CN115427776A - 扭矩和测力传感器 - Google Patents

Abstract

一种六轴力扭矩传感器(FTT)，其包括毂和设置在所述毂上并从所述毂向外延伸的至少一个弯曲梁。所述至少一个弯曲梁中的每一个包括具有大致U形横截面的U形梁和至少一个梁板，所述梁板在所述U形梁的远离所述毂的部分处附接到所述U形梁。包括至少一个应变仪的第一应变仪载体安装在所述至少一个U形梁的外表面上。包括至少一个应变仪的第二应变仪载体安装在所述至少一个梁板的外表面上。连接元件将所述第一应变仪载体的所述应变仪和所述第二应变仪载体的所述应变仪电气连接成桥式构造。

Description

扭矩和测力传感器

相关申请数据

本申请要求2020年5月29日提交的美国临时申请系列号63/031,774的权益，其全部公开内容通过援引并入本文。

技术领域

所公开的实现方式涉及使用附接到可变形结构的应变仪进行力测量的领域。具体地，所公开的实现方式涉及可用于测量三个正交力和三个正交扭矩的力扭矩传感器(FTT)以及测量方法。

背景技术

常规的六轴FTT将施加的力和扭矩转换为电压、电阻、电容或电流。使用可变形的机械结构，并且当加载时，结构上的表面会变形。应变仪传感器用于将变形转化为电阻、电压、电容或电流的变化。然后，信号的这种变化由电子设备测量，所述电子设备将模拟信号(称为“A/D转换器”)数字化，以供计算机以已知方式进行处理。例如，此类FTT可用于各种机器人应用。为了提取施加到传感器的三个正交力和三个正交扭矩，必须从FTT的可变形结构上的不同位置获得至少六个应变测量值。每个应变测量值通常由电阻应变传感器获取，也称为“电阻应变仪”(SG)。SG在机械结构上的布置和机械结构的几何形状直接影响FTT的生产成本和质量。

六轴FTT的传感元件通常由承受外加负载毂并通过径向且等距间隔开的一个或多个矩形弯曲梁连接的两个高刚性毂组成。在弯曲梁和高刚性毂中的一个或两个之间，存在用于对所施加的力进行机械解耦的柔顺部分。应变仪附接到弯曲梁的表面。

为了测量所有六个力和扭矩分量，最常见的FTT将SG附接在不在同一相切平面上的表面上，并且所述表面通常相对于一个轴彼此偏移90度。为了形成半惠斯通电桥(“电桥”)或全惠斯通电桥，这些SG与电气连接件(诸如电线)连接。最常见的布置是矩形横截面梁，并且在所有四个表面上都贴有SG。梁可以是中空的以提供更高的机械灵活性。需要这些梁中的至少三个来产生足够数量的信号(至少六个)来解析三个正交力和三个正交扭矩。这种方法允许设计非常紧凑的FTT，因为弯曲梁上的所有可用表面都用于应变测量。然而，在这种设计中，很难接近表面以连接和焊接用于SG的电线。因此，通常需要手动处理和定制工具，并且制造成本很高。一般来说，应变仪附接是耗时的过程，其需要手动处理、特殊工具和设备以及高技能人员。

在某些情况下，在相同或稍微倾斜的平面上的仅一个或两个表面部分足以产生足够灵敏以解析两个竖直力的足够信号。在这种情况下，应变仪组合在四分之一桥和/或半桥中，以解析每个梁的必要两个分量。这种设计使FTT的生产与自动化更加兼容，并显著降低了成本，因为它更容易接近SG连接焊盘以进行焊接。在某些情况下，通过简单地触摸SG的端子焊盘，使用PCB来相应地连接SG，而不是使用焊丝。然而，应变仪用于测量法向应变，并且信号的去耦与距梁的中性轴的距离成正比。因此，为了达到上述第一示例传感器的精度和灵敏度水平，梁必须更宽，从而导致对于相同的SG具有更大直径的FTT。

此外，温度补偿只能通过将外部传感器附接到无应力表面来实现。这种外部传感器附件的缺点是两个表面之间的热传递相对较慢。因此，这两个表面的温度不同步，并且漂移成为问题。此外，散热不是对称的，并且受外部边界温度条件的影响很大。

在另一个示例中，应变测量可以部分是法向的，并且部分是剪切的。在这种情况下，应变仪全部放置在一个表面的顶部，并且也实现了更容易的制造。然而，在这种情况下，机械结构变得复杂，并且因此更昂贵。

一般来说，通过粘附SG对FTT进行仪表化是与生产相关的成本中最重要的部分之一。FTT价格昂贵，因为它们需要定制的制造机器。此外，开发了特殊算法来补偿温度影响，并且当在小型装置上焊接许多电线时，生产的传感器的质量控制变得困难。

