CN116593048A - 用于感测扭矩的系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于感测物体的扭矩的系统(200、300、400、500)，系统包括凸缘(210、310、410、510)，凸缘例如由各向同性材料(诸如铝或铝合金)制成或包括所述材料，该凸缘被配置成连接到物体并且具有沿凸缘(210、310、410、510)的主表面的主轴线的第一长度和形成在所述凸缘(210、310、410、510)的主表面上的至少一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)。扭矩传感器装置(220、230、520、530)包括a)感测部分(340、350)和b)在感测膜(340、350)上形成的多个测量换能器(360、370)，并且具有c)平行于凸缘的主表面的第二长度和d)平行于凸缘的主表面的第三长度。至少一个扭矩传感器装置的第二长度和第三长度小于凸缘的第一长度的一半。

Description

用于感测扭矩的系统

技术领域

本发明涉及一种用于感测扭矩的系统，特别是一种包括至少一个附接到凸缘的扭矩传感器装置的用于感测扭矩的系统，凸缘例如是不包括不锈钢的凸缘。该系统被配置用于感测一些物体(例如，从动轴或机器人关节)的扭矩。

背景技术

精确检测物体(例如，一些从动轴或关节)的扭矩代表了在多个应用中相关的问题。具体应用涉及机器人关节运动期间的扭矩测量。在负载以不同方向作用在其上的机器人关节中，为了准确地检测作用于关节上的旋转方向上的扭矩，通常必须提供一些消除机构，以便从测量过程中排除旋转方向以外的方向上的负载。但是，可靠地排除此类负载是非常困难的。

在本领域中，已知通过惠斯通电桥电路和包括径向弹性扭矩传递部分的扭矩传感器(参见，例如，WO 2018/041948 A1)来抵消在旋转方向以外的方向上的负载。

最近，提供了一种扭矩传感器装置，该扭矩传感器装置允许进行可靠的精确扭矩测量，并且该扭矩传感器装置可以以紧凑的轻重量配置形成，该配置尤其允许关于测量换能器的定位具有一些制造公差(EP 3 896 416)。图1A和B示出了这种扭矩传感器装置100的示例。

扭矩传感器装置100包括内部部分10和外部部分20。中间部分30从内部部分10径向连续地延伸到外部部分20。内部部分10、外部部分20和中间部分30形成圆形主体/隔膜，例如，单体圆形主体。

中间部分30可包括可由分离器30c彼此分开的子部分30a和30b。分离器30c可以是边沿，也可以是周向凹槽30c，如图1B所示。这样的周向凹槽30c可用于相对于测量换能器的位置而定向/引导所施加的应力和应变。

如图1A的扭矩传感器装置100的主表面的俯视图中所示，在中间部分30(例如子部分30a)上方或上面形成多个成对测量换能器40。测量换能器40围绕穿过圆形主体的中心、垂直于主表面的轴线(轴向轴线)对称地布置。原则上，测量换能器40可以是应变灵敏换能器，特别是应变计。

此外，在内部部分10中形成不同尺寸的内部施力开口11和12，并且在外部部分20中形成不同尺寸的外部施力开口21和22。内部和外部施力开口11、12、21和22可以是在轴向方向上延伸的孔。

扭矩传感器装置(如图1A和图1B中所示的扭矩传感器装置100)提供准确的扭矩测量。然而，整体配置相对复杂且昂贵，特别是因为圆形主体/隔膜由材料价格高的不锈钢制成。

鉴于如上内容，本发明的目的是提供一种相对容易以相对较低的价格制造的感测物体的扭矩的系统。

发明内容

为了满足上述需要，本发明提供一种用于感测物体的扭矩的系统，该系统包括被配置成连接到物体的凸缘并且具有沿凸缘的主表面的主轴线的第一长度。当凸缘的主表面呈现旋转对称时，第一长度是唯一的长度(在每个方向上)。当凸缘的主表面没有呈现旋转对称时，第一长度是凸缘在平行于主表面的方向上的最长长度。

