CN115790931A - 力矩传感器的弹性体和力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本申请是关于一种力矩传感器的弹性体和力矩传感器，属于传感器技术领域。所述弹性体包括弹性体本体和应变片；弹性体本体包括一体成型的外法兰、内法兰和多个连接结构，外法兰和内法兰具有环形结构，内法兰位于外法兰内、与外法兰同轴且与外法兰之间存在间隙，连接结构包括至少一个应变梁，应变梁位于外法兰与内法兰之间，且两端分别与外法兰、内法兰相连；应变片位于应变梁与内法兰轴线平行的侧面，且与应变梁相贴。采用本申请，可以提升力矩传感器测量得到的扭力大小的精度。

Description

力矩传感器的弹性体和力矩传感器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，特别涉及一种力矩传感器的弹性体和力矩传感器。

背景技术

现如今，在使用机器人进行自动化作业时，通常需要在机器人的关节处设置力矩传感器，以检测关节处的扭力大小。

力矩传感器包括弹性体和外部电桥。弹性体包括内外法兰两部分，内外法兰之间通过应变梁连接，应变梁表面贴有应变片，应变片与外部电桥电性连接。当力矩传感器受到扭力作用时，应变梁和应变片发生形变，形变的应变片的电阻发生变化，通过电桥测量应变片的电阻变化，可以得到关节处的扭力大小。

当前，在弹性体中，大多通过螺栓将应变梁与内外法兰固定在一起。螺栓对应变梁存在安装应力，该安装应力会对应变梁的形变产生较大影响，从而导致力矩传感器测量得到的扭力大小的精度较低。

发明内容

本申请实施例提供了一种力矩传感器的弹性体、力矩传感器和机器人，可以解决相关技术中存在的技术问题，所述的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种力矩传感器的弹性体，所述弹性体包括弹性体本体和应变片；

弹性体本体包括一体成型的外法兰、内法兰和多个连接结构，所述外法兰和所述内法兰具有环形结构，所述内法兰位于所述外法兰内、与所述外法兰同轴且与所述外法兰之间存在间隙，所述连接结构包括至少一个应变梁，所述应变梁位于所述外法兰与所述内法兰之间，且两端分别与所述外法兰、所述内法兰相连；

所述应变片位于所述应变梁与所述内法兰轴线平行的侧面，且与所述应变梁相贴。

在一种可能的实现方式中，所述多个连接结构周向均匀分布在所述外法兰和所述内法兰之间，每个连接结构中应变梁的数量相同。

在一种可能的实现方式中，所述内法兰具有多个轴向的光滑通孔，所述光滑通孔用于所述内法兰与第一器件相连，所述第一器件是需要检测力矩的器件。

在一种可能的实现方式中，所述光滑通孔位于所述内法兰上对应所述连接结构的位置。

在一种可能的实现方式中，所述内法兰具有多个轴向的第一螺纹孔，所述第一螺纹孔位于所述内法兰上不与所述连接结构相对应的位置，所述第一螺纹孔用于所述内法兰与第一器件相连，所述第一器件是需要检测力矩的器件。

在一种可能的实现方式中，所述内法兰的具有多个第一凹槽，所述第一凹槽位于所述连接结构和所述第一螺纹孔之间。

在一种可能的实现方式中，所述内法兰具有多个第二凹槽，所述第二凹槽位于所述内法兰边缘，且位于相邻两个连接结构之间，所述第二凹槽用于放置电桥。

在一种可能的实现方式中，所述外法兰与所述内法兰之间的间隙被多个应变梁分割为多个部分；

所述内法兰的表面具有多个第三凹槽，所述第三凹槽将所述多个部分中对应所述应变片的部分与所述第二凹槽连通，所述第三凹槽用于放置所述应变片与所述电桥之间的导线。

在一种可能的实现方式中，所述外法兰具有多个轴向的第二螺纹孔，所述第二螺纹孔位于所述外法兰上不与所述连接结构相对应的位置，所述第二螺纹孔用于所述外法兰与第二器件相连，所述第二器件是需要检测力矩的器件。

第二方面，本申请提供了一种力矩传感器，所述力矩传感器包括如第一方面及其可能的实现方式中的力矩传感器的弹性体，该电桥可以是惠斯通电桥，惠斯通电桥与应变片相连，当应变梁发生形变时，贴在应变梁侧面的应变片也发生形变，形变后的应变片，其电阻值发生改变，基于应变片电阻值的变化，惠斯通电桥可以将电阻值变化转化为容易测得的电压值或电流值变化，该电压值或电流值经过相关运算后，即可将弹性体所受扭力的大小作为输出信号进行输出。

