CN113939723A - 具有蛇形或螺旋形变形梁和过载梁的力/扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

一种力/扭矩传感器(110、130、140、150)包括连接TAP(112)和MAP(114)的多个蛇形(116、132、142)或螺旋形(152)可变形梁。这些类型的形状增加了可变形梁(116、132、142、152)的总长度，从而降低了它们的刚度。除了可变形梁(116、132、142、152)之外，还有多个直的过载梁(118)，每个过载梁(118)在第一端连接到TAP(112)和MAP(114)中的一个，并且在第二端与TAP(112)和MAP(114)中的另一个间隔开预定宽度的过载间隙(120)。在力和扭矩的第一范围内，可变形梁(116、132、142、152)上的应变计(134)将压缩和拉伸应变转换为电信号，该电信号被处理以解析力和扭矩。在大于第一范围的力和扭矩的第二范围内，过载梁(118)关闭过载间隙(120)，与TAP(112)和MAP(114)两者建立刚性接触。传感器(110、130、140、150)在力和扭矩的第二范围内的刚度大于在第一范围内的刚度。

Description

具有蛇形或螺旋形变形梁和过载梁的力/扭矩传感器
相关申请
本申请要求于2019年3月10日提交的美国临时专利申请序列号62/816,191和于2019年11月13日提交的美国专利申请序列号16/682,475的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明一般涉及力/扭矩传感器，并且特别涉及通过使用蛇形或螺旋形可变形梁和过载梁而表现出过载激活之后的刚度与过载激活之前的刚度的高比率的紧凑型传感器。
背景技术
机器人技术在工业、医疗、航空航天、科学和其他应用中是一个不断增长且日益重要的领域。在许多情况下，机器人手臂或与其相连的工具接触表面或物体(例如工件)，必须密切监控所施加的力和/或扭矩。因此，力/扭矩传感器是许多机器人系统的重要部件。
用于机器人应用的力/扭矩传感器在本领域中是已知的。例如，美国专利号10,422,707和10,067,019中描述了机器人工具力/扭矩传感器。前者的图1和图2包含在本文中，作为对基于应变计的力/扭矩传感器概念的介绍。在此类传感器中，本领域已知许多变体，并且图1和图2中描绘的特定设计并不意味着具有代表性或限制性。
如上述专利中所描述的，并参考图1，一种类型的力/扭矩传感器10使用应变计1-6来测量连接两个机械部件的小梁16a-c的变形——一个连接到机器人手臂，另一个连接到机器人工具(或与工具的机械耦合)或其他末端执行器。例如，在本领域中称为工具适配器板(Tool Adapter Plate,TAP)12的中央“毂(hub)”可以连接到工具。在本领域中称为安装适配器板(Mounting Adapter Plate,MAP)14的另一个围绕TAP环形布置并与TAP间隔开的主体可以连接到机器人手臂(或反之亦然)。TAP12和MAP14通过多个相对较薄(因此可机械变形)的梁16a、16b、16c相互连接，这些梁16a、16b、16c围绕TAP12径向布置——在该设计中，类似于车轮的辐条。分别附接到TAP12和MAP14的物体之间的相对力或扭矩试图相对于TAP12移动MAP14，导致梁16中的至少一些轻微变形或弯曲，如图2所示(不按比例)。通过将每个梁16连接到MAP14的非常薄的弯曲部17来增强变形。
应变计1-6固定到每个梁16的一个或多个表面。应变计1-6将梁表面处由梁的机械变形引起的应变转换为电信号。例如，应变计1-6可以是通过响应伸长或收缩改变它们的电阻来响应拉伸、压缩和剪切应变的某些组合的应变计。一旦校准，来自所有梁16上的应变计1-6的信号被一起处理以解析机器人手臂和附接工具之间的相对力和/或扭矩的大小和方向。如本文所用，术语“应变计”是指可预测地响应材料的机械变形的任何传感器或换能器(或传感器或换能器的组合)，该响应可被检测、量化并用于解析造成变形的力或扭矩。以上引用的专利提供了关于特定力/扭矩传感器10的具体方面的更多细节，针对其描述了创造性的改进。
这种通用类型的力/扭矩传感器在有限的力和/或扭矩值范围内工作良好。典型的传感器由刚性材料制成，例如铝或钢，在施加非常低的力时它们根本不会变形。在有限的力/扭矩值范围内，梁或其他可变形构件会轻微变形，由此产生的拉伸和压缩力由应变计检测并由测量电子设备量化。然而，随着施加的力或扭矩的大小增加，由于可变形构件相当短且非常坚硬，它们在遭受金属疲劳或屈服之前几乎不会进一步发生位移——这会分别减少或终止传感器的使用寿命。力/扭矩传感器通常以不同的尺寸制造，并指定用于仅经历其各自指定范围内的力/扭矩值的操作。然而，并非所有机器人应用都享有受控环境。例如，部署在诸如执法、军事、太空探索等现实世界环境中的机器人可能会遇到超过其设计额定值的临时或甚至持续的力和扭矩。