此外，该系统包括在凸缘的主表面上方或上面形成的至少一个扭矩传感器装置。凸缘被配置成接收由扭矩传感器装置测量的扭矩，并且可以例如连接到旋转轴和静态构件。例如，凸缘可包括形成于凸缘的内部部分的内部施力开口和形成于凸缘的外部部分的外部施力开口。由扭矩传感器装置测量的扭矩可以例如通过所考虑的旋转轴和一些静态构件、经由连接到内部施力开口和外部施力开口的连接构件传递。因此，可以测量在凸缘的内部部分和外部部分之间施加的扭矩。特别是，凸缘可以连接到齿轮箱，并且可以被配置为连接到并密封机器人关节的齿轮箱。

至少一个扭矩传感器装置包括感测部分和在感测部分上方或上面形成的多个测量换能器。感测部分可以是感测膜。测量换能器可包括硅应变计、箔应变计和薄层应变计中的至少一者或由硅应变计、箔应变计和薄层应变计中的至少一者组成。测量换能器可以替代地被配置为基于如例如磁性或光学测量方法的其它测量方法来感测扭矩。

所述至少一个扭矩传感器装置具有平行于凸缘的主表面的第二长度(在扭矩传感器装置的长度方向上)和不同于第二长度而平行于凸缘的主表面的第三长度(在扭矩传感器装置的宽度方向上)。所述至少一个扭矩传感器装置的第二长度和第三长度小于凸缘的第一长度的一半。因此，可以在凸缘上设置多个，特别是小型化的扭矩传感器装置。例如，凸缘可具有40mm至110mm的直径，特别是50mm至100mm，并且更特别地，60mm至90mm。

如不锈钢的昂贵的材料可用于制造所述至少一个扭矩传感器装置的感测部分，但是(相对于扭矩传感器装置而言相对较大的)凸缘可以不由不锈钢制造。例如，凸缘包括各向同性材料(诸如铝或铝合金)或由各向同性材料(诸如铝或铝合金)制成。与不锈钢相比，铝是一种相对便宜的材料，然而，它提供足够高的刚度(例如，对抗倾斜力矩，否则倾斜力矩会对扭矩测量的精度产生负面影响)。因此，可以降低总体成本。此外，所述一个或多个扭矩传感器装置可以与凸缘分开制造，并且有利地，凸缘可以根据实际应用单独设计，特别是相对于其扭矩待测量的物体的附接和密封。

根据一个实施例，凸缘具有平行于主表面的圆形形状，特别是，凸缘包括圆形主表面，并且第一轴线限定凸缘的直径。例如，通过这样的凸缘，机器人关节的圆形齿轮箱可以被密封，而不需要额外的密封装置。替代地，凸缘具有关于垂直于凸缘的主表面延伸穿过主表面的中心的轴线对称的不同几何形状，例如，椭圆形或正方形、六角形或八角形。

根据一个实施例，所述至少一个扭矩传感器装置的多个测量换能器布置在凸缘的(例如，对称为圆形、椭圆形、正方形等的)换能器区域上，换能器区域在垂直于凸缘的主表面的方向上的厚度小于凸缘的(例如，对称为圆形、椭圆形、正方形等的)换能器区域之外的至少一部分在垂直于凸缘的主表面的方向上的厚度。较小的厚度有利于将待测量的外部施加的扭矩传递到测量部位，即扭矩传感器装置的位置。

根据另一个实施例，在凸缘的换能器区域内设置有加强区域，加强区域在垂直于凸缘的主表面的方向上的厚度大于换能器区域在垂直于凸缘的主表面的方向上的厚度。凸缘的加强区域提供了更高的刚度(不敏感性)，以抵抗测量部位的倾斜力矩。特别地，加强区域可以在圆形换能器区域内沿着圆形区域连续或不连续地形成。原则上，加强区域的厚度可以根据换能器区域的厚度来选择(例如，换能器区域的厚度的1.25倍至1.5倍)。

