CN114918921A - 一种冗余检测的力传感器及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冗余检测的力传感器及机器人，所述力传感器包括：第一壳体和固定套设于所述第一壳体外周侧的第二壳体，第一壳体设置有第一检测组件，所述第一检测组件包括多个应变片；第二检测组件，包括形成于第二壳体的检测区域以及固定安装于检测区域外侧的检测单元，所述第二检测组件与所述第一检测组件基于不同的原理检测力信息。本申请所提供的方案能够实现力信息的冗余检测，同时，第一壳体和第二壳体套接的结构有利于减小力传感器的轴向长度。

Description

一种冗余检测的力传感器及机器人
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种冗余检测的力传感器及机器人。
背景技术
力传感器是工业中常用的传感器之一，用于检测受力信息，广泛应用于工业控制领域，例如水利水电、生产自控、智能建筑等多个领域。
对于机器人领域而言，对力传感器的检测提出了更高的要求以保证机器人工作的准确性及可靠性，同时，对于力传感器的体积紧凑、结构小巧也提出了更高的要求，以适应机器人有限的安装空间。
传统的力传感器多基于应变式的原理，通过应变梁的变形，应变片检测其变化来实现力信息的检测，一方面，应变梁贴片的方式，随着粘贴应变片数量的增多，难以保证应变片粘贴于应变梁敏感受力的部位，从而难以保证检测结果的准确性，同时力传感器的加工工艺也会较为复杂；另一方面，该种方式无法处理应变片检测不灵敏等情况引起的应变片检测结果不准确的情况，难以保证力传感器输出信息的准确性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冗余检测的力传感器及机器人，以解决现有技术中力传感器检测的力信息准确性和可靠性有限，同时结构不够紧凑的问题，本发明所提供的力传感器能够冗余的校验力传感器检测结果的准确性，同时可减小力传感器的轴向体积以及简化冗余检测的力传感器的制造工艺。
为实现上述目标，本发明可采用如下技术方案：一种冗余检测的力传感器，包括：第一壳体和固定套设于所述第一壳体外周侧的第二壳体，第一壳体设置有第一检测组件，所述第一检测组件包括多个应变片；第二检测组件，包括形成于第二壳体的检测区域以及固定安装于检测区域外侧的检测单元，所述第二检测组件与所述第一检测组件基于不同的原理检测力信息。
进一步的，所述检测区域形成于所述第二壳体的外表面，所述检测区域为磁场区域，所述检测单元为磁检测单元。
进一步的，所述第一壳体包括前段壳体和后段壳体，所述前段壳体和所述后段壳体抵接，或，所述前段壳体和所述后段壳体一体成型。
进一步的，所述前段壳体包括内圈法兰和外圈法兰，所述后段壳体与所述外圈法兰抵接，或，所述后段壳体与所述外圈法兰一体成型。
进一步的，所述前段壳体包括连接内圈法兰和外圈法兰的多个应变梁，所述多个应变片分布于所述应变梁。
进一步的，所述后段壳体包括圆柱形的外表面，所述多个应变片沿所述后段壳体的周向分布。
进一步的，所述后段壳体形成为空心的法兰轴，所述前段壳体的内圈法兰与谐波减速器的柔轮连接，所述第二壳体可用作机器人关节的输出法兰轴。
进一步的，所述力传感器包括设置于第二壳体外侧的第三壳体，所述检测单元固定于所述第三壳体以使得所述检测单元位于所述检测区域外侧。
进一步的，所述力传感器为用于机器人关节的扭矩传感器。
本发明还可采用如下技术方案：一种机器人，包括底座、连杆以及机器人关节，所述机器人关节可通过输出法兰轴将动力传递至下一个机器人关节，机器人关节包括关节外壳、驱动电机、谐波减速器以及前文中任一项所述的冗余检测的力传感器，所述谐波减速器的柔轮与第一壳体连接，机器人关节的输出法兰轴用作所述力传感器的第二壳体，所述检测单元固定安装于所述关节外壳。
与现有技术相比，本发明具体实施例的有益效果至少在于：力传感器基于独立工作的第一检测组件和第二检测组件检测力信息，第一检测组件和第二检测组件硬件独立、原理不同，保证对力信息的独立的冗余检测，保证力传感器检测的可靠性和准确性；基于第一壳体和第二壳体套接的结构，且形成为空心的结构，保证力传感器结构的紧凑性，第一壳体和第二壳体实现了受力的正向传递和反向传递，在实现磁致伸缩检测的基础上保证力传感器的轴向体积较小。
附图说明
图1是本发明一个实施例的力传感器的立体图；
图2是图1所示的力传感器的剖面图；
图3是图1所示的力传感器的结构分解图；
