CN113465802A - 力矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种力矩传感器，涉及检测器件技术领域，包括弹性体和应变检测组件；弹性体包括外圈、内圈、应变梁和承载梁；内圈和外圈均为环状结构且同轴设置，外圈用于与基座连接，内圈用于与输入扭矩的驱动件连接；应变梁和承载梁分别连接内圈和外圈，应变检测组件设置在应变梁上，且应变梁的横截面积小于承载梁的横截面积。弹性体的外圈固定在基座上，内圈通过驱动件的加载使承载梁和应变梁产生应变，因应变梁的横截面积小于承载梁的横截面积，应变梁变形相对于承载梁的变形要大，因此，通过设置在应变梁上的应变检测组件实现力矩的检测时，能够避免变形误差造成的检测精度损失，提高力矩传感器的检测精度，满足高精度检测要求。

Description

力矩传感器
技术领域
本发明涉及检测器件技术领域，尤其是涉及一种力矩传感器。
背景技术
力矩传感器，又称扭矩传感器，其用于测量一维扭矩物理量。电阻应变式传感器是目前国内外使用最多的一种扭矩传感器。它采用在弹性梁表面贴应变片的传统方法，当扭矩等物理量作用于弹性梁时，会导致元件应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化，电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出，此种传感器广泛使用在扭矩的测量上。
但目前公知的力矩传感器的弹性梁因结构原因，导致该力矩传感器的检测精度较差，无法满足高精度检测的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种力矩传感器，以缓解了现有力矩传感器因弹性梁的结构原因，导致该力矩传感器的检测精度较差，无法满足高精度检测的使用要求的技术问题。
本发明提供的力矩传感器，包括弹性体和应变检测组件；
所述弹性体包括外圈、内圈、应变梁和承载梁；所述内圈和所述外圈均为环状结构且同轴设置，所述外圈用于与基座连接，所述内圈用于与输入扭矩的驱动件连接；
所述应变梁和所述承载梁分别连接所述内圈和所述外圈，所述应变检测组件设置在所述应变梁上，且所述应变梁的横截面积小于所述承载梁的横截面积。
进一步的，所述应变梁的底部设有凹槽，所述应变梁的厚度小于所述承载梁的厚度；
和/或，所述应变梁为中空结构，所述承载梁为实心结构。
进一步的，所述应变检测组件包括敏感电阻，所述敏感电阻设置在所述应变梁的顶面。
进一步的，所述应变检测组件还包括电路板和连接柱；
所述电路板设置在所述弹性体的上方，所述电路板通过所述连接柱与所述弹性体连接，且所述电路板与所述弹性体之间具有间隙。
进一步的，所述敏感电阻通过溅射镀膜工艺设置在所述应变梁上。
进一步的，所述应变检测组件包括电阻应变计，所述电阻应变计粘贴在所述应变梁上。
进一步的，所述应变梁和所述承载梁的数量均为多个，且依次交错设置。
进一步的，相邻的所述应变梁和所述承载梁在靠近所述内圈的相接处采用弧形结构过渡连接，所述应变梁与所述内圈的相接处设置有卸荷槽。
进一步的，所述应变梁的数量为四个，且沿所述内圈的周向均布；
所述承载梁的数量为四个，沿所述内圈的周向均布，且每个所述应变梁处于两个相邻的所述承载梁之间。
进一步的，每个所述应变梁上设有两个应变栅格敏感电阻，栅格的延伸方向与所述应变梁的延伸方向之间的夹角为45°。
本发明提供的力矩传感器，包括弹性体和应变检测组件；所述弹性体包括外圈、内圈、应变梁和承载梁；所述内圈和所述外圈均为环状结构且同轴设置，所述外圈用于与基座连接，所述内圈用于与输入扭矩的驱动件连接；所述应变梁和所述承载梁分别连接所述内圈和所述外圈，所述应变检测组件设置在所述应变梁上，且所述应变梁的横截面积小于所述承载梁的横截面积。