加强区域可包括(全部或部分地)在圆形换能器区域上方径向延伸的第一部分和(全部或部分地)在换能器区域上方径向延伸的第二部分，其中第一部分和第二部分限定约30°至90°(例如，30°至50°)之间的角度范围。所述至少一个扭矩传感器装置的多个测量换能器布置在由此限定的角度范围内。这种布置对于提供更高的刚度(不敏感性)以抵抗倾斜力矩可能特别有利，并且因此可导致非常精确的扭矩测量。

原则上，加强区域的几何形状不受限制。加强区域可以是或包括一个或多个U形或V形台阶部分，U形或V形台阶部分包括从凸缘的圆形换能器区域垂直延伸或以某个倾斜角延伸的侧壁。

根据一个实施例，至少一个扭矩传感器装置的多个测量换能器包括两对测量换能器或由两对测量换能器组成。两对测量换能器中的每一对可以由两个测量换能器组成，这两个测量换能器彼此成角度布置，该角度在80°至100°的范围内。该角度可以是90°。

至少一对扭矩传感器装置中的扭矩传感器装置可以形成在凸缘的主表面上方或上面，相对于垂直于凸缘的主表面延伸穿过凸缘的主表面的中心的轴线彼此相对。原则上，提供一个以上的扭矩传感器装置可以为准确的扭矩测量提供冗余。特别地，与仅由单个扭矩传感器装置实现的测量相比，彼此相对定位的成对扭矩传感器装置(及其各自的测量换能器)可限定一个或多个共同的测量通道，共同的测量通道可允许具有更高精度的扭矩测量。

通过根据上述实施例的所提供的系统的一个或多个扭矩传感器装置来测量扭矩可以基于表示测量换能器的应变计。应变计可以连接到惠斯通电桥电路，当施加扭矩时，惠斯通电桥电路变得不平衡并且输出与施加的扭矩成比例的电压(由应变计的电阻变化引起)。因此，系统的所述至少一个扭矩传感器装置可以包括电连接到测量换能器的电桥电路，例如，惠斯通电桥电路。该系统或该系统的至少一个扭矩传感器装置还可包括用于(例如，惠斯通)电桥电路的DC或AC激励源。此外，该系统或该系统的扭矩传感器装置可以包括印刷电路板，该印刷电路板设置在(例如，惠斯通)电桥电路之上并且包括用于信号调节的电路，特别是用于由(例如，惠斯通)电桥电路提供的信号的模数转换和/或放大的装置。

根据一个实施例，系统包括至少一对扭矩传感器装置，其中该至少一对扭矩传感器装置中的一个扭矩传感器装置包括惠斯通电桥电路的一半，并且该至少一对扭矩传感器装置中的另一扭矩传感器装置包括所述惠斯通电桥电路的另一半。通过分布式惠斯通电桥电路，可以可靠地感测由至少一对扭矩传感器装置的扭矩传感器装置限定的一个或多个测量通道。

此外，还提供了一种包括关节的机器人，特别是协作机器人，其中关节包括齿轮箱，并且其中机器人还包括根据上述实施例之一的系统。特别是，凸缘可以附接到关节并定位以密封机器人关节的齿轮箱。当上述刚性区域可靠地提供抵抗由机器人关节施加的轴向载荷和倾斜力矩的足够刚度时，机器人可以不包括任何横向滚子轴承。因此，可以降低成本，因为可能不需要横向滚子轴承。

附图说明

将相对于附图详细解释本公开的进一步特征和示例性实施例以及优点。应理解，本公开不应被解释为受以下实施例的描述的限制。还应进一步理解，以下所述的一些或所有特征也可以以替代方式组合。

图1A和图1B示出了现有技术的扭矩传感器装置的示例。

图2示出了根据本发明的实施例的用于感测物体的扭矩的系统，该系统包括凸缘和至少一个扭矩传感器装置。

图3A和图3B示出了扭矩传感器装置的细节，例如，图2所示的系统所包括的扭矩传感器装置的细节。

图4示出了根据本发明的实施例的包括在用于感测物体的扭矩的系统中的凸缘。

图5示出了根据本发明的实施例的用于感测机器人臂的扭矩的系统的应用。

具体实施方式

本发明提供一种系统，该系统包括形成在凸缘上方或上面的至少一个扭矩传感器装置。该系统允许可靠地测量物体(例如旋转轴或机器人关节)的扭矩，其中测量不受轴向或径向载荷或倾斜力矩的显著影响，并且尽管如此，系统的制造过程可以相对容易地并且以相对较低的成本进行。基于由系统的至少一个扭矩传感器装置实现的扭矩测量的扭矩控制可以有利地在机器人(例如协作机器人)中实现，以促进人机交互。

