CN110864833A - 扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种扭矩测量装置，包括：筒体、多个凹槽和与凹槽相应设置的多个应变片及与多个应变片连接的电路板。筒体一端为扭矩输入端，另一端为扭矩输出端；多个凹槽设在筒体内侧壁面上和/或筒体外侧壁面上；多个应变片设在与多个凹槽对应的筒体的侧壁上。该方案通过在筒体上设凹槽能够减薄筒体在凹槽处的厚度，在同样大小的扭矩作用下，筒体在凹槽处能够产生更大的形变，使得应变片能够检测更大的形变，从而可提高扭矩测量装置的灵敏度。且该设置在减少筒体局部壁厚的同时依旧可使筒体其他部位的厚度较厚，从而确保其刚度，这就使得扭矩测量装置能够同时兼顾高灵敏度和高刚度。而筒体的结构可进一步提高其刚度，使筒体内部更方便布置零件。

Description

扭矩测量装置

技术领域

本发明涉及扭矩测量领域，特别地涉及一种扭矩测量装置。

背景技术

近年来，随着科学技术的不断发展，扭矩测量装置在各个领域得到广泛的应用，例如通过在各种旋转部件上设置扭矩测量装置，能够精确地测量设备转动部件的工作状况。而扭矩的测量都是通过扭矩测量装置在扭矩作用下产生的物理属性改变间接得到扭矩的值。不同变形量对应着不同的扭矩，所以根据测量变形量推导出扭矩值是扭矩测量常用的原理。而现有的扭矩测量很难在保证高刚度的情况下保证高灵敏度的要求，即现有的扭矩测量装置很难使高灵敏度和高刚度两者得到兼顾。

因此，如何设计出一种能够满足高灵敏度和高刚度的扭矩测量装置成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明有鉴于上述现有的扭矩测量装置所存在的问题，提供一种新的能够适用于高灵敏度和高刚度要求的扭矩测量装置。

为此，根据本发明的第一方面，提供了一种扭矩测量装置，包括：筒体，所述筒体的一端为扭矩输入端，所述筒体的另一端为扭矩输出端；多个凹槽，多个所述凹槽设置在所述筒体的内侧壁面上和/或所述筒体的外侧壁面上；多个应变片，多个所述应变片设置在与多个所述凹槽对应的所述筒体的侧壁上，所述应变片为电阻式应变片；电路板，与多个所述应变片连接，且所述电路板上设置有接线端子。

进一步优选地，所述电路板为柔性电路板，所述柔性电路板安装在所述筒体的内侧壁面上和/或所述筒体的外侧壁面上。

进一步优选地，所述柔性电路板粘贴安装在所述筒体的内侧壁面上，所述柔性电路板的形状和大小与所述筒体的内侧壁面的形状和大小相适配；或所述柔性电路板粘贴安装在所述筒体的外侧壁面上，所述柔性电路板的形状和大小与所述筒体的外侧壁面的形状和大小相适配。

在上述技术方案基础上，所述应变片的数量与所述凹槽的数量一致，多个所述凹槽与多个所述应变片一一对应设置；和/或多个所述凹槽在所述筒体的内侧壁面上或所述筒体的外侧壁面上均匀间隔设置。

在上述技术方案基础上，多个所述凹槽均设置在所述筒体的内侧壁面和所述筒体的外侧壁面中的一个上，多个所述应变片均对应多个所述凹槽设置在所述筒体的内侧壁面和所述筒体的外侧壁面中的另一个上；或多个所述凹槽部分设置在所述筒体的内侧壁上，部分设置在所述筒体的外侧壁上，多个所述应变片均设置在所述凹槽的内底壁上，或多个所述应变片均一一对应设置在多个所述凹槽的背面上。

进一步优选地，多个所述凹槽均设置在所述筒体的外侧壁上，多个所述应变片设置在与多个所述凹槽对应的所述筒体的内侧壁上；或多个所述凹槽均设置在所述筒体的内侧壁上，多个所述应变片设置在与多个所述凹槽对应的所述筒体的外侧壁上。