图4是本发明另一实施例的力传感器的结构分解图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本发明的实施例。应当理解的是，对实施方式的具体说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不是用于穷举本发明的所有可行方式，更不是用于限制本发明的具体实施范围。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”、“顶”、“底”、“竖直”、“水平”、“竖向”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，仅是为了便于描述或简化描述本发明，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、安装及操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明保护一种冗余检测的力传感器，参图1，图1示出了本申请一个实施例的力传感器1的立体图，力传感器1包括第一壳体10和第二壳体20，所述第一壳体10设置有第一检测组件以检测力信息，所述第一检测组件包括多个应变片31，所述第一检测组件基于应变式原理检测力信息；所述第二壳体20固定套设于所述第一壳体10的外周侧；力传感器1包括第二检测组件，所述第二检测组件与所述第一检测组件基于不同原理检测力信息，所述第二检测组件包括形成于第二壳体20的检测区域21以及固定安装于检测区域21外侧的检测单元40，示例性的，所述第一检测组件根据应变式传感器的原理检测力信息，所述第二检测组件根据磁致伸缩传感器的原理检测力信息。第一检测组件和第二检测组件的原理不同，则力传感器1可以基于不同的检测原理对力信息进行冗余检测，第一检测组件和第二检测组件分布的位置不同，则第一检测组件的应变片31和第二检测组件的检测区域21分别可以分布于第一壳体10和第二壳体20的灵敏检测位置，进而提升单通道检测的灵敏度。可理解的，第一检测组件和第二检测组件检测的力信息可以互相校验，仅当第一检测组件和第二检测组件输出的力信息保持一致，或者误差处于允许范围内时，确认力传感器1检测的力信息为准确信息，力传感器1通过冗余地检测力信息，第一检测组件和第二检测组件分布于不同的载体，且第一检测组件和第二检测组件基于不同的检测原理检测力信息，第一检测组件和第二检测组件检测的力信息独立，且检测结果可以相互校验，进而避免其中之一检测组件检测结果不准确影响力传感器1检测的准确性和可靠性。可理解的，力传感器1包括信号处理单元，或者，力传感器1所安装的载体(例如机器人)包括信号处理单元，信号处理单元能够对第一检测组件和第二检测组件检测的力信息进行校验，仅当第一检测组件和第二检测组件检测的力信息一致或误差为可允许范围内时，确认力传感器检测结果的准确性，输出力传感器检测的力信息。
具体的，参图2，图2是图1所示的力传感器1的剖面图，所述第一壳体10和所述第二壳体20固定连接，所述第一壳体10位于所述第二壳体20的内部，可选的，所述第一壳体10形成为至少部分的圆柱体结构，可选的所述第一壳体10形成为轴套结构，所述第一壳体10内部为中空结构，以使得减速器的柔轮可以穿过第一壳体10内部并连接于第一壳体10，使得第一壳体10与减速器能够实现较好的结构配合，力传感器1的安装结构较为紧凑，减速器将受力信息传递给第一壳体10，第一检测组件可检测受力信息。所述第二壳体20套接于所述第一壳体10的外侧，可选的，所述第二壳体20也形成为至少部分的圆柱体结构，所述第二壳体20也可形成为轴套结构，所述第二壳体20与所述第一壳体10可形成双层的轴套结构。所述第二壳体20与所述第一壳体10套接，第一检测组件的应变片31和第二检测组件的检测区域21可分别分布于第一壳体10和第二壳体20，在基于双通道冗余检测力信息的基础上，双层结构设计保证了力传感器结构的紧凑性。
具体的，参图1-3，所述检测区域21形成于所述第二壳体20的外表面，所述检测区域21为磁场区域，所述检测单元40为磁检测单元，所述第二检测组件基于磁致伸缩原理的逆效应检测力信息。具体的，对第二壳体20进行磁化处理，使得第二壳体20形成定向定区域的磁场，当第二壳体20受力时，基于形变产生磁场变化，磁检测单元根据磁场变化检测力信息。示例性的，第二壳体20形成为至少部分的圆柱体结构，所述第二壳体20的中部形成为检测区域21，磁检测单元检测所述检测区域21的磁场变化以测量力信息。其中，根据磁致伸缩的方式检测力信息时，是一种非接触式的检测方式，对于第二壳体20本身无接触、无磨损，同时空间占用较小，传感器工作的稳定性较好，在震动、高温等场景下均可保证较好的检测效果。例如，当力传感器应用于机器人关节时，在关节的振动、发热等状况下，均能够保证磁致检测的稳定性。
