁的两侧。对输入盘5施加的力矩，经过浮动梁拉动应变梁发生弯曲，电阻应变片3将该变形转换为自身的电阻变化，并经后续处理电路得到相应的力矩测量信号。该传感器可以通过调节应变梁与浮动梁的尺寸达到改变测量力矩量程和灵敏度的目的，便于在微小的空间内实现力矩的高灵敏度测量，特别适用于机械灵巧手等微小关节应用场合。

下面通过具体的实施例进行说明。

参考图1-图2所示，本发明实施例提供的一种力矩传感器使用整体加工而成。其中固定盘1为圆形，在本实施实例中，固定盘1通过下端的安装台固定，在另外一些实施实例中固定盘1上可直接加工螺纹孔固定。传感器输入盘5位于传感器中心位置，通过螺钉孔与施加力矩的机构相连，一些实施例中输入盘5上设计圆形止口，以保证输入力矩机构与力矩传感器同心。第一支撑梁6-1一端与固定盘1相连，另一端与输入盘5相连；第二支撑梁6-2与第一支撑梁6-1连接方式相同，两者宽度与厚度均相同，且关于输入盘5的中心中心对称；第一应变梁4-1一端与固定盘1相连，另一端与第一浮动梁2-1和第二浮动梁2-2相连；第一浮动梁2-1和第二浮动梁2-2的另一端与固定盘相连，两者关于第一应变梁4-1的中心线对称；第二应变梁4-2一端与固定盘1相连，另一端与第三浮动梁2-3和第四浮动梁2-4相连；第三浮动梁2-3与第四浮动梁2-4的另一端与固定盘1相连，两者关于第二应变梁4-2的中心线对称；第一应变梁4-1、第一浮动梁2-1和第二浮动梁2-2组成的整体同第二应变梁4-2、第三浮动梁2-3和第四浮动梁2-4组成的整体关于输入盘的中心中心对称；四个电阻应变片3粘贴在应变梁4-1和应变梁4-2不平行于输入盘1端面的两侧，粘贴位置分别关于应变梁的中心线和固定盘的中心对称。

当力矩作用到输入盘5中心时，输入盘5带动浮动梁发生微小转动，浮动梁进一步拉动第一应变梁4-1和第二应变梁4-2发生弯曲变形，粘贴在应变梁上的电阻应变片3感知应变梁变形并产生电阻变化，通过全桥电路及后续处理电路将力矩信号转化为电信号。由于浮动梁的存在，在相同力矩条件下，应变梁同浮动梁连接位置处的转角可以根据浮动梁的强度进行调整，充分发挥应变梁的弯曲效果，达到在有限空间内提升传感器灵敏度的目的。

本发明的有益效果是：本发明所提供的力矩传感器通过区分支撑梁、应变梁与浮动梁，一方面减少其他方向力对力矩测量的干扰，另一方面能够提高力矩测量的灵敏度，特别适用于灵巧手等对力矩传感器尺寸有严格限制的应用场合，其具有尺寸小且灵敏度高的优点。同时，本发明所述的力矩传感器采用一体式结构，有利于降低力矩测量时的迟滞和蠕变。

本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

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。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种力矩传感器，其特征在于，包括：固定盘、输入盘、应变梁、浮动梁、支撑梁和电阻应变片；

所述支撑梁一端连接所述输入盘，另一端连接所述固定盘；

所述应变梁一端连接所述固定盘，另一端连接所述浮动梁；

所述浮动梁一端连接所述输入盘，另一端连接所述应变梁，所述浮动梁和所述输入盘之间具有预定间距；其中，所述浮动梁包括弯折部和平板部，所述弯折部的一端连接所述输入盘，所述弯折部的另一端连接所述平板部的一端，所述平板部的另一端连接所述应变梁；

2.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述支撑梁包括第一支撑梁和第二支撑梁，所述支撑梁一端连接所述输入盘，另一端连接所述固定盘，所述第一支撑梁和第二支撑梁相对所述输入盘中心对称。

3.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述应变梁包括第一应变梁和第二应变梁，所述应变梁一端连接所述固定盘，另一端连接所述浮动梁，且所述第一应变梁和第二应变梁相对固定盘的中心对称设置。

4.根据权利要求3所述的力矩传感器，其特征在于，所述浮动梁包括：第一浮动梁，第二浮动梁，第三浮动梁，第四浮动梁，所述第一应变梁设置在所述第一浮动梁和所述第二浮动梁之间，所述第二应变梁设置在所述第三浮动梁和所述第四浮动梁之间。

5.根据权利要求4所述的力矩传感器，其特征在于，所述第一浮动梁包括：第一弯折部和第一平板部，所述第一弯折部一端连接所述输入盘，另一端连接所述第一平板部的一端，所述第一平板部的另一端连接第一浮动梁；

6.根据权利要求3所述的力矩传感器，其特征在于，所述电阻应变片为四个，所述电阻应变片分别粘贴在第一应变梁和第二应变梁的两个侧面上。

7.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于，所述输入盘上设置有与输入力矩机构连接的圆形止口。

8.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述固定盘、输入盘、支撑梁、应变梁和浮动梁一体化设置。

9.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，还包括安装台，所述固定盘通过所述安装台进行固定。