图2示出了根据本发明的实施例的用于感测物体的扭矩的系统200。系统200包括一对相对微小的扭矩传感器装置220和230，扭矩传感器装置220和230形成在圆形凸缘210的主表面上方或上面。凸缘210可以不包括是相对昂贵的材料的不锈钢，这在总体成本方面可能是有利的，因为不需要使系统200的相对较大的凸缘部件210由不锈钢制成。例如，凸缘210可以由铝或铝合金制成或包括铝或铝合金。

凸缘可例如具有40mm至110mm的直径，特别是50mm至100mm，并且更特别地，60mm至90mm。系统200可被配置成在20Nm至200Nm、特别是30Nm至190Nm以及更特别地40Nm至180Nm的范围内感测扭矩。

相对微小的扭矩传感器装置220和230中的每一个具有在相应扭矩传感器装置的长度方向上平行于凸缘210的主表面的长度和在该扭矩传感器装置的宽度方向上平行于凸缘的主表面的长度。长度方向的长度和宽度方向的长度均小于凸缘210直径的一半，例如，小于凸缘210直径的1/3或1/4。

可能具有不同尺寸的外部施力开口211形成在凸缘210中并且补充有同样可能具有不同尺寸的内部施力开口(图2中未示出)。外部施力开口211和内部施力开口可以是在轴向方向上延伸的孔。这些孔可具有任何合适的几何形状，例如圆形或多边形形状横截面。由扭矩传感器装置220和230测量的扭矩可以例如由所考虑的旋转轴和一些静态构件、经由连接到内部施力开口和外部施力开口211的连接构件传递。因此，可以测量在凸缘的内部部分和外部部分之间施加的扭矩。

扭矩传感器装置220包括印刷电路板221，印刷电路板221包括一些电路222，电路222被配置用于信号调节，例如用于由印刷电路板221所覆盖的电路装置提供的电压输出信号的模数转换。信号调节还可包括放大由印刷电路板221所覆盖的电路装置提供的电压输出信号。印刷电路板221可以由陶瓷、玻璃或携带电子部件和连接器的任何其他材料制成或包括这些材料。由印刷电路板221覆盖的电路装置连接到扭矩传感器装置220的测量换能器。特别地，电路装置可以包括惠斯通电桥元件(电阻器)，其用于如本领域已知地将施加的扭矩转换为电压输出信号。根据实际应用，半惠斯通电桥或全惠斯通电桥可用于扭矩传感器装置220。

类似地，扭矩传感器装置230包括印刷电路板231，印刷电路板231包括一些电路232，电路232被配置用于信号调节，例如用于由印刷电路板231所覆盖的电路装置提供的电压输出信号的模数转换。信号调节还可包括放大由印刷电路板231所覆盖的电路装置提供的电压输出信号。由印刷电路板231覆盖的电路装置连接到扭矩传感器装置230的测量换能器。特别地，电路装置可以包括惠斯通电桥元件(电阻器)，其用于将施加的扭矩转换为电压输出信号。根据实际应用，半惠斯通电桥或全惠斯通电桥可用于扭矩传感器装置220。

两个扭矩传感器装置220和230关于在垂直于圆形200的主表面的方向上穿过圆形凸缘200的中心延伸的轴向轴线彼此相对地布置。原则上，如图2中所示的扭矩传感器装置220和230的扭矩传感器装置可以关于在垂直于圆形凸缘的主表面的方向上穿过圆形凸缘200的中心延伸的轴向轴线成对地对称或不对称地布置，并且扭矩传感器装置限定一个或多个测量通道。在一些实施例中，通过在凸缘200上设置两个扭矩传感器装置220、230，而不是在凸缘200上仅设置扭矩传感器装置220、230中的一个，可以提供扭矩测量的100％冗余。