在上述任意一项技术方案基础上，所述扭矩测量装置还包括：第一安装件，安装在所述筒体的一端，用于与扭矩输入装置连接；第二安装件，安装在所述筒体的另一端，用于与扭矩输出装置连接。

进一步优选地，所述第一安装件和所述第二安装件均为法兰。

在上述任意一项技术方案基础上，所述多个所述凹槽均设置在所述筒体的轴线方向的中间位置。

在上述任意一项技术方案基础上，所述凹槽为圆形槽或方形槽；和/或所述多个应变片连接成全桥测量电路或半桥测量电路。

在上述任意一项技术方案基础上，所述凹槽的个数为偶数个，所述应变片的数量与所述凹槽的个数一致。优选地，所述凹槽的数量为8个，所述应变片的数量为8个。

在上述任意一项技术方案基础上，所述筒体对应所述凹槽处的壁厚大于等于0.2mm小于等于10mm。

在上述任意一项技术方案基础上，所述筒体为圆筒形或多棱柱筒形。

本发明有益效果：本发明中的扭矩测量装置，包括筒体、多个凹槽和多个应变片。其中，筒体两端用于与外部设备连接，以便能够实现扭矩的传导，多个凹槽设置在筒体上，而多个应变片设置在与多个凹槽对应的筒体侧壁上，比如在凹槽设置在筒体外侧壁上时，应变片优选设置在筒体与凹槽对应位置的内侧壁上，当然，此时，应变片也可设置在凹槽的槽底上，在凹槽设置在筒体内侧壁上时，应变片优选设置在筒体与凹槽对应位置的外侧壁上，当然，此时，应变片也可设置在凹槽的槽底上。而通过在筒体上设置凹槽，能够减薄筒体在凹槽处的厚度，这样在同样大小的扭矩作用下，筒体在凹槽出处能够产生更大的形变，这样在将应变片设置在筒体对应凹槽处的内侧壁或外侧壁上时便能够检测到更大的形变，从而便可提高扭矩测量装置的精度和灵敏度。同时，通过设置凹槽在减少筒体局部壁厚的同时，依旧能够使筒体其他部位的厚度较厚，这样便可将筒体整体设计的较厚，这样便能够在确保扭矩测量装置的精度和灵敏度的同时确保筒体的刚度，进而使得扭矩测量装置能够同时兼顾高精度、高灵敏度和高刚度。此外，将扭矩测量装置的基材设置成筒式结构，能够使基材的材料分布在距离轴心最远的位置，这种结构相对于盘式结构，能够进一步提高其刚度。同时，筒体的结构能够使扭矩测量装置内部能够穿过的轴等零件更大，因而能够更方便扭矩测量装置与其他零部件进行配合。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本发明的实施例提供的扭矩测量装置的分解结构示意图；

图2示出了本发明的实施例提供的扭矩测量装置不含电路板的结构示意图；

图3示出了本发明的实施例提供的应变片的电路连接示意图。

其中，图1至图3中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1扭矩测量装置，10筒体，20凹槽，30应变片，40电路板，402接线端子，50第一法兰，502第一连接孔，60第二法兰，602第二连接孔，N输入部受力方向，M输出部受反作用力方向。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面，结合参照图1至图3对本实施方式的扭矩测量装置1的结构进行详细说明。

如图1和图2所示，本实施例提供的扭矩测量装置1包括筒体10、多个凹槽20、多个应变片30及电路板40。

具体地，该筒体10的两端分别作为输入部和输出部，多个凹槽20位于筒体10的内侧壁面上和/或筒体10的外侧壁面上；多个应变片30设置在与多个凹槽20对应的筒体10的侧壁上，应变片30为电阻式应变片；电路板40与多个应变片30连接，且电路板40上设置有接线端子402。