在一个具体的实施例中，参图3，所述第一壳体10包括前段壳体11和后段壳体12，所述前段壳体11和后段壳体12抵接，所述前段壳体11和后段壳体12可分离，或者，参图4，所述前段壳体11和所述后段壳体12一体成型。具体的，所述第一检测组件可以分布于所述前段壳体11，或者分布于所述后段壳体12，在一个具体的实施例中，所述第一检测组件可包括两组应变式检测，即一组应变式检测分布于前段壳体11，另一组应变式检测分布于后段壳体12，使得第一检测组件包括两组应变式的检测，进而仅通过第一检测组件就可实现力信息的冗余检测，提升传感器检测精度。采用前段壳体11和后段壳体12可拆卸的抵接的方式，能够简化前段壳体11和后段壳体12的加工，能够分别保证各自的工艺要求。具体的，所述前段壳体11包括内圈法兰111和外圈法兰，所述后段壳体12与所述外圈法兰抵接，或所述后段壳体12与所述外圈法兰一体成型。
在一个可实现的方式中，所述第一检测组件分布于所述第一壳体10的前段壳体11，所述前段壳体11包括内圈法兰111和外圈法兰，所述前段壳体11还包括连接内圈法兰111和外圈法兰的多个应变梁113，所述多个应变片31分布于所述应变梁113，通过这种方式，实现对力传感器1径向应变的检测方案；具体的，所述应变梁113和应变片31可以基于应变式传感器的现有技术进行分布，示例性的，所述应变梁113为十字梁，通过对应变梁113的灵敏度测试和分析，将应变片31分布于应变梁113的灵敏度集中的位置。可理解的，将第二壳体20进行磁化处理，检测磁场变化的方式，第二壳体20与第一壳体10套接的方式，能够实现轴向应变的检测。相较于增加应变片31数量实现双通道检测力信息的方式，该方案能够分散力信息的检测，应变梁113上的应变片31数量相对少，因此应变片31能够分布于应变灵敏的区域，同时，对第一壳体10的加工工艺要求降低。可选的，所述第一应变组件也可以分布于后段壳体12，沿后段壳体12的周向分布式进行应变片贴片，以基于应变式原理检测力信息。
进一步的，所述第一壳体10为中空的法兰轴结构，所述第二壳体20为中空的法兰轴结构，所述前段壳体11包括内圈法兰111和外圈法兰，所述前段壳体11的内圈法兰111用于连接于谐波减速器的柔轮，所述第二壳体20用作机器人关节的输出法兰轴，将内圈法兰111与谐波减速器的柔轮5连接，使得谐波减速器的输出扭矩通过所述力传感器进行传递。进一步的，其传递路径为，当内圈法兰111与谐波减速器的柔轮5连接时，减速器输出的扭矩，经由柔轮5起始，传递至第一壳体10的前段壳体11，在内圈法兰111经过径向分布的应变梁，径向传递至前段壳体11的外圈法兰，以力传感器安装于机器人关节为例，该传递方向为关节负载的正向传递方向；之后，减速器输出的扭矩由前段壳体11的外圈法兰沿关节负载的反向传递方向传递至后段壳体12，第一壳体的后段壳体与第二壳体之间通过一个抵接法兰连接，从而使得第一壳体和第二壳体固定连接，减速器输出的扭矩再由后段壳体12经由抵接法兰传递至第二壳体，第二壳体再将该扭矩由右侧正向传递传递至左侧(参见剖视图位置关系)，其中，第二壳体的左侧为关节力的输出方向，从而完成关节的驱动传递。本方案将减速器输出的扭矩经由力传感器检测，同时减速器输出的扭矩通过迂回的力传递路径由力传感器的第一壳体的内圈法兰传递至第二壳体的左侧，从而实现关节驱动力的正向传递，相较于现有技术而言，力传递的路径为单向传递，要实现力传感器的双通道设计以实现力信息的冗余检测，传统设计不可避免的需增加力传感器的轴向长度，而当应用于机器人关节的场景时，关节内结构较为紧凑，由于是轴向的空间较为有限，该设计能够在满足关节轴向空间占用较小的基础上实现力传感器双通道冗余检测的设计。也即，通过第一壳体10和第二壳体20套接的结构，实现关节力信息的正反向传递链路，同时在第二壳体20的正向传递路径上，设置基于磁致伸缩的关节力矩检测，从而在不增加传感器轴向长度的基础上，实现了基于不同原理的冗余检测。
再者，基于磁致伸缩逆效应检测力信息时，需要对第二壳体20进行磁化处理，该技术需对第二壳体20的检测区域21进行磁化以形成具有特定方向的磁场，在本实施例中，第一壳体10的存在屏蔽了关节电机带来的内部干扰，同时，第二壳体20的外侧设置有第三壳体(图未示)，磁检测单元安装于所述第三壳体，第一壳体设置于第二壳体内侧使得力传感器实现对内侧磁场的干扰屏蔽，第三壳体设置于第二壳体外侧使得力传感器实现对外侧磁场的干扰屏蔽，保证第二检测组件的检测精度。当力传感器应用于机器人关节时，机器人关节的输出法兰可用作力传感器的第二壳体，将机器人关节的动力传递至下一个关节，则第一壳体可以屏蔽关节电机带来的内部干扰，机器人的关节外壳可用作力传感器的第三壳体，则可以实现对关节外部磁场的干扰屏蔽，该力传感器可以与机器人关节结构进行融合，进而简化了机器人关节进行关节受力冗余测量的结构设计。
示例性的，所述力传感器1包括第三壳体(图未示)，所述检测单元40固定安装于所述第三壳体，所述第三壳体设置于第二壳体20的外侧，以使得所述检测单元40固定设置于所述第二壳体的外侧。