发明内容

所公开的实现方式包括将施加于其的三个正交力分量和三个正交扭矩分量转换成六个或更多个电气信号的FTT。实现方式允许设计和制造紧凑型六轴FTT，而无需特殊设备和工具。例如，FTT可用于机器人中的力反馈，用于力灵敏度和控制至关重要的小的指尖感测或较大的力操纵任务。

本发明的核心部件是工具安装刚性毂、一个或多个刚性安装固定装置、能够机械变形的结构(称为“弯曲梁”)。弯曲梁由附接到两个直板梁的横截面基本上呈U形轮廓的梁组成。能够测量剪切应变的全桥SG组电路设置在U形轮廓外表面上，并且连接在一起且能够测量剪切应变的两个半桥应变仪组设置在直板梁上。提供印刷电路板(PCB)以包括任何必要的电子设备和/或连接件。

上述部件可以如下配置：刚性毂通过径向布置的三个弯曲梁与(一个或多个)刚性安装固定装置连接。它们形成可以通过铣削或其他技术制造的一个整体结构。全桥应变仪组贴在弯曲梁的U型梁上。在一种实现方式中，使用半桥剪切应变仪组代替全桥，并且桥的其余部分由电阻器完成。两个半桥应变仪组贴在弯曲梁的两个直板梁上以形成全桥。在一种实现方式中，将一组单剪切应变仪贴在直板梁上以形成半桥，并且桥的其余部分由电阻器完成。应变仪可以通过PCB电气连接以形成前述半桥和全桥。SG所附接的弯曲梁外表面用于测量由两个施加且竖直的力产生的剪切应变。这些表面很容易接近，并且因此可以手动粘贴应变仪，而无需特殊设备即可接近表面。此外，表面用于传感器的顺应性，所述顺应性是机械解耦FTT参考系的施加力所需的。因此，所有可用且可接近的表面都以最有效的方式利用，并且制造简单且便宜，并且所得的FTT非常紧凑。

针对两个力中的每一者的应变仪以补偿结构中温度波动的方式被电气连接。具体地，SG对称地布置在相同弯曲梁上，并且由于它们彼此非常接近，因此在非常小的延迟/增量(delta)的情况下共享相同的温度。此外，应变仪相对于它们所附接的材料进行了温度补偿。

六个信号输出用于在传感器的选定参考系上重建通过具有地面实况测量的校准过程施加的三个力和三个扭矩。所公开的实现方式可用于制造与当前的工业机器人系统兼容的带有现成应变仪的超紧凑型高性能六轴力扭矩传感器。此外，应该注意，所公开的实现方式不需要特殊的组装技能或工具，这导致制造成本低。

所公开的实现方式是六轴力扭矩传感器(FTT)，其包括：毂；至少一个弯曲梁，其设置在所述毂上并从所述毂向外延伸，所述至少一个弯曲梁中的每一个都包括具有大致U形横截面的U形梁和至少一个梁板，所述梁板在所述U形梁的远离所述毂的部分处附接到所述U形梁；第一应变仪载体，其包括至少一个应变仪，所述第一应变仪载体安装在所述至少一个U形梁的外表面上；第二应变仪载体，其包括至少一个应变仪，所述第二应变仪载体安装在所述至少一个梁板的外表面上；以及连接元件，其用于将所述第一应变仪载体的应变仪和所述第二应变仪载体的应变仪电气连接成桥式构造。

可以存在从所述毂径向延伸的三个U形梁，并且每个U形梁可能具有附接到其上的两个梁板。多个安装固定装置可以分别将所述梁板中的每一者的远端联接到附接到所述U形梁中的相邻一个U形梁的所述梁板中的对应一个梁板的远端。

所述至少一个U形梁中的每一个可以包括两个基本上平行的板和正交连接板。所述第一应变仪载体可以安装在所述正交连接板上。所述第二应变仪载体可以设置在与由所述至少一个梁板的所述外表面限定的平面正交地相交的平面中。

附图说明

本发明在附图的各图中以举例而非限制的方式示出，附图中的相同附图标记指示类似元件。

图1是根据所公开的实现方式的具有三个弯曲梁、它们的高刚性毂、SG布置和PCB、以及笛卡尔参考系的六轴FTT的透视图。

图2是根据所公开的实现方式的图1的弯曲梁的详细透视图。

图3a是图2的弯曲梁的顶视图。

图3b是根据所公开的实现方式的弯曲梁的U形轮廓部分的剖视图，其中SG在其顶部。

图4a是根据所公开的实现方式并且包括笛卡尔参考系的六轴FTT的顶视图。

图4b是包括笛卡尔参考系的图4a的FTT的侧视图。

图5a、图5b、图5c、图5d是根据所公开的实现方式的SG的组合的示例的示意图。

图6是根据所公开的实现方式的可以使用的载体上的SG的几种布置的示意性顶视图。

具体实施方式

下文将参考所讨论细节描述各种所公开的实现方式，且附图将说明各种实现方式。以下描述和附图是对本发明的说明，而不应当解释为限制本发明。描述了许多具体细节以提供对各种所公开的实现方式的透彻理解。然而，在某些实例中，为了提供所公开的实现方式的简洁讨论，没有描述公知的或常规的细节。诸如“顶部”、“底部”和“侧面”的位置术语在本文中用作相对描述符，并且实现方式可以定位在任何取向和/或参考系中。