根据本发明一个实施例提供的扭矩测量装置1，包括筒体10、多个凹槽20和多个应变片30和电路板40。其中，筒体10两端用于与外部设备连接，以便能够实现扭矩的传导，多个凹槽20设置在筒体10上，而多个应变片30设置在与多个凹槽20对应的筒体10侧壁上，比如在凹槽20设置在筒体10外侧壁上时，应变片30优选设置在筒体10与凹槽20对应位置的内侧壁上，当然，此时，应变片30也可设置在凹槽20的槽底上，在凹槽20设置在筒体10内侧壁上时，应变片30优选设置在筒体10与凹槽20对应位置的外侧壁上，当然，此时，应变片30也可设置在凹槽20的槽底上。而通过在筒体10上设置凹槽20，能够减薄筒体10在凹槽20处的厚度，这样在将扭矩测量装置1安装于机器人关节等中，以测量关节扭矩时，输入部受到来自外部设备驱动侧的方向N的扭矩输入，并且输出部在向输出侧的外部设备输出扭矩时受到方向M的反作用，从而对筒体10的筒形部两端加载沿壁部周向相切方向的剪应力，使筒体10沿周向发生扭曲变形。然而，在凹槽20的槽底部分处，因其壁厚小于筒体10的其他部分，因此所受到的剪应力更集中，发生变形的量更大，故而，将应变片30设置在筒体10对应凹槽20处的内侧壁或外侧壁上时便能够更容易被多个应变片30检测出其变形，且能够检测到更大的形变，从而可提高扭矩测量装置1的精度和灵敏度。同时，通过设置凹槽20在减少筒体10局部壁厚的同时，依旧能够使筒体10其他部位的厚度较厚，这样便可将筒体10整体设计的较厚，这样便能够在确保扭矩测量装置1的精度和灵敏度的同时确保筒体10的刚度，进而使得扭矩测量装置1能够同时兼顾高精度、高灵敏度和高刚度。此外，将扭矩测量装置1的基材设置成筒式结构，能够使基材的材料分布在距离轴心最远的位置，这种结构相对于盘式结构，能够进一步提高其刚度。同时，筒体10的结构能够使扭矩测量装置1内部能够穿过的轴等零件更大，因而能够更方便扭矩测量装置1与其他零部件进行配合。

其中，电路板40用于将多个应变片30连接成预设电路，同时，还可通过电路板40来进行数据的分析、计算。而该种设置，通过电路板40实现多个应变片30的连接，可避免使用过多的导线，从而可简化产品的电路。而通过电路板40来进行数据的分析、计算可实现测量和计算一体化，从而不需要在借助外界设备来进行结果计算，如此便可降低产品的成本。而通过在电路板上设置接线端子402，可通过接线端子402来实现电路板的通电，以提高接线端子402接电的便利性。

其中，应变片30优选为电阻式应变片。因为电阻式应变片，精度高，允许通过的电流较大，柔性好，蠕变小，适用性好，更耐使用。当然，在其他方案中，应变片30也可为半导体应变片。

其中，本发明提供的扭矩测量装置1在检测扭矩时，可先通过多个应变片30采集应变量，然后将多个应变片30通过预设电路进行连接，比如可通过全桥测量电路或者半桥测量电路进行连接，这样便可通过预设电路的特点进行扭矩的测量计算。而在实现多个应变片30的连接时，可通过外接导线将多个应变片30连接成预设电路，当然，也可在扭矩测量装置1上设置电路板40，以通过电路板40来实现多个应变片30之间的连接。

其中，图1和图2中并没有表示出所有的应变片30。

进一步优选地，电路板40为柔性电路板，柔性电路板安装在筒体10的内侧壁面上和/或筒体10的外侧壁面上。

在该实施例中，电路板40优选为柔性电路板，因为柔性电路的形状可根据需要进行调整，从而使得电路板40能够更好地与筒体10贴合。同时，通过采用柔性电路板连接各应变片30，能够显著提升扭矩测量装置1的电路集成度，降低应变片30连接导线在屏蔽缺失情况下受到外界电磁干扰的情况。同时，基于本实施方式所示的筒形结构的扭矩测量装置1，还能够方便地将连接应变片30的柔性电路板设置在筒形的筒体10内部，而不会与外部设备发生干涉，避免因此造成的设备故障。