图3A和图3B示出了用于感测扭矩的系统300的扭矩传感器装置的细节，例如，图2所示的系统200所包括的扭矩传感器装置220和230的细节。系统300包括凸缘310，例如由铝或铝合金制成或包含铝或铝合金。凸缘310包括外部施力开口311和内部施力开口312。第一扭矩传感器装置的第一感测膜340和第二扭矩传感器装置的第二感测膜350附接到凸缘310(参见图3A)。第一感测膜340和第二感测膜350可由不锈钢组成或包括不锈钢。在每个感测膜上形成测量换能器360、370，例如，应变计，如图3B中所示。例如，提供了两对测量换能器360、370，其中每对测量换能器360、370的单独换能器限定约90°的角度范围。两对测量换能器360、370中的每一对可以与包括在另一个扭矩传感器装置中的相应的另一对测量换能器(参见图2)一起限定测量通道，该另一个扭矩传感器装置设置在与图3B所示的包括感测膜320、330的凸缘相对的凸缘上。

图4示出了用于感测扭矩的系统的凸缘的细节，例如，图2中所示的凸缘210或图3A中所示的凸缘310的细节，其视图分别从与图2和图3A中所示的方向相反的方向来看。例如，凸缘410由铝或铝合金制成或包括铝或铝合金。凸缘410包括外部施力开口411和内部施力开口412。在一些实施例中，包括在用于感测扭矩的系统中的凸缘具有均匀的厚度。然而，图4中所示的凸缘410具有减弱/变薄的圆形换能器区域415，在其上形成测量换能器，例如应变计。此外，在测量换能器下方的区域中设置包括加强肋(stiffening rips)(台阶部分)418、419的加强区域，以增强抵抗横向载荷的刚度。加强肋418和419可分别限定20°至40°的角度范围，在其上形成测量换能器。加强区域(加强肋418、419)可具有在圆形换能器区域415的厚度的1.25至1.5倍范围内的厚度。加强区域(加强肋418、419)可以由与凸缘410相同的材料制成，并且可以与凸缘410整体制成。例如，机器人关节/臂的扭矩测量可能受到横向载荷的负面影响，特别是当由于成本原因不提供横向滚子轴承时。加强区域的设置提供了抵抗横向和轴向载荷的高刚度，但不会显著影响有关扭矩的灵敏度。加强肋418、419可形成为U形或V形，其具有侧壁，侧壁从凸缘410的主表面在与所设置的测量换能器相反的方向上垂直延伸或以某倾斜角延伸，所述测量换能器在图4所示的透视图中被凸缘410隐藏。

用于感测扭矩的系统500的应用，该系统包括凸缘510和第一扭矩传感器装置520以及第二扭矩传感器装置530，例如，在图2、图3和图4中分别所示的系统200、300和400中的一个系统的应用示于图5中。系统500联接到机器人的齿轮箱580，机器人例如协作机器人。齿轮箱580可由系统500的凸缘510密封。通过系统500，可以测量机器人的机器人臂550的扭矩/施加到机器人臂550上的扭矩，并且可以使用该测量来控制齿轮在扭矩控制方面的运行。

附图标记列表：

100现有技术的扭矩传感器装置

200、300、400、500用于感测扭矩的系统

210、310、410、510凸缘

211、311、411 外部施力开口

312、412 内部施力开口

220、230、520、530扭矩传感器装置

221、231 印刷电路板

222、232 电路

340、350 感测部分/膜

360、370 测量换能器

415 换能器区域

418、419 加强肋

580 齿轮箱

590 机器人臂

Claims (15)