防止在过载情况下对力/扭矩传感器的损坏的一种方法是提供过载特征。一种类型的过载特征在本文中被称为“过载梁”(区别于“可变形梁”，其可以被仪表化)。公开的中国申请CN103528726的图1描绘了一个示例，其作为图3包括在本文中。在该传感器中，可变形梁2在+/-x和y方向上将TAP 1连接到MAP 4。可变形梁2在每个梁2的相对侧配备有应变计R17-R20、R21-R24、R25-R28和R29-R32。一组过载梁3以45度角径向散布在可变形梁2之间。过载梁3没有配备应变计。过载梁3在一端连接到TAP 1，但在另一端与MAP 4的接触间隔开一窄间隙，例如千分之几英寸。该间隙的宽度设计为允许过载梁3在可变形梁2的正常变形范围内自由移动——也就是说，它允许连接TAP 1和MAP 4的可变形梁2在其设计的运动范围内移动(变形)，允许TAP 1和MAP 4之间的轻微相对运动。然而，当施加的力或扭矩达到传感器的设计最大值，并且可变形梁2变形了其最大设计量时，一个或多个过载梁3将关闭该间隙并与MAP 4硬接触。过载梁3比可变形梁2更硬/更坚固；因此，进一步施加的力/扭矩不会使可变形梁2进一步变形，因为过载梁3会吸收多余的力并防止TAP 1和MAP 4之间的任何进一步相对运动。
图4来自公开的中国申请CN1283985，描述了不同形式的过载特征。可变形梁2将TAP 6连接到MAP 9。在可变形梁2的变形极限，TAP 6和MAP 9的相对水平移动受到刚性附接到MAP 9并且布置在TAP 6中的孔8内的销5的约束。孔8的半径比销5的半径稍大δ1。TAP 6和MAP 9的相对垂直移动受到它们的间距的约束——TAP 6和MAP 9以宽度为δ2的间隙间隔开。过载特征的其他配置在本领域中是已知的。
传统的过载特征，如图3和图4中描绘的间隙，需要在配合过载特征之间保持非常严格的公差。这可能会增加力/扭矩传感器的成本。此外，实现非常严格的公差可能需要在组装成传感器后对部件进行机械加工/对准，这有损坏传感器的风险，并且由于在制造过程中增加了单独的步骤而可能会增加加工部件的交货时间。此外，如果存在严格的公差并且传感器与其预期的零负载位置略微偏离，则传感器可准确测量的范围将不会以零负载位置为中心，这可能导致传感器过早发生故障或传感器无法在其整个规定范围内准确测量。
包括过载特征的构件(即，图3的过载梁3或图4的销5)的刚度通常略大于传感器中可变形构件的刚度，可变形构件经历的变形被感测、测量、并转化为力和扭矩。理想情况下，一旦过载特征激活——例如，一旦间隙消除并且过载特征在TAP和MAP之间进行硬接触——可变形构件中的所有进一步变形(被测量为应变)应该停止增加。然而，实际上，如果过载特征的刚度与可变形构件的刚度相似，则向传感器施加更多负载将继续增加应变计测得的应力。这一事实对过载激活点之后和传感器结构屈服之前可以向传感器施加多少力或扭矩设置了极限——尽管具有过载特征。
提供本文的背景技术部分是为了将本发明的实施例置于技术和操作环境中，以帮助本领域技术人员理解它们的范围和效用。背景技术部分中描述的方法可以继续探讨，但不一定是先前已经想到或探讨的方法。除非明确指出，否则本文中的任何陈述都不能仅通过将其包含在背景技术部分中而被认为是现有技术。
发明内容
下面给出本公开的简要概述，以便为本领域技术人员提供基本的理解。该概述不是对本公开的广泛概述并且不旨在识别本发明的实施例的关键/必要要素或描绘本发明的范围。该概述的唯一目的是以简化形式呈现本文公开的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前序部分。
根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，一种力/扭矩传感器包括连接TAP和MAP的多个蛇形或螺旋形可变形梁。对于每个蛇形可变形梁，该蛇形可变形梁的中心线从TAP的附接点到MAP的附接点(或反之亦然)的至少一个有向路径依次向左偏离瞬时直线至少一次，并且向右偏离瞬时直线至少一次。对于每个螺旋形可变形梁，该螺旋形可变形梁的中心线从TAP的附接点到MAP的附接点(或反之亦然)的至少一个有向路径向左或向右之一偏离瞬时直线，并且其中这种偏离的累积和大于90度。这些类型的形状增加了蛇形或螺旋形可变形梁的总长度，从而降低其刚度。在蛇形或螺旋形可变形梁之间散布有多个过载梁，这些过载梁可以是直的。每个过载梁在第一端连接到TAP和MAP中的一个，并在第二端与TAP和MAP中的另一个间隔开预定宽度的过载间隙。在第一范围的力和扭矩期间，蛇形或螺旋形可变形梁在TAP和MAP之间的相对运动下变形，并且其上的应变计将应变转换成电信号，该电信号被处理以解析力和扭矩。在大于第一范围的第二范围的力和扭矩内，一个或多个过载梁关闭过载间隙，与TAP和MAP二者建立刚性接触，名义上停止了TAP和MAP之间的进一步相对运动。传感器在第二范围的力和扭矩内的刚度大于在第一范围内的刚度。这种高刚度比率在过载激活(actuation)点产生应变/力曲线的急转，随着施加的负载增加，斜率是低的。这增加了传感器在金属疲劳之前进入过载状态的循环次数，并增加了传感器在不屈服或断裂的情况下可以承受的最大力/扭矩。
