CN109813476B - 一种基于结构解耦的电容式力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，它由解耦部分和力矩检测部分组成。解耦部分包括外压紧法兰、内压紧法兰、交叉滚子轴承和力矩输入法兰；力矩检测部分包括传感器主体和印制电路板；解耦部分的交叉滚子轴承的轴承外圈由外压紧法兰和内压紧法兰压紧并通过螺栓固定于传感器外圈上，交叉滚子轴承的轴承内圈安装于传感器内圈上并由力矩输入法兰压紧。本电容式力矩传感器，具有结构解耦功能，高灵敏度、高准确性、高可靠性等特点，其通过具有交叉滚子轴承的机械解耦结构降低现有力矩传感器在受到倾覆力矩、轴向压力和径向压力等力/力矩时与待测力矩发生力耦合效应而造成的测量误差影响，来实现对待测力矩的准确检测。

Description

一种基于结构解耦的电容式力矩传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于结构解耦的电容式力矩传感器。

背景技术

目前，国内外已对力矩传感器进行了大量研究，在机器人柔顺控制、阻抗控制、碰撞检测以及拖动示教等多种控制领域得到了广泛的应用，为机器人的力控制提供了力感信息，对实现机器人的人机融合协作具有重要意义。

目前国内外提出了许多力矩传感器用于检测力矩值，然而力矩传感器在各种工况下工作时，易受到倾覆力矩、轴向压力和径向压力等力/力矩的影响，与待测力矩产生力耦合效应而造成一定的测量误差，降低了传感器测量的准确性和可靠性，以及对安装结构、安装工艺提出了较高的要求。为此，本发明针对上述存在的问题，提出一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，用于准确检测力矩信号。所发明的力矩传感器具有自动克服各种工况下倾覆力矩、轴向压力和径向压力等非待测力/力矩对测量准确性的影响，能够利用所设计的结构避免力矩传感器所受到的各种力/力矩产生力耦合效应，实现对待测力矩的准确测量。且在安装本力矩传感器时无需考虑力耦合效应的影响，不需要特定的、复杂的安装结构，降低了安装要求。

发明内容

本发明的目的在于，克服力矩传感器在各种工况下受到的倾覆力矩、轴向压力和径向压力等力/力矩与待测力矩发生力耦合效应而造成的测量误差问题，设计一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，以自动克服力耦合效应影响，降低力矩传感器的安装结构和安装要求，实现对力矩的准确检测。

为实现上述目标，本发明的主要技术方案如下：

一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，其特征在于它至少包括解耦部分和力矩检测部分。

所述解耦部分至少包括外压紧法兰1、内压紧法兰2、交叉滚子轴承16和力矩输入法兰19，所述交叉滚子轴承16至少包括轴承外圈15和轴承内圈17。所述解耦部分的交叉滚子轴承16的轴承内圈17安装于传感器内圈10上，并由通过螺栓固定于传感器内圈10上的力矩输入法兰19压紧；所述解耦部分的交叉滚子轴承16的轴承外圈15由外压紧法兰1和内压紧法兰2压紧，外压紧法兰1通过螺栓固定于内压紧法兰2上，内压紧法兰2通过螺栓固定于传感器外圈13上。所述外压紧法兰1和内压紧法兰2之间留有间隙14，使外压紧法兰1能够压紧轴承外圈15；所述力矩输入法兰19和传感器内圈10之间留有间隙18，使力矩输入法兰19能够压紧轴承内圈17。所述结构解耦部分中的交叉滚子轴承(16)可采用内置十字型交叉滚子轴承。

所述力矩检测部分至少包括传感器主体3和印制电路板11。所述传感器主体3由传感器外圈13、传感器内圈10、变形梁12和负电极6组成。传感器内圈10作为力矩输入端，传感器外圈13作为力矩输出端，传感器内圈10和传感器外圈13至少由四个呈轮辐式分布的变形梁12连接。负电极6与传感器内圈10连接，且负电极6至少具有四个。所述力矩检测部分的印制电路板11至少包括正电极5、环形孔7和电容输出端口8；力矩检测部分的印制电路板11通过环形孔7固定于传感器外圈13上；正电极5至少具有四个，且分别与负电极6相互垂直构成至少四个电容器4。当待测力矩作用在力矩输入法兰19上并传递到传感器内圈10上时，传感器内圈10和传感器外圈13之间形成力矩差，在力矩差作用下，变形梁12产生弹性变形使传感器内圈10相对传感器外圈13出现转角差，引起固定于传感器外圈13上的正电极5与固定于传感器内圈10的负电极之间的间距发生变化，从而引起电容量变化，测量变化的电容量并转化为力矩值，实现对力矩的测量。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于结构解耦的电容式力矩传感器的力矩检测部分采用冗余设计方式：至少四个呈对称分布的电容器，能够降低某个方向上的偶然误差影响，提高传感器的稳定性和可靠性。