1.一种用于感测物体的扭矩的系统(200、300、400、500)，包括

凸缘(210、310、410、510)，被配置成连接到所述物体并且具有沿着所述凸缘(210、310、410、510)的主表面的主轴线的第一长度；以及

至少一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)，形成在所述凸缘(210、310、410、510)的主表面上，并且包括

a)感测部分(340、350)；以及

b)多个测量换能器(360、370)，形成在所述感测部分(340、350)上；

所述至少一个扭矩传感器装置具有：

c)平行于所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面的第二长度；以及

d)平行于所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面的第三长度；

并且其中，所述至少一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)的所述第二长度和第三长度小于所述凸缘(210、310、410、510)的所述第一长度的一半。

2.根据权利要求1所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述凸缘(210、310、410、510)不包括任何不锈钢。

3.根据权利要求1或2所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述凸缘(210、310、410、510)包括各向同性材料或由各向同性材料组成，所述各向同性材料特别是铝或铝合金。

4.根据前述权利要求中任一项所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面为对称形状，特别是圆形形状，并且所述第一长度限定所述凸缘(210、310、410、510)的直径。

5.根据权利要求4所述的系统(200、300、400、500)，其中：

所述至少一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)的所述多个测量换能器(360、370)布置在所述凸缘(210、310、410、510)的换能器区域(415)上，特别是圆形换能器区域(415)上；并且其中

所述换能器区域(415)在垂直于所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面的方向上的厚度小于所述凸缘(210、310、410、510)的在所述换能器区域(415)之外的至少一部分在垂直于所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面的方向上的厚度。

6.根据权利要求5所述的系统(200、300、400、500)，所述系统还包括设置在所述凸缘(210、310、410、510)的所述换能器区域(415)中的加强区域；并且其中

所述加强区域在垂直于所述凸缘(210、310、410、510)的主表面的方向上的厚度大于所述换能器区域(415)在垂直于所述凸缘(210、310、410、510)的主表面的方向上的厚度。

7.根据权利要求6所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述加强区域是或包括一个或多个u形或v形台阶部分(418、419)，所述一个或多个u形或v形台阶部分包括从所述凸缘(210、310、410、510)的主表面垂直延伸或以某个倾斜角延伸的侧壁。

8.根据权利要求6或7所述的系统(200、300、400、500)，其中所述加强区域包括：

第一部分，所述第一部分在所述换能器区域(415)上径向延伸；以及

第二部分，所述第二部分在所述换能器区域(415)上径向延伸；并且其中

所述第一部分和第二部分限定在30°至90°范围内的角度范围，并且其中，所述至少一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)的所述多个测量换能器(360、370)布置在由此所限定的角度范围内。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述至少一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)的所述多个测量换能器(360、370)包括两对测量换能器(360、370)或由两对测量换能器(360、370)组成。

10.根据权利要求9所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述两对测量换能器(360、370)中的每一对由两个测量换能器(360、370)组成，所述测量换能器彼此成角度布置，所述角度在80°至100°范围内。

11.根据权利要求9或10所述的系统(200、300、400、500)，包括形成在所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面上、关于垂直于所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面而延伸穿过所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面的中心的轴线彼此相对的至少一对扭矩传感器装置(220、230、520、530)。

12.根据权利要求11所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述至少一对扭矩传感器装置(220、230、520、530)中的扭矩传感器装置(220、230、520、530)关于所述轴线轴向对称地定位，所述轴线垂直于所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面延伸穿过所述凸缘(210、310、410、510)的所述主表面的中心。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述至少一对扭矩传感器装置(220、230、520、530)中的一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)包括特别是惠斯通电桥电路的电桥电路的一半，并且所述至少一对扭矩传感器装置(220、230、520、530)中的另一个扭矩传感器装置(220、230、520、530)包括特别是惠斯通电桥电路的电桥电路的另一半。

14.根据前述权利要求中任一项所述的系统(200、300、400、500)，其中，所述系统(200、300、400、500)被配置成附接到机器人的关节，特别是附接到机器人的关节的齿轮箱(580)。

15.一种机器人，特别是协作机器人，包括关节，其中所述关节包括齿轮箱(580)，并且所述机器人还包括根据权利要求14所述的并且特别是附接到所述关节的系统(200、300、400、500)，并且其中所述关节尤其不包括任何横向滚子轴承。