与现有技术相比，本发明提供的力矩传感器实际使用时，弹性体的外圈固定在基座上，内圈通过驱动件的加载受到扭矩之后，使承载梁和应变梁产生应变，因应变梁的横截面积小于承载梁的横截面积，因此，应变梁变形相对于承载梁的变形要大，因此，通过设置在应变梁上的应变检测组件实现力矩的检测时，能够避免变形误差造成的检测精度损失，提高力矩传感器的检测精度，满足高精度检测要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的力矩传感器的结构图；
图2为本发明实施例提供的力矩传感器的弹性体的俯视图；
图3为本发明实施例提供的力矩传感器的弹性体的轴向剖视图；
图4为本发明实施例提供的力矩传感器的敏感电阻的布置结构图；
图5为本发明实施例提供的力矩传感器的敏感电阻的原理图。
图标：1-弹性体；2-电路板；21-连接柱；3-敏感电阻；4-外圈；5-内圈；51-安装孔；6-应变梁；61-敏感面；62-凹槽；63-卸荷槽；7-承载梁；8-弧形结构。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图5所示，本实施例提供的力矩传感器，包括弹性体1和应变检测组件，弹性体1包括外圈4、内圈5、应变梁6和承载梁7；内圈5和外圈4均为环状结构且同轴设置，外圈4用于与基座连接，内圈5用于与输入扭矩的驱动件连接。
应变梁6和承载梁7分别连接内圈5和外圈4，应变检测组件设置在应变梁6上，且应变梁6的横截面积小于承载梁7的横截面积。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的力矩传感器实际使用时，弹性体1的外圈4固定在基座上，内圈5通过驱动件的加载受到扭矩之后，使承载梁7和应变梁6产生应变，因应变梁6的横截面积小于承载梁7的横截面积，因此，应变梁6变形相对于承载梁7的变形要大，因此，通过设置在应变梁6上的应变检测组件实现力矩的检测时，能够避免变形误差造成的检测精度损失，提高力矩传感器的检测精度，满足高精度检测要求。
具体地，本实施例中，弹性体1的内圈5为环状结构，弹性体1的外圈4也为环状结构，其中，外圈4和内圈5同轴设置，且外圈4套设在内圈5的周向上。应变梁6的一端与弹性体1的内圈5的外侧壁固定连接，另一端与外圈4的内侧壁固定连接；承载梁7的一端与弹性体1的内圈5的外侧壁固定连接，另一端与外圈4的内侧壁固定连接。优选地，上述的外圈4、内圈5、应变梁6和承载梁7可以一体成型。
本实施例提供的力矩传感器用于力控机械臂关节，并设置在低速侧，通过对关节输出力矩测量、雅克比变换实现末端六维力的测量，使机械臂整机表现出理想的阻抗或柔性。
为了实现应变梁6的横截面积小于承载梁7的横截面积，本实施例中，可以在应变梁6的底部设有凹槽62，用于减少应变梁6的在弹性体1轴向上的厚度，从而使应变梁6的厚度小于承载梁7的厚度，当驱动件转动时，弹性体1的内圈5受到扭矩之后驱动与弹性体1的外圈4连接的应变梁6和承载梁7产生一定的应变，从而引起敏感电阻3发生变化实现力矩的检测。
作为另一种结构形式，为了实现应变梁6的横截面积小于承载梁7的横截面积，还可以将应变梁6设置为中空结构，而承载梁7设置为实心结构。承载梁7为实心结构用于分担大部分扭矩作用，保证应变梁6所受应力在合适范围，应变梁6为空心结构，其保证应变梁6的上顶面能够产生足够合适的应变，方便检测。
本实施例中，应变检测组件包括敏感电阻3，敏感电阻3设置在应变梁6的顶面。
溅射镀膜工艺对于弹性体1要求极高，比如感应面61必须位于最顶层，以方便抛光研磨、放置光刻晶圆，应变梁6尽量减小装配、工作时的其它方向寄生载荷的影响。
具体地，本实施例中，应变梁6和承载梁7的顶面与弹性体1的顶面处于同一水平面内，即，应变梁6的顶面形成弹性体1的敏感面61，且处于弹性体1的最顶层，这样设置的好处是，能够保证溅射薄膜制作敏感电阻3工序的稳步实施，本实施例提供的力矩传感器的弹性体1将敏感面61布置在顶层，方便对敏感面61研磨抛光，也保证在该面甩胶的均匀性，进而使光刻晶圆定位固定更加可靠。