一个实施例涉及一种力/扭矩传感器。该传感器包括可操作以连接到第一物体的TAP和可操作以连接到第二物体的MAP。该传感器还包括将TAP连接到MAP的一个或多个蛇形可变形梁，其中该蛇形可变形梁的中心线从TAP的附接点到MAP的附接点的至少一个有向路径依次向左偏离瞬时直线至少一次，并且向右偏离瞬时直线至少一次。应变计固定到至少一些蛇形可变形梁的一个或多个表面。应变计可操作以将蛇形可变形梁中由梁变形引起的应变转换成电信号。测量电路可操作以响应来自所有应变计的电信号来测量第一物体和第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。
另一个实施例涉及一种力/扭矩传感器。该传感器包括可操作以连接到第一物体的TAP和可操作以连接到第二物体的MAP。该传感器还包括将TAP连接到MAP的一个或多个螺旋形可变形梁，其中该螺旋形可变形梁的中心线从TAP的附接点到MAP的附接点的至少一个有向路径向左或向右之一偏离瞬时直线，并且其中这种偏离的累积和大于90度。应变计固定到至少一些螺旋形可变形梁的一个或多个表面。应变计可操作以将螺旋形可变形梁中由梁变形引起的应变转换成电信号。测量电路可操作以响应来自所有应变计的电信号来测量第一物体和第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。
附图说明
下面将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。相同的数字始终指代相同的元件。
图1是现有技术力/扭矩传感器的平面图(U.S.10,422,707和U.S.10,067,019的图1)。
图2是图1的传感器的放大图，示出了梁的变形(U.S.10,422,707的图2)。
图3是具有过载梁的现有技术力/扭矩传感器的平面图(CN103528726的图1)。
图4是具有过载销的现有技术力/扭矩传感器的截面图(CN1283985的图1)。
图5是传感器的应变与负载的关系图，该传感器的过载激活前后的刚度比率低。
图6是传感器的应变与负载的关系图，该传感器的过载激活前后的刚度比率高。
图7描绘了悬臂梁静力分析的图表和方程。
图8是根据一个实施例的具有蛇形可变形梁的力/扭矩传感器的平面图。
图9是根据另一个实施例的具有蛇形可变形梁的力/扭矩传感器的平面图。
图10是图9的力/扭矩传感器的一个蛇形可变形梁的立体图。
图11是根据另一个实施例的具有蛇形可变形梁的力/扭矩传感器的平面图。
图12a-图12c描绘了各种蛇形可变形梁形状。
图13a-图13c描绘了各种螺旋形可变形梁形状。
图14是根据一个实施例的具有螺旋形可变形梁的力/扭矩传感器的平面图。
具体实施方式
为了简单和说明的目的，主要通过参考其示例性实施例来描述本发明。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说很容易明白，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在本描述中，没有详细描述众所周知的方法和结构，以免不必要地混淆本发明。
尽管力/扭矩传感器中的过载特征的刚度通常比测量应变的可变形构件的刚度大一些，但实际上它是过载特征激活后传感器刚度与其正常工作范围内的传感器刚度的比率，这对于评估过载特征的有效性很重要。较高的这种比率会降低过载特征激活后传感器上应力增加的速率，进而进一步增加在失效前可施加到传感器的最大力。
如上所述，理想情况下，一旦过载特征激活——即，一旦间隙闭合并且过载梁或其他构件与相关的相对表面发生硬接触，所有传感器运动(即，TAP和MAP之间的相对运动)就会停止。然而，实际上，随着施加的力或扭矩的增加，传感器部件继续移动，只是不像过载特征激活之前那样多，因为间隙的两侧之间的接触不是无限刚度的。因此，过载特征激活后的传感器刚度与其之前的传感器刚度的比率是关键指标。
图5和图6证明了这一点。它们是两个不同传感器的图表，描绘了施加在x轴上的负载(力或扭矩)和在y轴上传感器观察到的最大应力。请注意，力的单位并不重要，因为它们会随着传感器的尺寸而缩放。在第一传感器中(图5)，过载特征激活后的刚度不比激活前大多少——即，k_过载/k_传感器～＝1。在第二传感器中，过载特征激活后的刚度比这种激活前大很多——即，k_过载/k_传感器～＝10。
通过检查图5和图6，可以看到这两个传感器在其设计范围内均呈线性响应——对于高达5的施加负载，这两个传感器报告高达5的相应应力。超过5的施加力，即过载特征激活点，两个图表都会改变斜率。在图5中描绘的第一传感器中，过载激活后的传感器不比之前硬很多，并且随着负载持续增加，应力输出的增加几乎与过载激活之前一样快。
相比之下，图6中描绘的第二传感器在过载激活后比之前硬很多，并且随着负载持续增加，应力输出增加要缓慢得多——即，过载特征激活点之后的图形具有低得多的斜率。