本申请的实施例提供的技术方案至少包括以下有益效果：

本申请实施例提供了一种力矩传感器的弹性体，该弹性体包括外法兰、内法兰、多个应变梁和应变片，应变梁的两端分别与外法兰和内法兰相连，应变片与应变梁的侧面相贴。由于该弹性体中，应变梁与外法兰和内法兰一体成型，不需要螺栓将应变梁与外法兰和内法兰固定在一起，从而该弹性体中应变梁与内外法兰连接位置处，不存在螺栓产生的安装应力，这样，使得力矩传感器测量得到的扭力大小的不受螺栓所产生的安装应力的影响，从而可以提升力矩传感器测量得到的扭力大小的精度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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是本申请实施例示出的一种力矩传感器的弹性体的结构示意图；

图2是本申请实施例示出的一种力矩传感器的弹性体的局部示意图；

图3是本申请实施例示出的一种力矩传感器的弹性体的结构示意图；

图4是本申请实施例示出的一种力矩传感器的弹性体的结构示意图。

图例说明

1、弹性体本体；

1a、外法兰与内法兰之间的间隙；

11、外法兰；12、内法兰；13、连接结构；

131、应变梁；

11a、第二螺纹孔；

12a、光滑通孔；12b、第一螺纹孔；12c、第一凹槽；12d、第二凹槽；

12e、第三凹槽；12f、环形凹槽；12g、第一缺口；

2、应变片。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

本申请实施例提供了一种力矩传感器的弹性体，如图1所示，该力矩传感器的弹性体包括弹性体本体1和应变片2，弹性体本体1是一体成型的部件。

其中，弹性体本体1包括外法兰11、内法兰12和多个连接结构13，每个连接结构13包括至少一个应变梁131。外法兰11和内法兰12同轴放置，且二者之间存在间隙1a，应变梁131位于外法兰11和内法兰之间，对于每个应变梁131，应变梁131的一端均与外法兰11的内壁相连，另一端均与内法兰的外壁相连。

下面，对力矩传感器的弹性体的各个部分分别进行介绍：

一、弹性体本体1

如图1所示，弹性体本体1可以具有环状结构，可以包括外法兰11、内法兰12和多个连接结构13。

外法兰11

外法兰11是弹性体本体1中用于与第二器件相连的部件，该第二器件可以是机器人的躯干，或者是机械臂的底座等。

外法兰11与该第二器件之间的连接方式可以是通过螺栓连接，也可以采用粘接、焊接等方式固定相连，对于外法兰11和第二器件之间的连接关系，此处不进行任何限定。

当外法兰11与该第二器件通过螺栓进行连接时，在外法兰11的轴向方向上，可以具有多个第二螺纹孔11a，第二螺纹孔11a的数量可以根据外法兰11的尺寸进行选择，当外法兰11的尺寸较大时，第二螺纹孔11a的数量可以相对较多，如图1所示，第二螺纹孔11a的数量可以是12个。

可选地，上述多个第二螺纹孔11a可以位于外法兰11上不与连接结构13相对应的位置。

可选地，第二螺纹孔11a的内螺纹可以是细牙螺纹或圆螺纹。

这样，能够减小牙根处的应力集中，并减小螺栓在安装状态下所产生的安装应力。并且，由于外法兰11与第二器件进行连接，第二器件可能是机器人的躯干，或者是机械臂的底座等。在机器人或机械臂的作业过程中，第二器件对外法兰11存在载荷，将第二螺纹孔11a的内螺纹设置为细牙螺纹或圆螺纹，能够保证螺栓在载荷作用下具有较好的自锁性能，防止螺栓在进行作业时发生脱落。

外法兰11可以具有环状结构。外法兰11的外壁和内壁可以均是圆形，也可以均是矩形，且上述外壁与内壁的轴线重合，对于外法兰11外壁和内壁的形状，本申请实施例对此不作限定。