本实施例中，应变检测组件还包括电路板2和连接柱21。
电路板2设置在弹性体1的上方，电路板2通过连接柱21与弹性体1连接，且电路板2与弹性体1之间具有间隙。
具体地，电路板2位于弹性体1的上方，且与弹性体1的顶面之间具有间隙，即电路板2在高度方向和敏感电阻3有一定的距离，保证敏感电阻3不被电路板2划伤。优选地，可以在弹性体1的内圈5上设置安装孔51，电路板2与连接柱21的上端固定连接，连接柱21的下端固定连接在该安装孔51内。本实施例中，安装孔51可以为多个，且沿内圈5的周向间隔设置，连接柱21的数量与安装孔51相同，且一一对应。需要说明的是，还可以在电路板2和弹性体1之间设置垫片，从而使电路板2和弹性体1的应变梁6的顶面之间形成间隙，避免划伤应变梁6上设置的敏感电阻3。
优选地，连接柱21为铜柱。
应变检测组件可以包括电阻应变计，电阻应变计粘贴在应变梁6上。
当应变检测组件包括敏感电阻3时，敏感电阻3通过溅射镀膜工艺设置在应变梁6上。
溅射镀膜工艺制作的电阻应变计相比于传统粘贴式电阻应变计具有精度高、一致性好、蠕变小、适应温度范围广的优点，在航空、航天、军工、电力、冶金、医药、物联网等领域逐步得到运用。
本实施例中，弹性体1根据机械臂关节轻量化设计要求做成扁平法兰形状；中心的内圈5的圆孔方便走线；敏感电阻3包含绝缘层、敏感层、引线层、保护层等均采用溅射镀膜工艺在弹性体1的应变梁6的敏感面61上直接制作完成；敏感电阻3的引线层和电路板2采用金丝球焊技术完成电气连接，该过程替代了传统的锡焊工艺，且全部由自动化设备完成，极大提高了传感器制作的一致性；电路板2负责组桥、放大、AD转换、通信等任务，保证传感器直接输出数字信号，方便机械臂的使用。
本实施例中，应变梁6和承载梁7的数量均为多个，且依次交错设置。
如图4所示，应变梁6的数量为四个，且沿内圈5的周向均布；承载梁7的数量为四个，沿内圈5的周向均布，且每个应变梁6处于两个相邻的承载梁7之间。
本实施例中，相邻的应变梁6和承载梁7在靠近内圈5的相接处采用弧形结构8过渡连接，应变梁6与内圈5的相接处设置有卸荷槽63。
为尽量减小弹性体1的应变梁6和承载梁7与内圈5相接处的应力集中现象，防止某处局部塑性变形造成传感器蠕变、滞后，本实施例中，弹性体1在承载梁7和应变梁6之间采用较大的弧形结构8过渡，且过渡圆角较大，这造成了等承载梁7和应变梁6沿宽度方向的刚度的变化，严重降低了敏感面61的应变均匀度，因此在应变梁6与内圈5相接的根部设置卸荷槽63，通过该卸荷槽63能够补偿过渡结构引起的敏感面61应变不均匀度。优选地，卸荷槽63为通孔，因此应变梁6由卸荷槽63两侧对称的细梁连接至内圈5，这对于传感器实际受到的除绕法向中心轴旋转的力矩之外的其它方向作用力有一定的卸荷作用，降低了诸如安装误差、谐波柔轮变形等原因造成的精度损失。
本实施例提供了一种机械臂关节使用的基于溅射镀膜工艺制作的力矩传感器，通过溅射镀膜、光刻等工艺在应变梁6的敏感面61上直接生成电阻应变计，取代了传统的电阻应变片粘贴工艺，具有一致性好、精度高、抗过载能力强的优点，适合大批量、标准化、自动化生产，为机械臂的力控性能提供了核心硬件支撑。
进一步的，每个应变梁6上设有两个应变栅格敏感电阻3，栅格的延伸方向与应变梁6的延伸方向之间的夹角为45°。
具体地，溅射镀膜工艺制作敏感电阻3工序主要如下：首先将弹性体1的应变梁6的敏感面61的上表面整面抛光，并研磨至合适平面度与粗糙度，然后使用溅射机依次在该面整面均匀溅射SiO2绝缘层、敏感电阻3材料；随后使用甩胶固定光刻板进行显影造型，刻蚀出剪切式应变栅格敏感电阻R1～R8，应变栅格敏感电阻的中轴线与应变梁6的宽度方向的中轴线重合，且栅格与应变梁6的宽度方向的中轴线呈45°，能够最大限度的检测敏感面61的剪切应变；最后焊接引线，封装，组桥，测试。