设计有效过载特性的一个目标——特别是对于部署在不受控制的环境中的力/扭矩传感器——是能够在传感器经历金属疲劳、屈服、断裂或破碎之前向传感器施加大的力/扭矩。很明显，第二传感器(图6)比第一传感器(图5)在更大程度上满足这个目标。例如，如果这两个传感器在应力水平为7时都会断裂，则第二传感器在断裂前最多可以承受27的负载，而第一传感器将在仅9的负载下断裂。
因此，过载特征激活后的刚度远大于其正常工作范围内的传感器刚度的传感器在过载条件下更好。换句话说，使具有过载特征的力/扭矩传感器在其工作范围内刚度较小将增加其在故障前可以承受的最大力。
使可变形梁类型的力/扭矩传感器在其工作范围内刚度较小的一种方法是降低可变形梁的刚度(同时保持过载梁或其他过载特征的高刚度)。在不增加梁应力的情况下降低梁刚度的一种直接方法是增加其长度。梁的挠度与其长度的立方成正比；然而，梁中的应力与其长度仅成正比。图7描绘了长度为L的悬臂梁的切变V和力矩M的相关方程和图表。
在许多传感器设计中，直接增加可变形梁的长度是不可能的，例如图1-图中描绘的那些，它们的总直径受到限制。此外，这还必然会增加图3中过载梁的长度，从而降低它们的刚度并且无法实现过载特征激活后刚度与激活前刚度的比率的所需增加。
根据本发明的一些实施例，如在图8-图11中所描绘的，通过形成蛇形可变形梁来增加可变形梁——但不是过载梁——的长度。如本文所用，术语“蛇形”是指通过交替地弯曲或弯折到一侧然后到另一侧而偏离直线的形状。换句话说，蛇形可变形梁的中心线沿着其从TAP的附接点到MAP的附接点(或反之亦然)的长度的有向路径通过向左(或向右)转弯、弯曲或斜移至少一次而偏离直线，然后通过向右(或向左)转弯、弯曲或斜移至少一次而进一步偏离直线。当然，蛇形可变形梁可沿其从TAP到MAP的附接点的长度向左和向右偏离多次。交替偏离不必是连续的——即，蛇形可变形梁可以向同一方向转多个弯，然后向相反方向转弯。偏离直线的形式可以是锐角，也可以是渐变曲线。请注意，仅经历一次偏离直线的有向路径，即向左或向右，但不是向两者(如图1的可变形梁16)，不包含在如本文使用的术语“蛇形”的含义内。
在一个实施例中，蛇形可变形梁可以包括以各种角度连接的多个直梁段，并且这些段中的一些可以彼此平行延伸，以实现更大的总变形梁长度，同时将蛇形可变形梁限制到小的空间。在一些实施例中，蛇形可变形梁的段或部分可以“折回”，或沿与梁的前一段或部分相反的方向延伸。
图8描绘了力/扭矩传感器110，其包括可以连接到工具的工具适配器板(TAP)112和可以连接到机器人手臂的安装适配器板(MAP)114(反之亦然)。MAP 114围绕TAP 114大致环形布置。多个蛇形可变形梁116a、116b、116c(每个都包括呈角度连接的多个可变形梁段)将TAP 112连接到MAP 114。在图8中描绘的实施例中，每个蛇形可变形梁116包括连接到TAP112的第一部分。然后该第一部分通过“T”连接而连接到第二部分。然后在第二部分的每一端，蛇形可变形梁以蛇形方式“折叠”。然后每一个蛇形区连接到MAP 114。因此，在该实施例中，每个蛇形可变形梁116包括从TAP 112的附接点到MAP 114的两个不同附接点的两个单独的有向路径。每一个有向路径定义蛇形形状，正如该术语在本文中所定义和使用的那样。
由于它们延伸的总长度，蛇形可变形梁116允许TAP 112和MAP 114之间在x-y平面内以及z方向(纸外)上以相对低的刚度进行轻微的相对运动。也就是说，与例如图1-图3中描绘的现有技术设计的具有直线或T形可变形梁的相当尺寸的传感器相比，传感器110在其操作范围内具有更大程度的“松度(looseness)”或“游隙(play)”。蛇形可变形梁116在一侧或多侧配备有应变计(未示出)，其将蛇形可变形梁116的表面处的压缩力和拉伸力转换成电信号。如本领域已知的，应变计可以以全、半或四分之一惠斯通电桥配置接线。数据采集和处理系统(未示出)处理应变计输出以解析例如作用在TAP 112和MAP 114之间的六个力和扭矩(Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tz)，如本领域中已知的那样。
力/扭矩传感器110还包括多个过载梁118a、118b、118c，它们从TAP 112(在第一端)延伸到靠近但不接触MAP 114(在第二端)(或反之亦然)。过载梁118径向散布在蛇形可变形梁116之间。狭窄的过载间隙120a、120b、120c，例如，从千分之几十英寸到千分之几英寸，将每个相应的过载梁118a、118b、118c与MAP 114分开。实际上，过载间隙120限定了每个过载梁118的第二(非连接)端。在一些实施例中，TAP 112、蛇形可变形梁118、过载梁118和MAP 114由一块金属加工而成，从而消除了过载特征制造中的累计公差。