图1是根据所公开的实现方式的FTT 100的透视图。FTT 100包括工具安装刚性毂109、三个刚性安装固定装置110和能够机械变形的至少一个金属或非金属结构200，在图1中仅标记了其中一个(在本文中称为“弯曲梁200”)。下面参考图2更详细地描述弯曲梁200。弯曲梁200的柔顺部分107(被设计用于施加力的机械解耦)被限定在连接到毂109的弯曲梁200的一部分上。剪切型SG应变仪组101a、101b附接到相应弯曲梁200的表面并且电连接到PCB 103，所述PCB 103包括用于以已知方式限定半桥或全桥连接的适当的电气元件。

图2更详细地示出了图1的弯曲梁200中的一个。弯曲梁200由具有U形截面(见图3a)的U形梁108组成，所述U形梁108通过元件106刚性地附接到两个直板梁107。四个应变仪(111、112、113、114)的全桥通过载体102以被配置为测量U形梁108的剪切应变的方式附接到U形梁108的顶部表面。两个半桥应变仪载体101a和101b以能够测量带有SG 115和116的直板梁107上的剪切应变的方式附接。SG通过可以包括电线的电气连接件104和105电气连接到PCB 103。毂109通过径向布置的三个弯曲梁107分别连接到刚性安装固定装置110。因此，这些元件形成一个整体结构，所述结构可以通过常规技术(诸如铣削或铸造技术)制造。

图3a示出了弯曲梁200的顶视图。图3b示出了U形梁108的横截面。需注意，U形梁108的横截面基本上是U形的。如本文所用，短语“大致U形”是指具有通过大致正交元件连接的两个大致平行元件的结构。这可以包括如图3b所示以90度角连接的扁平元件或横截面形状近似于字母U连接的略微弯曲的元件。

载体102固定到弯曲梁200的U形梁108上。如图3a和图3B所示，载体102粘附到U形梁108的外顶表面。载体102附接在其上的表面的剪切应变场大致是均匀的。当与应变仪主变形方向的取向成45度角的剪切力F1(见图2)施加在FTT上时，会产生均匀的剪切应变场。SG与主应变对齐。附接的全桥组的四个SG中的每一个都经历相同的应变幅度。它们中的两个被压缩，并且它们中的两个被拉伸。图5a示出了惠斯通桥电气连接，当力F1被施加在弯曲梁上时，惠斯通桥电气连接能够产生电气信号。

在另一种实现方式中，载体102可以附接在U形梁的U形轮廓的底部表面上。在另一种实现方式中，如图5c所示，仅使用两个应变仪在载体102上形成半桥。这种布置能够从施加的力F1产生电气信号。在该实现方式中，具有相同灵敏度的SG将产生一半的信号幅度。当使用具有更高灵敏度的应变仪时，这种实现方式是有利的，并且可以产生更紧凑的FTT。图5b示出了在U形梁上用于测量F1力的一个半桥和附接到矩形梁上测量F2力的两个半桥的另一种组合。

在另一种实现方式中，两个半桥剪切SG载体可以附接在U形梁108的相反面上。该实施例是有利的，因为它消除了在施加扭矩M1时出现的耦合，并且梁仅表现为仅当施加力F1并且扭矩M1被消除时才能够产生信号的单轴测力传感器。

应变仪可以以已知方式进行温度匹配并补偿弯曲梁的材料。此外，当应变仪附接在传感器的同一区域中时，即物理上彼此靠近时，温差通常可以忽略不计。因此，整个FTT的U型梁信号中的每一个都通过所布置的和所电气连接的应变仪进行温度补偿。

参考图3，直板梁107用于安装测量竖直力F2(121)所需的应变仪。所公开的实现方式可以将直板梁107用于FTT所需的顺应性，以解耦所有施加的力和扭矩分量，尤其是Fx、Fy和Mz的分量。这种组合意味着每个可用的表面都用于安装应变仪，并且从而形成非常紧凑的六轴FTT。安装在这些表面上的SG载体101a和101b(见图1)也是剪切型的，并且当竖直力施加在弯曲梁上时产生信号。每个载体可以承载两个应变仪115和116(见图2)，所述两个应变仪形成半桥剪切应变仪组，所述半桥剪切应变仪组被布置并与由力引起的主应变、通常以与水平线120成45度角对齐，如图2所示。应变仪可以彼此成90度对齐。当施加力F2时，应变仪中的两个被压缩并且两个以与前一段中描述的102的应变仪组相同的方式被拉伸。不同之处在于这些SG组通过PCB 103彼此电气连接。它们经过温度补偿以匹配它们所附接的材料，并且它们放置在FTT 109和110的高刚性部件之间。它们是对称放置的，并且从一个表面到另一个表面的任何温差都可以忽略不计。此外，它们是电气连接的，以抑制弯曲梁中温度变化引起的应变。