示例性地，如图1所示，外法兰11的外壁和内壁可以均是圆形。

其中，外法兰11外壁的直径可以为D1，外法兰11内壁的直径可以为D2，D1与D2满足关系D2＝0.75D1。

对于外法兰11的材质，其可以是具有良好力学性能的金属材料，例如镍铁合金、铝镁合金等，本申请实施例对此不作限定。

内法兰12

内法兰12是弹性体本体1中用于与第一器件相连的部件，该第一器件可以是机器人的手臂，或者是机械臂的抓具等。

内法兰12与该第一器件之间可以通过螺栓和销钉实现连接。使用螺栓和销钉固定连接内法兰12与第一器件，当第一器件或弹性体损坏时，可以直接拆下螺栓使内法兰12与第一器件分离，提升了拆卸弹性体的便捷性。

如图2所示，内法兰12可以具有环状结构，内法兰12外壁的形状与外法兰11内壁的形状相对应，且内法兰12的外壁与外法兰11之间存在间隙，外法兰11和内法兰12仅通过应变梁131相连。这样，内法兰12和外法兰11分别与第一器件和第二器件相连，当第一器件和第二器件之间存在扭力时，只有应变梁131会发生形变，进而可以通过测量应变梁131的形变，准确得出第一器件和第二器件之间的扭力大小。

上述间隙的加工方式可以是线切割或激光雕刻，本申请实施例对于上述间隙的加工方式不做限定。

如图1所示，当外法兰11内壁的形状为圆形时，内法兰12外壁的形状也为圆形，内法兰12外壁的直径可以为D3，D3与D1满足关系D3＝0.74D1。内法兰12的轴线位置可以具有圆形通孔，该圆形通孔用于穿过机器人或机械臂的走线管路。

内法兰12可以具有多个轴向的光滑通孔12a和多个轴向的第一螺纹孔12b。如图1所示，上述光滑通孔12a用于与销钉配合，上述第一螺纹孔12b用于与螺栓配合。其中，光滑通孔12a可以位于内法兰12上对应连接机构13的位置，第一螺纹孔12b可以位于内法兰12上不与连接结构13相对应的位置，光滑通孔12a和第一螺纹孔12b的数量可以均为4个。

光滑通孔12a的端口位置可以倒圆角。

可选地，第一螺纹孔12b的内螺纹可以是细牙螺纹或圆螺纹。

这样，能够减小牙根处的应力集中，并减小螺栓在安装状态下所产生的安装应力。并且，由于内法兰12与第一器件进行连接，第一器件可能是机器人的手臂，或者是机械臂的抓具等。在机器人或机械臂的作业过程中，第一器件对内法兰12存在载荷，将第一螺纹孔12b的内螺纹设置为细牙螺纹或圆螺纹，能够保证螺栓在载荷作用下具有较好的自锁性能，防止螺栓在进行作业时发生脱落。

这样，由于销钉在安装状态下不会产生安装应力，并且第一螺纹孔12b距离应变梁131的位置较远，螺栓在安装状态下所产生的安装应力对于应变梁131的作用较小，可以提高后续扭力计算结果的精度。

内法兰12的第一表面可以具有多个第一凹槽12c。如图1所示，上述第一凹槽12c位于每个连接机构13和第一螺纹孔12b之间。第一凹槽12c的形状可以是直线型，也可以是弧线型，本申请实施例对于第一凹槽12c的形状不作限定。

内法兰12的厚度可以为B1，第一凹槽12c的深度可以为B2，B2与B1满足关系B2＝0.6B1。

这样，第一凹槽12c可以对螺栓在安装状态下所产生的安装应力进行阻隔，进一步减小该安装应力对于应变梁131的作用，进而可以提高后续扭力计算结果的精度。

内法兰12的第一表面可以具有多个第二凹槽12d，这些第二凹槽12d用于放置电桥。如图1所示，上述第二凹槽12d可以位于内法兰12上靠近内法兰12外壁的位置，每个第二凹槽12d均与两个第一凹槽12c两桶，并且每个第二凹槽12d位于两个相邻的连接结构13之间。

可选地，内法兰12的第一表面还可以具有多个第三凹槽12e，这些第三凹槽12e用于防止应变片2与电桥之间的导线。如图1所示，第三凹槽12e可以位于第二凹槽12d和连接结构13之间的位置，并将第二凹槽12d和连接结构13之间的区域连通。