以上优选实施例的有益效果至少在于：力传感器的第一检测组件和第二检测组件基于不同的原理检测力信息，且分布于不同的壳体上，实现独立的冗余的力信息的检测。同时第一壳体和第二壳体套接的结构使得力传感器的结构紧凑、体积较小。
本发明具体实施例还提供一种机器人，机器人包括底座、连杆以及机器人关节，机器人关节可通过关节输出法兰将动力传递至下一个机器人关节，机器人关节包括关节外壳、驱动电机、谐波减速器以及前文中任一项所述的冗余检测的力传感器1，其中，所述谐波减速器包括柔轮，所述力传感器1的第一壳体连接于所述柔轮，机器人关节的输出法兰轴至少部分用作所述力传感器的第二壳体，所述检测单元固定安装于所述关节外壳，可理解的，力传感器可包括用于安装检测单元和/或用于封装力传感器的第三壳体，所述检测单元安装于所述第三壳体，所述机器人的关节外壳至少部分的用作力传感器的第三壳体。其中，关节外壳设置于机器人的关节输出法兰外侧，机器人的关节输出法兰和机器人的关节外壳是包括关节的机器人的必要结构，通过将力传感器与机器人关节的固有结构进行融合，进一步简化了力传感器的结构以及使得机器人关节内部结构紧凑、空间占用减小。具体的，文中所涉及的“连接”既包括固定连接、可拆卸连接，也包括两物体接触以抵接的状态，既包括两部件直接连接，也包括两部件通过连接件间接连接的方式。其中，力传感器的第一壳体通过柔轮法兰连接于柔轮，以将减速器的力信息传递给第一壳体。
最后还需要指出，由于文字表达的有限性，上述说明仅是示例性的，并非穷尽性的，本发明并不限于所披露的各实施方式，在不偏离上述示例的范围和精神的情况下，对于本领域的技术人员来说还可以作若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应以权利要求为准。

Claims (10)

1.一种冗余检测的力传感器，其特征在于，包括：
第一壳体和固定套设于所述第一壳体外周侧的第二壳体，第一壳体设置有第一检测组件，所述第一检测组件包括多个应变片；
第二检测组件，包括形成于第二壳体的检测区域以及固定安装于检测区域外侧的检测单元，所述第二检测组件与所述第一检测组件基于不同的原理检测力信息。
2.根据权利要求1所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述检测区域形成于所述第二壳体的外表面，所述检测区域为磁场区域，所述检测单元为磁检测单元。
3.根据权利要求2所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述第一壳体包括前段壳体和后段壳体，所述前段壳体和所述后段壳体抵接，或，所述前段壳体和所述后段壳体一体成型。
4.根据权利要求3所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述前段壳体包括内圈法兰和外圈法兰，所述后段壳体与所述外圈法兰抵接，或，所述后段壳体与所述外圈法兰一体成型。
5.根据权利要求4所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述前段壳体包括连接内圈法兰和外圈法兰的多个应变梁，所述多个应变片分布于所述应变梁。
6.根据权利要求4所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述后段壳体包括圆柱形的外表面，所述多个应变片沿所述后段壳体的周向分布。
7.根据权利要求4所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述后段壳体形成为空心的法兰轴，所述前段壳体的内圈法兰与谐波减速器的柔轮连接，所述第二壳体可用作机器人关节的输出法兰轴。
8.根据权利要求1所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述力传感器包括设置于第二壳体外侧的第三壳体，所述检测单元固定于所述第三壳体以使得所述检测单元位于所述检测区域外侧。
9.根据权利要求1所述的冗余检测的力传感器，其特征在于，所述力传感器为用于机器人关节的扭矩传感器。
10.一种机器人，其特征在于，包括底座、连杆以及机器人关节，所述机器人关节可通过输出法兰轴将动力传递至下一个机器人关节，机器人关节包括关节外壳、驱动电机、谐波减速器以及权利要求1-9中任一项所述的冗余检测的力传感器，所述谐波减速器的柔轮与第一壳体连接，机器人关节的输出法兰轴用作所述力传感器的第二壳体，所述检测单元固定安装于所述关节外壳。
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