在另一种实现方式中，载体101a和101b可以各自仅包括一个应变仪，其与水平线120成45度角对齐或定向穿过由力引起的主应变。它们可以半桥配置与PCB 103连接，如图5d所示。

图4a示出了前述实现方式的顶视图，其中三个弯曲梁108连接以形成完整的六轴FTT。FTT可以将安装在高刚性外壳或适配器109上的刚性安装固定装置110用于所施加的力的一侧。在该实施例中，用于三个力和扭矩的参考系117被选择为位于外壳或适配器109的顶部表面上。图4b是图4a的实现方式的侧视图，其中示出了参考系x轴和z轴。

图5示出了本发明的其他实施例的展开图，其中在所讨论的弯曲梁中使用SG的可能组合。可以看出，存在五种或更多可能的组合来测量由施加在弯曲梁上的两个竖直力引起的剪切应变。

图6示出了可以在本发明的其他实施例中使用的几种类型的SG载体及其SG的图。SG可以彼此成90度布置，并且与施加的剪切应力引起的主应变对齐。在一个应变仪载体中可以存在一个、两个、三个或甚至四个应变仪。应变仪可以布置成图6所示的任何图案。已知的金属箔或半导体箔电阻SG可用于将应变转换为电阻变化。金属SG更便宜，通常可以测量更大的应变，并且更稳健，但它们具有小的增益因子。半导体SG可能很昂贵、易碎、难以处理，但当灵敏度是关键事项时，它们是优选的，因为它们具有高增益因子。由于其更高的灵敏度，电子设备可以最小化，从而实现非常紧凑的FTT。

多个应变仪可以通过PCB连接以便以已知方式形成前述半桥和全桥。SG可以附接到弯曲梁的外表面，以测量由两个施加的且竖直的力产生的剪切应变。这些表面可以很容易地使用粘合剂手动安装和粘附应变仪，而无需特殊设备。梁还用于传感器的顺应性，其是机械解耦FTT参考系的施加力所需的。因此，所有表面都以最有效的方式利用，制造简单，并且由此产生的FTT便宜且紧凑。

SG可以以补偿结构上的温度波动的方式进行电气连接。SG可以对称地布置在相同梁上以便由于物理接近而在非常小的延迟的情况下共享相同的温度。此外，本发明中使用的应变仪对它们所附接的材料进行了温度补偿。六个信号输出可以用于使用最小二乘法在传感器的选定参考系117上、重建通过具有地面实况测量的校准过程而施加的三个力和三个扭矩。实现方式可用于制造与当前的工业机器人系统兼容的带有现成应变仪的超紧凑型高性能六轴力扭矩传感器。

已经针对各种实现方式描述了本发明。本领域技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的范围的情况下可以进行各种修改。

Claims (4)

1.一种六轴力扭矩传感器(FTT)，其包括：

毂；

至少一个弯曲梁，其设置在所述毂上并从所述毂向外延伸，所述至少一个弯曲梁中的每一个包括具有大致U形横截面的U形梁和至少一个梁板，所述梁板在所述U形梁的远离所述毂的部分处附接到所述U形梁；

第一应变仪载体，其包括至少一个应变仪，所述第一应变仪载体安装在所述至少一个U形梁的外表面上；

第二应变仪载体，其包括至少一个应变仪，所述第二应变仪载体安装在所述至少一个梁板的外表面上；以及

连接元件，其用于将所述第一应变仪载体的应变仪和所述第二应变仪载体的应变仪电气连接成桥式构造。

2.根据权利要求1所述的FTT，其中存在从所述毂径向延伸的三个U形梁，并且其中每个U形梁附接有两个梁板并且还包括多个安装固定装置，所述多个安装固定装置分别将所述梁板中的每一者的远端联接到附接到所述U形梁中的相邻一个U形梁的所述梁板中的对应一个梁板的远端。

3.根据权利要求1所述的FTT，其中所述至少一个U形梁中的每一个包括两个基本上平行的板和正交连接板，并且其中所述第一应变仪载体安装在所述正交连接板上。

4.根据权利要求3所述的FTT，其中所述第二应变仪载体设置在与由所述至少一个梁板的所述外表面限定的平面正交地相交的平面中。

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