在一个实施例中，每个过载间隙120基本上是圆形的。如图所示，对于三个过载梁，圆形间隙120必须延伸大于圆周的270度，使得它将在足够的方向上接触以确保在哪个方向上TAP 112都不会以不同的间隙距离行进。统一的间隙距离，或在不同方向上特别偏离以允许在Fxy/Tz中的不同激活距离的间隙距离，例如对于四个过载梁，是过载梁118接触MAP114时的驱动因素。间隙120遵循的确切路径，即圆形、椭圆形等，确定过载梁118接触MAP114时的局部接触应力。在一个实施例中，过载间隙120可以使用线放电加工(electricaldischarge machining,EDM)形成，这允许用于轻松加工具有严格公差的间隙120。与蛇形可变形梁116相反，过载梁118是直的，没有任何弯曲或角度，并且比蛇形可变形梁116更短和更厚。因此，它们表现出更高的刚度。
过载梁118和MAP 114之间的过载间隙120为在x-y平面中相对于MAP 114移动TAP112的力(Fxy)和扭矩(Tz)提供过载激活或停止。为了在z方向(页面外)上提供过载停止，将平板附接在每个过载梁118与MAP 114相遇的区域上方和下方——即，在过载间隙120上方和下方——用塞尺(shim stock)限定小间隙宽度。或者，覆盖该区域的板可能具有在其中加工的精确台阶。这样，使用不会威胁到损坏传感器110并且不会明显增加制造过程的容易获得的技术，以小间隙和严格公差来创建所有过载停止。z方向的过载停止特征的一个替代实施例是在传感元件上方和下方具有在板中加工的平面和锥形二者。该平面可以靠近换能器的中心放置，并且该锥形从该平面延伸出，因此纯力过载和扭矩过载二者在过载事件期间都具有大的接触面积，从而降低接触应力并再次提高疲劳寿命/强度。
图9描绘根据另一个实施例的力/扭矩传感器130。在该实施例中，蛇形可变形梁132a、132b、132c连接在TAP 112和MAP 114之间。该实施例中的每个蛇形可变形梁132仅在一点处连接到TAP 112和MAP 114中的每一个。蛇形可变形梁132被“折叠”，类似于图8的实施例，以提供延长的总长度但在小空间内。MAP 114主体可以占据由图8的实施例的蛇形可变形梁116的另一“半”占据的空间的一部分，从而进一步有助于整个传感器130的过载激活后的刚度。过载梁118和过载间隙120的构造如上所述。
图10示出图9的实施例的一个蛇形可变形梁132的细节，其附接有应变计134。应变计附件可以类似在图8的实施例的蛇形可变形梁116上。为清楚起见，未示出应变计的接线。尽管在一个表面上示出，应变计可以在多个表面上(例如，在相对面上成对)并且在任何位置或取向上附接到蛇形可变形梁116、132。
尽管图8-图10中描绘的蛇形可变形梁116、132描绘了梁116、132的段长度的平行运行，在相对端连接到下一个连续段，从而形成“扇子折叠”形状，但是该形状仅是示例性的而非限制性的。
图11描绘具有蛇形可变形梁142的力/扭矩传感器140的又一实施例。在这种情况下，蛇形可变形梁142a、142b、142c各自在TAP 112上的附接点之后仅向左轻微弯曲，然后在附接到MAP 114之前向右转向几次。然而，因为每个梁142都通过向一侧(左侧)然后向另一侧(反复向右)交替弯曲或弯折而偏离直线，因此它们满足本文所使用的“蛇形”梁的定义。
图12描绘各种可变形的梁形状，所有这些都是如本文所定义的术语“蛇形”。
可变形梁形状12(a)类似于图9和图10(或图8的实施例的一侧)中描绘的可变形梁形状。从TAP附接点到MAP附接点的有向线以直线行进，然后偏离直线右转90度。然后梁执行六个180度的方向改变，每个包括两个连续的90度同侧转向。这是蛇形可变形梁的一例，它在两个方向上都偏离直线，但不是连续的。如本文所用，可变形梁的中心线的有向线的偏离是从瞬时中心线偏离，因为考虑的点沿着梁移动——该偏离不一定向初始中心线的任一侧。
形状12(b)描绘可变形梁的蛇形路径的另一个实施例。从TAP附接点开始，梁以直线运行，然后左转小于90度，右转大于90度，再左转大于90度，然后再右转小于90度超过90度，然后继续以直线到达MAP的附接点。蛇形可变形梁中的弯曲可以是与梁中心线的有向线所成的弧形、直角或钝角。
形状12(c)描绘可变形梁的蛇形路径的又一实施例。该形状没有硬角。然而，沿着梁中心线的有向路径经历向右90度的曲线，然后经历向左曲线、向右曲线和向左曲线，各自总共偏转180度，然后向右弯曲90度以到达MAP的附接点。虽然该梁没有硬角，但其有向路径在两个方向上偏离直线，因此符合本文使用的蛇形的定义。
根据本发明的其他实施例，通过形成螺旋形可变形梁来增加可变形梁——而不是过载梁——的长度。如本文所用，术语“螺旋形”是指通过向同一侧重复或连续地弯曲或弯折，累积总和大于90度而偏离直线的形状。换句话说，螺旋形可变形梁的中心线沿其从TAP的附接点到MAP的附接点的长度的有向路径通过在一个方向上——即，向左或向右——多次或连续地转弯、弯曲或斜移大于90度的累积总和而偏离直线。请注意，经历在一个方向上偏离直线总和等于或小于90度的有向路径(如图1的可变形梁16)不包含在如本文使用的术语“螺旋”的含义内。
图14描绘具有螺旋形可变形梁152的力/扭矩传感器150的实施例。在这种情况下，螺旋形可变形梁152a、152b、152c各自仅向一侧——向左——转弯总共180度。根据本文使用的螺旋形可变形梁的定义，这超过了向一侧大于90度的累积最小偏离总和。
图13描绘如本文使用的术语“螺旋形”可变形梁形状的多个示例。