这样，电桥和与应变片2进行连接的导线可以放置在内法兰12中，从而可以使力矩传感器趋于小型化。

可选地，第二凹槽12d和第三凹槽12e的深度可以分别为B3和B4，B3和B4与B1满足关系B3＝0.8B1，B4＝0.4B1。

这样，第二凹槽12d的深度为0.8B1，可以使第二凹槽12d具有较深的深度，当电桥位于第二凹槽12d中，可以保证电桥不会伸出于第二凹槽12d。同时，第三凹槽12e的深度为0.4B1，由于第三凹槽12e仅是便于连接应变片2的导线与电桥连接，将第三凹槽12e的深度设置的较小，可以保证内法兰12具有较高的力学强度。

可选地，内法兰12的第一表面还可以环形凹槽12f，该环形凹槽12f与上述圆形通孔之间通过第一缺口12g连通。

如图3所示，环形凹槽12f位于内法兰12上靠近内法兰12内壁的位置，该环形凹槽12f与第一凹槽12c连通，且与上述圆形通孔通过第一缺口12g连通。

这样，连接电桥的数据线可以依次通过第一凹槽12c，环形凹槽12f和第一缺口12g与外部终端进行电性连接，简化排线，使得外部终端可通过数据线所传输的数据，直接显示电桥示数。

上述第一凹槽12c、第二凹槽12d、第三凹槽12e、环形凹槽12f和第一缺口12g的加工方式可以是数字控制(Computer Numerical Control，CNC)切削加工，也可以是车床铣刨，还可以是在相应模具中铸造加工，本申请对于上述第一凹槽12c、第二凹槽12d、第三凹槽12e、环形凹槽12f和第一缺口12g的加工方式不做限定。

内法兰12的材质与外法兰11的材质相同，对于内法兰12的材质，可以参考上文对于外法兰11的材质的描述，这里不再重复描述。

连接结构13

连接结构13是弹性体本体1中用于连接外法兰11和内法兰12的部件。在该弹性体本体1中，每个连接结构13中可以包括至少一个应变梁131，通常情况下，考虑到应变梁131的尺寸大小，每个连接结构13中可以设置1-4个应变梁131。例如，如图4所示，每个连接结构13中包括三个应变梁131。

如图1所示，弹性体本体1中具有多个连接结构13，每个连接结构13包括两个应变梁131。应变梁131具有柱状结构，应变梁131的截面可以是矩形、六边形或圆形等(图1应变梁131的截面为正方形)。

应变梁131的厚度和宽度可以相等，且均为B1。

应变梁131与外法兰11和内法兰12之间的连接部位可以使用圆角进行过渡，这样，可以减小应变梁131与外法兰11和内法兰12之间的连接部位的应力集中，还可以提高应变梁131与外法兰11和内法兰12之间的连接强度。

可选地，多个连接结构13可以均与分布在外法兰11和内法兰12之间，且每个连接结构13中应变梁13的数量相同。

这样，在每个应变梁13的侧面均可以贴上应变片2，可以通过每个应变片2的电阻变化，计算出每个应变梁13的形变大小，并计算这些形变大小的平均值，将该平均值作为应变梁13的形变值，从而可以通过测量应变梁131的形变，准确得出第一器件和第二器件之间的扭力大小。

连接结构13的材质与外法兰11的材质相同，对于连接结构13的材质，可以参考上文对于外法兰11的材质的描述，这里不再重复描述。

二、应变片2

应变片2是弹性体中用于测量应变梁131形变的部件。

应变片2具有矩形薄片状结构，且应变片2的大小略小于应变梁131侧面的大小。

应变片2位于应变梁131与内法兰12轴线平行的侧面，且与应变梁131相贴。当应变梁131发生形变时，应变片2的电阻值会发生相应变化。

可选地，应变片2还可以贴在位于应变梁131与内法兰12轴线垂直的侧面，或者，在应变梁131全部侧面均贴有应变片2。

由于弹性体在受到扭力后，外法兰11和内法兰12之间存在绕轴线的相对位移，将应变片设置在应变梁131的侧面，可以提高应变片的测量精度。

应变片2可以是金属应变片，也可以是半导体应变片。

采用本申请的力矩传感器的弹性体，该弹性体包括外法兰11、内法兰12、多个应变梁131和应变片2，应变梁131的两端分别与外法兰11和内法兰12相连，应变片2与应变梁131的侧面相贴。由于该弹性体中，应变梁131与外法兰11和内法兰12一体成型，不需要螺栓将应变梁131与外法兰11和内法兰12固定在一起，从而该弹性体中应变梁131与内外法兰连接位置处，不存在螺栓产生的安装应力，进而使得力矩传感器测量得到的扭力大小的不受螺栓所产生的安装应力的影响，可以提升力矩传感器测量得到的扭力大小的精度。