进一步优选地，柔性电路板粘贴安装在筒体10的内侧壁面上，柔性电路板的形状和大小与筒体10的内侧壁面的形状和大小相适配；或柔性电路板粘贴安装在筒体10的外侧壁面上，柔性电路板的形状和大小与筒体10的外侧壁面的形状和大小相适配。

在该实施例中，柔性电路板优选通过粘贴地方式安装在筒体10的内侧壁面或外侧壁面上，因为，这种安装方式比较简单好操作，因而可使产品的安装操作更加简单方便。而柔性电路板的形状和大小与对应的安装面(即筒体10的外侧壁面或内侧壁面)相适配，能够使柔性电路板与筒体之间安装贴合的更好，从而能够优化产品的整体结构。

在上述实施例基础上，如图1和图2所示，应变片30的数量与凹槽20的数量一致，多个凹槽20与多个应变片30一一对应设置。

在该实施例中，应变片30与凹槽20一一对应设置，使测量具有均匀性，操作简单，同时，也能够使扭矩测量装置1的整体结构更加优化。

在上述实施例基础上，多个凹槽20在筒体10的内侧壁面上或筒体10的外侧壁面上均匀间隔设置。

在该实施例中，多个凹槽20均匀间隔的设置在筒体10的内侧壁面上或筒体10的外侧壁面使扭矩测量装置1的筒体10完整部分均匀分布，整体刚性更高。

在一具体实施例中，多个凹槽20均设置在筒体10的内侧壁面和筒体10的外侧壁面中的一个上，多个应变片30均对应多个凹槽20设置在筒体10的内侧壁面和筒体10的外侧壁面中的另一个上。具体地，比如多个凹槽20均设置在筒体10的外侧壁上，多个应变片30设置在与多个凹槽20对应的筒体10的内侧壁上；或多个凹槽20均设置在筒体10的内侧壁上，多个应变片30设置在与多个凹槽20对应的筒体10的外侧壁上。

在该实施例中，可优选将多个凹槽20和多个应变片30设置在筒体10不同的侧壁面上，即一个设置再外侧壁面上，另一个设置再内侧壁面上。具体地，比如，可将多个凹槽20设置在筒体10的外侧壁面上，此时，可将每一个应变片30均设置与一凹槽20对应的筒体10的内侧壁上。这种设置方式，可将应变片30设置在筒体10内侧壁上，从而一方面可避免应变片30被磨损，另一方面还能够不占据筒体10外部的空间，以起到节省空间的作用，再者该种设置，可优选将柔性电路板也粘贴安装在筒体10内侧壁上，以进一步起到节省空间的作用。而在另一方案中，也可将多个凹槽20设置在筒体10的内侧壁面上，此时，可将每一个应变片30均设置与一凹槽20对应的筒体10的外侧壁上。

在另一具体实施例中，多个凹槽20部分设置在筒体10的内侧壁上，部分设置在筒体10的外侧壁上，多个应变片30均设置在凹槽20的内底壁上，或多个应变片30均一一对应设置在多个凹槽20的背面上。

在该实施例中，多个凹槽20可部分设置在筒体10的内侧壁上，部分设置在筒体10的外侧壁上，即多个凹槽20不一定非要设置在同一筒体10的同一面上。此时，多个应变片30只要对应凹槽20设置在筒体10上便可，具体地，可设置在凹槽20的内底壁上，也可设置在凹槽20的背面上。而在实际过程中，可根据实际结构需求而合理地设置在凹槽20和应变片30的位置，只要应变片30设置在筒体10具有凹槽20处的内壁面或外壁面即可。