可变形梁形状13(a)包括一系列8个90度转弯，全部向右。从TAP的附接点到MAP的附接点的有向线的向右累积偏离为720度。在该实施例中，MAP的至少一部分必须位于螺旋形可变形梁的平面之外以便附接到它。
形状13(b)描绘可变形梁的螺旋形路径的另一个实施例。从TAP附接点开始，该梁以直线延伸，然后连续向左弯曲偏离。在附接到MAP之前，该梁绕过13/4圈。总的方向偏离——都向同一侧(在本情况中为向左)——为630度。该实施例还需要MAP(或连接到它的臂或其他构件)位于螺旋形可变形梁的平面之外。
形状13(c)描绘可变形梁的螺旋形路径的又一实施例。在该实施例中，梁从TAP的附接点延伸，通过一系列左转，到达MAP的附接点。由于该复合梁的第一段和最后一段不平行，从离开TAP的直线向左的总角度偏离略大于180度，并且因此显然在偏离大于90度的本文定义内。在本实施例中，TAP和MAP可以形成在与螺旋形可变形梁相同的平面内。
在本发明的实施例中，增加了蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152的长度以降低其刚度；然而，由于蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152“折叠”在TAP 112和MAP 114之间的空间内，所以力/扭矩传感器110、130、140、150的总尺寸没有增加。这些蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152的较低刚度增加了过载激活后的传感器刚度与施加负载在操作范围的刚度的比率，同时产生成比例的应变读数。这种配置允许使用容易制造的过载特征。
在力/扭矩传感器110、130、140、150的整个设计或额定操作范围内，蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152上的应变计检测在这些构件中由在TAP 112和MAP 114之间施加的力和/或扭矩引起的压缩和拉伸力。由于它们的总长度大，蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152可以经历弯曲或变形，从而允许TAP 112和MAP 114之间的轻微相对移动。
当最大设计力和/或扭矩被施加到传感器110、130、140、150并且蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152中的一个或多个已经变形或弯曲，允许TAP 112和MAP114之间的最大设计相对移动时，一个或多个过载梁118将关闭相关的间隙120，并直接接触MAP 114或位于传感器110、130、140、150上方或下方的板。此时，进一步的相对移动名义上停止。实际上，将继续有非常轻微的移动，因为过载梁118和MAP 114不是无限刚度的。然而，任何此类运动都将被检测并输出为蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152上的进一步应变，其以比在施加的力/扭矩的操作范围内经历的速率小的速率增加。也就是说，应变/力输出曲线将类似于图6而不是图5的曲线。
本发明的实施例呈现出优于现有技术的力/扭矩传感器的许多优点。由于蛇形可变形梁116、132、142或螺旋形可变形梁152的总长度较大，这些构件的刚度降低而不影响它们的应变。这为过载特征118的刚度提供了显著差异，增加了过载激活后与过载激活前(即，在正常操作范围内)的传感器刚度的比值。该高刚度比率在过载激活点处在应变/力曲线中产生急剧拐点，随着施加的负载增加，斜率是低的。这增加了传感器110、130、140、150在金属疲劳之前可进入过载状态的循环次数，并且增加了传感器110、130、140、150可以承受的最大力/扭矩而不屈服或断裂。通过以蛇形或螺旋形形状形成可变形梁116、132、142、152来增加它们的总长度的方法产生高效的空间利用，不会增加总的传感器尺寸。与现有技术方法相比，通过在MAP 114中形成过载间隙120来限定过载梁118的非连接端放宽了过载特征118的公差，并且消除了在组装后加工部件的需要。
当然，在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明可以以不同于本文具体阐述的方式的其他方式实施。这些实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且在所附权利要求书的含义和等同范围内的所有变化都旨在包含于其中。

Claims (26)

1.一种力/扭矩传感器(110、130、140、150)，包括可操作以连接到第一物体的工具适配器板TAP(112)和可操作以连接到第二物体的安装适配器板MAP(114)，所述力/扭矩传感器(110、130、140、150)的特征在于：