2、本发明基于结构解耦的电容式力矩传感器的解耦部分的交叉滚子轴承采用内置十字交叉滚子轴承的结构设计，可以有效实现力矩传感器的解耦功能，降低力矩传感器在各种工况下所受到倾覆力矩、轴向压力和径向压力等非待测力/力矩与待测力矩产生力耦合效应而造成的测量误差影响，提高了传感器对待测力矩检测的准确性和可靠性。

3、本发明基于结构解耦的电容式力矩传感器包含力矩检测部分和解耦部分，在安装使用时无需考虑各种工况下的倾覆力矩、轴向压力和径向压力等非待测力/力矩的影响，不需要设计复杂的安装结构，具有安装要求低、安装结构简单等优点。

附图说明

图1为一种基于结构解耦的电容式力矩传感器结构示意图。

图2为一种基于结构解耦的电容式力矩传感器爆炸示意图。

图3为传感器主体结构示意图。

图4为轴向力解耦原理图。

图5为倾覆力矩解耦原理图。

图6为径向力解耦原理图。

附图中：1-外压紧法兰；2-内压紧法兰；3-传感器主体；4-电容器；5-正电极；6-负电极；7-环形孔；8-电容输出端口；9-传感器外圈输出螺栓孔；10-传感器内圈；11-印制电路板；12-变形梁；13-传感器外圈；14-间隙；15-轴承外圈；16-交叉滚子轴承；17-轴承内圈；18-间隙；19-力矩输入法兰。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

实施例：如附图1、附图2和附图3所示，本发明所述的一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，包括解耦部分和力矩检测部分。解耦部分至少包括外压紧法兰1、内压紧法兰2、交叉滚子轴承16和力矩输入法兰19；力矩检测部分至少包括传感器主体3和印制电路板11。

在附图3示出的实施例中，传感器主体3由传感器外圈13、传感器内圈10、变形梁12和负电极6组成。传感器内圈10作为力矩输入端，传感器外圈13作为力矩输出端，传感器内圈10和传感器外圈13至少由四个呈轮辐式分布的变形梁12连接，变形梁12把作用在传感器内圈10的力矩传递到传感器外圈13。负电极6与传感器内圈10连接，且负电极6至少具有四个，负电极6随传感器内圈10一起转动。

在附图1示出的实施例中，力矩检测部分的印制电路板11至少包括正电极5、环形孔7和电容输出端口8。力矩检测部分的印制电路板11通过环形孔7固定于传感器外圈13上，采用环形孔7的设计方式，便于调节印制电路板11与传感器外圈13的相对位置。正电极5至少具有四个，且分别与负电极6相互垂直构成至少四个电容器4，四个电容器4呈对称分布，实现输出多个方向上的电容值。

解耦部分解耦原理：

在各种工况下，当倾覆力矩、轴向压力和径向压力等非待测力/力矩作用在力矩传感器上时，易与待测力矩发生力耦合效应，影响测量的准确性，甚至可能破坏传感器，因此本发明设置了具有交叉滚子轴承16的力解耦结构，以交叉滚子轴承16来承载力矩传感器所受到的非待测力/力矩，避免变形梁12受到非待测力矩作用，即避免非待测力矩与待测力矩发生力耦合效应，确保由变形梁12变形引起的电极间距变化均由待测力矩作用的结果，以保证测量的准确性，具体解耦分析如下。

在附图4示出的实施例中，当轴向压力F a压作用于传感器外圈13上时，轴向压力Fa压通过内压紧法兰2传递到轴承外圈15上，力矩输入法兰19给轴承内圈17提供支持力F N以平衡外界轴向压力F a压。当外压紧法兰1和内压紧法兰2的刚度较大时，可以忽略变形梁12产生的轴向弯曲变形，即负电极6相对正电极5无轴向位移产生，实现轴向解耦功能。

在附图5示出的实施例中，当倾覆力矩M作用于传感器外圈13上时，倾覆力矩M等效为两种力的作用，即力矩传感器右端受轴向拉力F a拉作用、力矩传感器左端受轴向压力Fa压作用，右端的轴向拉力F a拉经过内压紧法兰2和外压紧法兰1传递到轴承外圈15上，同时传感器内圈10支撑轴承内圈17以起到平衡作用；左端的轴向压力F a压平衡原理与附图4示出的实施例相同。通过解耦结构平衡外界倾覆力矩，实现对倾覆力矩M的解耦功能。