如图5所示，本实施例提供的力矩传感器，共包含8个敏感电阻3，完成两个全桥方式组成方式如下：对侧R1～R4和R5～R8分别组桥，以上两个桥路共用一个输入电压Ui，输出电压U01和U02相减滤除电源共模噪声的同时提高传感器的灵敏度两倍。
综上所述，本发明提供的力矩传感器，包括弹性体1和应变检测组件；弹性体1包括外圈4、内圈5、应变梁6和承载梁7；内圈5和外圈4均为环状结构且同轴设置，外圈4用于与基座连接，内圈5用于与输入扭矩的驱动件连接；应变梁6和承载梁7分别连接内圈5和外圈4，应变检测组件设置在应变梁6上，且应变梁6的横截面积小于承载梁7的横截面积。本发明提供的力矩传感器实际使用时，弹性体1的外圈4固定在基座上，内圈5通过驱动件的加载受到扭矩之后，使承载梁7和应变梁6产生应变，因应变梁6的横截面积小于承载梁7的横截面积，因此，应变梁6变形相对于承载梁7的变形要大，因此，通过设置在应变梁6上的应变检测组件实现力矩的检测时，能够避免变形误差造成的检测精度损失，提高力矩传感器的检测精度，满足高精度检测要求。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种力矩传感器，其特征在于，包括弹性体(1)和应变检测组件；
所述弹性体(1)包括外圈(4)、内圈(5)、应变梁(6)和承载梁(7)；所述内圈(5)和所述外圈(4)均为环状结构且同轴设置，所述外圈(4)用于与基座连接，所述内圈(5)用于与输入扭矩的驱动件连接；
所述应变梁(6)和所述承载梁(7)分别连接所述内圈(5)和所述外圈(4)，所述应变检测组件设置在所述应变梁(6)上，且所述应变梁(6)的横截面积小于所述承载梁(7)的横截面积。
2.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(6)的底部设有凹槽(62)，所述应变梁(6)的厚度小于所述承载梁(7)的厚度；
和/或，所述应变梁(6)为中空结构，所述承载梁(7)为实心结构。
3.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述应变检测组件包括敏感电阻(3)，所述敏感电阻(3)设置在所述应变梁(6)的顶面。
4.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述应变检测组件还包括电路板(2)和连接柱(21)；
所述电路板(2)设置在所述弹性体(1)的上方，所述电路板(2)通过所述连接柱(21)与所述弹性体(1)连接，且所述电路板(2)与所述弹性体(1)之间具有间隙。
5.根据权利要求3所述的力矩传感器，其特征在于，所述敏感电阻(3)通过溅射镀膜工艺设置在所述应变梁(6)上。
6.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，所述应变检测组件包括电阻应变计，所述电阻应变计粘贴在所述应变梁(6)上。
7.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(6)和所述承载梁(7)的数量均为多个，且依次交错设置。
8.根据权利要求7所述的力矩传感器，其特征在于，相邻的所述应变梁(6)和所述承载梁(7)在靠近所述内圈(5)的相接处采用弧形结构(8)过渡连接，所述应变梁(6)与所述内圈(5)的相接处设置有卸荷槽(63)。
9.根据权利要求7所述的力矩传感器，其特征在于，所述应变梁(6)的数量为四个，且沿所述内圈(5)的周向均布；
所述承载梁(7)的数量为四个，沿所述内圈(5)的周向均布，且每个所述应变梁(6)处于两个相邻的所述承载梁(7)之间。
10.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于，每个所述应变梁(6)上设有两个应变栅格敏感电阻(3)，栅格的延伸方向与所述应变梁(6)的延伸方向之间的夹角为45°。
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