一个或多个蛇形可变形梁(116、132、142)，其将所述TAP(112)连接到所述MAP(114)，其中沿着所述蛇形可变形梁(116、132、142)的中心线从TAP(112)的附接点到MAP(114)的附接点的至少一个有向路径连续地向左偏离瞬时直线至少一次和向右偏离瞬时直线至少一次；
应变计(134)，其固定到至少一些所述蛇形可变形梁(116、132、142)的一个或多个表面，所述应变计(134)可操作以将蛇形可变形梁(116、132、142)中由所述梁(116、132、142)变形引起的应变转换为信号；和
测量电路，其可操作以响应来自所有应变计(134)的信号来测量所述第一物体和所述第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。
2.根据权利要求1所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其特征还在于：
一个或多个过载梁(118)，其在第一端连接到所述TAP(112)和MAP(114)中的一个，并且在第二端与所述TAP(112)和MAP(114)中的另一个间隔开预定宽度的过载间隙(120)，每个过载梁(118)表现出比蛇形可变形梁(116、132、142)更大的刚度。
3.根据权利要求3所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述过载间隙(120)由与所述TAP(112)或MAP(114)不同的部件形成，该部件刚性附接到所述TAP(112)或MAP(114)中的一个，并且与所述TAP(112)或MAP(114)中的另一个形成所述过载间隙(120)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个蛇形可变形梁(116、132、142)包括多个平行的可变形梁段，所述可变形梁段以蛇形构造连接在所述TAP(112)和MAP(114)之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个蛇形可变形梁(116、132、142)包括：
第一段；
第一和第二蛇形区，分别连接在所述第一段与所述MAP(114)和TAP(112)之一的分离点之间；和
第二段，其连接在所述第一段与所述MAP(114)和TAP(112)中的另一个之间。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中多个过载梁(118)中的每一个径向散布在多个蛇形可变形梁(116、132、142)中的每一个之间。
7.根据权利要求2-6中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个过载间隙(120)基本上是圆形的。
8.根据权利要求2-7中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中对于每个过载梁(118)还包括固定在所述MAP(114)或TAP(112)上方和下方的板，所述板与所述过载梁(118)间隔开一过载间隙，所述板限定z方向间隙，所述z方向间隙限制所述过载梁(118)垂直于所述TAP(112)、MAP(114)和过载梁(118)的公共平面的移动。
9.根据权利要求8所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，还包括限定所述z方向间隙的塞尺。
10.根据权利要求8所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述板被加工以限定所述z方向间隙。
11.根据权利要求2-10中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中：
在所述TAP(112)和MAP(114)之间施加的力或扭矩的第一范围内，所述蛇形可变形梁(116、132、142)可操作以变形，并且MAP(114)所述过载梁(118)的第二端由于所述过载间隙(120)而不接触TAP(112)或MAP；并且
在所述TAP(112)和MAP(114)之间施加的力或扭矩的大于所述第一范围的第二范围内，至少一个过载梁(118)的第二端关闭所述过载间隙(120)并接触所述TAP(112)或MAP(114)，防止所述TAP(112)和MAP(114)之间的进一步运动并且因此名义上防止所述蛇形可变形梁(116、132、142)的进一步变形。
12.根据权利要求11所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述传感器(110、130、140、150)在力或扭矩的所述第一范围内在所施加的力或扭矩下表现出第一刚度或运动阻力，并且在力或扭矩的所述第二范围内表现出第二刚度，其中所述第二刚度大于所述第一刚度。
13.根据权利要求12所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中第二刚度与第一刚度的比率是5或更大。