本申请实施例还提供了一种力矩传感器，该力矩传感器包括上述力矩传感器的弹性体和电桥。该电桥可以是惠斯通电桥，惠斯通电桥与应变片2相连，当应变梁2发生形变时，贴在应变梁2侧面的应变片2也发生形变，形变后的应变片2，其电阻值发生改变，基于应变片2电阻值的变化，惠斯通电桥可以将电阻值变化转化为容易测得的电压值或电流值变化，该电压值或电流值经过相关运算后，即可将弹性体所受扭力的大小作为输出信号进行输出。

该力矩传感器还可以包括传感器外壳，传感器外壳的加工方式可以是数字控制(Computer Numerical Control，CNC)切削加工，也可以是车床铣刨，还可以是在相应模具中铸造加工，本申请对于上述传感器外壳的加工方式不做限定。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种力矩传感器的弹性体，其特征在于，所述弹性体包括弹性体本体(1)和应变片(2)；

弹性体本体(1)包括一体成型的外法兰(11)、内法兰(12)和多个连接结构(13)，所述外法兰(11)和所述内法兰(12)具有环形结构，所述内法兰(12)位于所述外法兰(11)内、与所述外法兰(11)同轴且与所述外法兰(11)之间存在间隙，所述连接结构(13)包括至少一个应变梁(131)，所述应变梁(131)位于所述外法兰(11)与所述内法兰(12)之间，且两端分别与所述外法兰(11)、所述内法兰(12)相连；

所述应变片(2)位于所述应变梁(131)与所述内法兰(12)轴线平行的侧面，且与所述应变梁(131)相贴。

2.根据权利要求1所述的弹性体，其特征在于，所述多个连接结构(13)周向均匀分布在所述外法兰(11)和所述内法兰(12)之间，每个连接结构(13)中应变梁(13)的数量相同。

3.根据权利要求1所述的弹性体，其特征在于，所述内法兰(12)具有多个轴向的光滑通孔(12a)，所述光滑通孔(12a)用于所述内法兰(12)与第一器件相连，所述第一器件是需要检测力矩的器件。

4.根据权利要求3所述的弹性体，其特征在于，所述光滑通孔(12a)位于所述内法兰(12)上对应所述连接结构(13)的位置。

5.根据权利要求1所述的弹性体，其特征在于，所述内法兰(12)具有多个轴向的第一螺纹孔(12b)，所述第一螺纹孔(12b)位于所述内法兰(12)上不与所述连接结构(13)相对应的位置，所述第一螺纹孔(12b)用于所述内法兰(12)与第一器件相连，所述第一器件是需要检测力矩的器件。

6.根据权利要求5所述的弹性体，其特征在于，所述内法兰(12)的具有多个第一凹槽(12c)，所述第一凹槽(12c)位于所述连接结构(13)和所述第一螺纹孔(12b)之间。

7.根据权利要求1所述的弹性体，其特征在于，所述内法兰(12)具有多个第二凹槽(12d)，所述第二凹槽(12d)位于所述内法兰(12)边缘，且位于相邻两个连接结构(13)之间，所述第二凹槽(12d)用于放置电桥。

8.根据权利要求7所述的弹性体，其特征在于，所述外法兰(11)与所述内法兰(12)之间的间隙被多个应变梁(131)分割为多个部分；

所述内法兰(12)的表面具有多个第三凹槽(12e)，所述第三凹槽(12e)将所述多个部分中对应所述应变片(2)的部分与所述第二凹槽(12d)连通，所述第三凹槽(12e)用于放置所述应变片(2)与所述电桥之间的导线。

9.根据权利要求1所述的弹性体，其特征在于，所述外法兰(11)具有多个轴向的第二螺纹孔(11a)，所述第二螺纹孔(11a)位于所述外法兰(11)上不与所述连接结构(13)相对应的位置，所述第二螺纹孔(11a)用于所述外法兰(11)与第二器件相连，所述第二器件是需要检测力矩的器件。

10.一种力矩传感器，其特征在于，所述力矩传感器包括如权利要求1-9任一项所述的弹性体。

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