在上述任意一项实施例基础上，扭矩测量装置1还包括：第一安装件，安装在筒体10的输入部，用于与扭矩输入装置连接；第二安装件，安装在筒体10的输出部，用于与扭矩输出装置连接。

在该实施例中，扭矩测量装置1可通过第一安装件和第二安装件更加灵活的与外部设备连接，具体地，比如在将扭矩测量装置1用于一体化关节设备时，可将筒体10通过第一安装件和第二安装件接入到一体化关节中，以便一体化关节的扭矩能够传递到筒体10上，以供应变片30能够检测出一体化关节的扭矩。

进一步优选地，第一安装件为第一法兰50，第二安装件为第二法兰60。

在该实施例中，为了使筒体10的输入部和输出部能够方便地与来自外部设备的动力的输入以及与接受动力的外部设备相连接，可优选在输入部和输出部各安装一个法兰，以通过法兰来进行扭矩测量装置1与外部输入输出设备之间的连接。具体地，可通过第一法兰50上的第一连接孔502和第二法兰60上的第二连接孔602来进行扭矩测量装置1与输入输出设备之间的连接。

当然，也可通过凸凹嵌合方式、键/槽嵌合方式、花键嵌合方式、螺纹连接件、焊缝或者联轴器、凸缘等其它安装结构来进行筒体10与输入输出设备之间的连接安装。而对于筒形结构的筒体10，通过凸凹嵌合方式、键/槽嵌合方式、花键嵌合方式能够方便、快速地实现筒体10与外部设备的安装/拆卸，具有以往的扭矩测量装置1所没有显著的优势。

其中，在本实施方式中，对于第一法兰50和第二法兰60的宽度和厚度的尺寸没有一定的限制，可以根据实际使用时所需要的连接强度而设置。一方面，在传递较小扭矩的情况下，可使用窄且薄的法兰，以便能够降低扭矩测量装置1本身的转动惯量；另一方面，在传递大扭矩的情况下，可使用宽且厚的法兰，以提供足够的连接强度。

在上述任意一项实施例基础上，多个凹槽20均设置在筒体10的轴线方向的中间位置。

在该实施例中，多个凹槽20均设置在筒体10的轴线方向的中间位置，凹槽20以外的部位仍保持有很高的刚性，避免因削弱筒体10造成整体刚度过低而影响机械臂性能，因此扭矩测量装置1整体扔呈现出高刚度的表现，可使扭矩测量装置1适用于传递大扭矩的情况。

在上述实施例基础上，凹槽20优选为圆形槽或方形槽。

在该实施例中，凹槽20优选为圆形槽或方形槽，同时，对于槽口的面积没有一定的限制，可以根据实际使用时所需要的检测强度而设置，一方面，在测量小扭矩的情况下，可使用带有槽口面积较大的扭矩测量装置1，确保扭矩测量装置1满足高灵敏度需求；另一方面，在测量大扭矩的情况下，可使用带有槽口面积较小的扭矩测量装置1，保证扭矩测量装置1的灵敏度同时具有较高的机械强度。当然，凹槽20也可根据实际需要设置成其他形状，比如五边形或椭圆形、腰形等。

在上述实施例基础上，多个应变片30连接成全桥测量电路或半桥测量电路。

在该实施例中，在通过多个应变片30的检测结果进行扭矩等计算时，可优选将多个应变片30连接成全桥测量电路或半桥测量电路，这样能够使扭矩测量装置1在使用时，测量的结果更加准确和更加灵敏。当然，多个应变片30也可根据实际需要连接成其他电路的形式。