14.根据权利要求13所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中第二刚度与第一刚度的所述比率是10或更大。
15.一种力/扭矩传感器(110、130、140、150)，包括可操作以连接到第一物体的工具适配器板TAP(112)和可操作以连接到第二物体的安装适配器板MAP(114)，所述力/扭矩传感器(110、130、140、150)的特征在于：
一个或多个螺旋形可变形梁(152)，其将所述TAP(112)连接到所述MAP(114)，其中沿着所述螺旋形可变形梁(152)的中心线从TAP(112)的附接点到MAP(114)的附接点的至少一个有向路径向左或向右之一偏离瞬时直线，并且其中该偏离的累积总和大于90度；
应变计(134)，其固定到至少一些所述螺旋形可变形梁(152)的一个或多个表面，所述应变计(134)可操作以将所述螺旋形可变形梁(152)中由所述梁(152)变形引起的应变转换为信号；和
测量电路，其可操作以响应来自所有应变计(134)的信号来测量所述第一物体和所述第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。
16.根据权利要求15所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，还包括：
一个或多个过载梁(118)，其在第一端连接到所述TAP(112)和MAP(114)中的一个，并且在第二端与所述TAP(112)和MAP(114)中的另一个间隔开预定宽度的过载间隙(120)，每个过载梁(118)表现出比螺旋形可变形梁(152)更大的刚度。
17.根据权利要求16所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述过载间隙(120)由与所述TAP(112)或MAP(114)不同的部件形成，该部件刚性附接到所述TAP(112)或MAP(114)中的一个，并且与所述TAP(112)或MAP(114)中的另一个形成所述过载间隙(120)。
18.根据权利要求16-17中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中多个过载梁(118)中的每一个径向散布在多个螺旋形可变形梁(152)中的每一个之间。
19.根据权利要求16-18所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中每个过载间隙(120)基本上是圆形的。
20.根据权利要求16-19中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中对于每个过载梁(118)还包括固定在所述MAP(114)或TAP(112)上方和下方的板，所述板与所述过载梁(118)间隔开一过载间隙，所述板限定z方向间隙，所述z方向间隙限制所述过载梁(118)垂直于所述TAP(112)、MAP(114)和所述过载梁(118)的公共平面的移动。
21.根据权利要求20所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，还包括限定所述z方向间隙的塞尺。
22.根据权利要求20所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述板被加工以限定所述z方向间隙。
23.根据权利要求16-22中任一项所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中：
在所述TAP(112)和MAP(114)之间施加的力或扭矩的第一范围内，所述螺旋形可变形梁(152)可操作以变形，并且其中所述过载梁(118)的第二端由于所述过载间隙(120)而不接触所述TAP(112)或MAP；并且
在所述TAP(112)和MAP(114)之间施加的力或扭矩的大于所述第一范围的第二范围内，至少一个过载梁(118)的第二端关闭所述过载间隙(120)并接触所述TAP(112)或MAP(114)，防止所述TAP(112)和MAP(114)之间的进一步运动并且因此名义上防止所述螺旋形可变形梁(152)的进一步变形。
24.根据权利要求23所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中所述传感器(110、130、140、150)在力或扭矩的所述第一范围内在所施加的力或扭矩下表现出第一刚度或运动阻力，并且在力或扭矩的所述第二范围内表现出第二刚度，其中所述第二刚度大于所述第一刚度。
25.根据权利要求24所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中第二刚度与第一刚度的比率是5或更大。
26.根据权利要求25所述的力/扭矩传感器(110、130、140、150)，其中第二刚度与第一刚度的比率是10或更大。
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