在附图6示出的实施例中，径向压力F r压作用在传感器外圈13上时，力矩传感器右端处通过内压紧法兰2将径向压力F r压传递到轴承外圈15上，同时传感器内圈10对轴承内圈17起到支撑作用以平衡外界径向压力F r压，实现对径向压力F r压的解耦功能。

力矩检测部分工作原理：

当待测力矩作用在力矩输入法兰19上并传递到传感器内圈10上时，传感器内圈10和传感器外圈13之间形成力矩差，在力矩差作用下，变形梁12产生弹性变形使传感器内圈10相对传感器外圈13转动微小角度，即传感器内圈10与传感器外圈13之间出现转角差值，引起固定于传感器外圈13上的正电极5与固定于传感器内圈10的负电极之间的电极间距发生变化，从而引起电容量变化，测量出变化的电容量，并进行标定出电容变化量与对应力矩值的函数表达式，实现对力矩的测量。

在附图1示出的实施例中，解耦部分至少包括外压紧法兰1、内压紧法兰2、交叉滚子轴承16和力矩输入法兰19，所述交叉滚子轴承16至少包括轴承外圈15和轴承内圈17。解耦部分的交叉滚子轴承16的轴承内圈17安装于传感器内圈10上，并由通过螺栓固定于传感器内圈10上的力矩输入法兰19压紧；解耦部分的交叉滚子轴承16的轴承外圈15由外压紧法兰1和内压紧法兰2压紧，外压紧法兰1通过螺栓固定于内压紧法兰2上，内压紧法兰2通过螺栓固定于传感器外圈13上。外压紧法兰1和内压紧法兰2之间留有间隙14，使外压紧法兰1能够压紧轴承外圈15；力矩输入法兰19和传感器内圈10之间留有间隙18，使力矩输入法兰19能够压紧轴承内圈17。

最后说明的是本发明一种基于结构解耦的电容式力矩传感器不局限于上述实施例，还可以做各种修改或变形。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。凡是依据本发明的技术方案进行修改、润饰或等同变化，而不脱离本发明技术方案的思想和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，其特征在于：它至少包括结构解耦部分和力矩检测部分；所述结构解耦部分至少包括外压紧法兰(1)、内压紧法兰(2)、交叉滚子轴承(16)和力矩输入法兰(19)；外压紧法兰(1)通过螺栓固定于内压紧法兰(2)上，交叉滚子轴承(16)通过过度配合固定于力矩输入法兰(19)上；所述力矩检测部分至少包括传感器主体(3)和印制电路板(11)；印制电路板(11)通过螺栓配合固定于传感器主体(3)上；

所述力矩检测部分的传感器主体(3)至少包括传感器外圈(13)、传感器内圈(10)、变形梁(12)和负电极(6)；传感器外圈(13)和传感器内圈(10)至少由四个呈轮辐式分布的变形梁(12)连接；负电极(6)与传感器内圈(10)连接，且负电极(6)至少具有四个；所述力矩检测部分的印制电路板(11)至少包括正电极(5)、环形孔(7)、电容输出端口(8)、四个电容器(4)；所述力矩检测部分的印制电路板(11)通过环形孔(7)固定于传感器外圈(13)上；所述正电极(5)至少具有四个，且分别与负电极(6)相互垂直构成至少四个电容器(4)；

所述交叉滚子轴承(16)至少包括轴承外圈(15)和轴承内圈(17)，所述结构解耦部分的交叉滚子轴承(16)的轴承内圈(17)安装于传感器内圈(10)上，并由力矩输入法兰(19)压紧；所述结构解耦部分的交叉滚子轴承(16)的轴承外圈(15)由外压紧法兰(1)和内压紧法兰(2)压紧；

所述的内压紧法兰(2)通过螺栓固定于传感器外圈(13)上；所述力矩输入法兰(19)通过螺栓固定于传感器内圈(10)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，其特征在于：所述外压紧法兰(1)和内压紧法兰(2)之间留有间隙(14)，使外压紧法兰(1)能够压紧轴承外圈(15)；所述力矩输入法兰(19)和传感器内圈(10)之间留有间隙(18)，使力矩输入法兰(19)能够压紧轴承内圈(17)。

3.根据权利要求2所述的一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，其特征在于：所述结构解耦部分中的交叉滚子轴承(16)采用内置十字型交叉滚子轴承。

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