其中，图3示出了一具体实施例中多个应变片30的电路连接示意图。

如图3所示，在上述实施例基础上，凹槽20的个数为偶数个，本申请中凹槽20的数量为8个，应变片30的数量为8个。

在该实施例中，凹槽20的数量为8个，应变片30的数量为8个，这样能够使凹槽20和应变片30的数量适中，从而能够在确保测量精度的同时，确保筒体10的刚度。

在上述实施例基础上，筒体10对应凹槽20处的壁厚大于等于0.2mm小于等于10mm。

在该实施例中，筒体10对应凹槽20处的壁厚优选大于等于0.2mm小于等于10mm，进一步优选地，筒体10对应凹槽20处的壁厚可大于等于0.2mm小于等于5mm，比如筒体10对应凹槽20处的壁厚可具体为2mm或者3mm。这样能够使凹槽20处的壁厚比较适中，从而既可确保应变片30不会因为凹槽20处的壁厚过厚而导致灵敏度不足，又能够确保筒体10不会局部厚度过薄而导致刚度不足。

进一步优选地，筒体10为圆筒形或多棱柱筒形，当然，筒体10也可根据实际需要设置成其他形状。其中，多棱柱筒形的截面形状，根据需要可以是规则的多边形，也可以是不规则多边形。

上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种扭矩测量装置，其特征在于，包括：

筒体，所述筒体的一端为扭矩输入端，所述筒体的另一端为扭矩输出端；

多个凹槽，多个所述凹槽设置在所述筒体的内侧壁面上和/或所述筒体的外侧壁面上；

多个应变片，多个所述应变片设置在与多个所述凹槽对应的所述筒体的侧壁上，且所述应变片为电阻式应变片；

电路板，与多个所述应变片连接，且所述电路板上设置有接线端子。

2.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，

所述电路板为柔性电路板，所述柔性电路板安装在所述筒体的内侧壁面上和/或所述筒体的外侧壁面上。

3.根据权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于，还包括：

所述柔性电路板粘贴安装在所述筒体的内侧壁面上，所述柔性电路板的形状和大小与所述筒体的内侧壁面的形状和大小相适配；或

所述柔性电路板粘贴安装在所述筒体的外侧壁面上，所述柔性电路板的形状和大小与所述筒体的外侧壁面的形状和大小相适配。

4.根据权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于，

所述应变片的数量与所述凹槽的数量一致，多个所述凹槽与多个所述应变片一一对应设置；和/或

多个所述凹槽在所述筒体的内侧壁面上或所述筒体的外侧壁面上均匀间隔设置。

5.根据权利要求4所述的扭矩测量装置，其特征在于，

多个所述凹槽均设置在所述筒体的内侧壁面和所述筒体的外侧壁面中的一个上，多个所述应变片均对应多个所述凹槽设置在所述筒体的内侧壁面和所述筒体的外侧壁面中的另一个上；或

多个所述凹槽部分设置在所述筒体的内侧壁上，部分设置在所述筒体的外侧壁上，多个所述应变片均设置在所述凹槽的内底壁上，或多个所述应变片均一一对应设置在多个所述凹槽的背面上。

6.根据权利要求5所述的扭矩测量装置，其特征在于，

多个所述凹槽均设置在所述筒体的外侧壁上，多个所述应变片设置在与多个所述凹槽对应的所述筒体的内侧壁上；或

多个所述凹槽均设置在所述筒体的内侧壁上，多个所述应变片设置在与多个所述凹槽对应的所述筒体的外侧壁上。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于，还包括：

第一安装件，安装在所述筒体的一端，用于与扭矩输入装置连接；

第二安装件，安装在所述筒体的另一端，用于与扭矩输出装置连接。

8.根据权利要求7所述的扭矩测量装置，其特征在于，还包括：

所述第一安装件和所述第二安装件均为法兰。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于，

多个所述凹槽均设置在所述筒体的轴线方向的中间位置；和/或

所述凹槽为圆形槽或方形槽；和/或

所述凹槽的个数为偶数个，所述应变片的数量与所述凹槽的个数一致；和/或

所述筒体为圆筒形或多棱柱筒形。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的扭矩测量装置，其特征在于，

所述多个应变片连接成全桥测量电路或半桥测量电路；和/或

所述筒体对应所述凹槽处的壁厚大于等于0.2mm小于等于10mm。

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