CN215573482U - 机器人力矩传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种机器人力矩传感器。机器人力矩传感器包括外轮、内轮、多个应变力臂及多个惠斯通电桥电路。内轮位于外轮内，并与外轮同轴设置。每个应变力臂的两端分别与外轮及内轮固定连接。多个应变力臂的数量为大于或等于四的偶数。多个应变力臂相对于外轮的中心呈中心对称设置。每个惠斯通电桥电路包括四个分别位于不同的四个应变力臂上的应变电阻。每个应变力臂上设置有一应变栅。每个应变栅包括两个应变电阻。在每个应变栅中，两个应变电阻的长度方向交叉设置。上述机器人力矩传感器在具有较高的测量精度的同时还具有较高的灵敏度。

Description

机器人力矩传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，特别是涉及一种机器人扭矩传感器。

背景技术

根据所安排的应用领域，机器人，例如应用于不同工业领域的关节臂机器人，具有多个可通过关节运动的节肢，这些节肢能够被不同地设置。这种机器人的一个重要组件是用于检测可运动节肢的转矩的力矩传感器。大多数情况下，这种力矩传感器被安装在机器人的所有可运动的节肢中或之上。

由现有技术可知各种用于检测扭矩的系统，一般将应变仪错接在两个惠斯通电桥(惠斯通测量电桥或电桥电路)中，以进行分析。每两个应变仪的电阻分别设置在与可运动节肢相连接的构件的两个不同位置，并分别错接为一半桥。每两个半桥构成一个电桥电路。另一电桥电路由另外两个应变仪的电阻构成。通过应变仪的这种冗余设计来检测两个转矩值。

但是，由现有技术中已有的用于检测转矩的系统来检测机器人节肢上的转矩的方式，存在测量不准确，测量灵敏度低等问题。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种具有较高的测量精度和测量灵敏度的机器人力矩传感器。

一种机器人力矩传感器，包括外轮、内轮、多个应变力臂及多个惠斯通电桥电路；

所述内轮位于所述外轮内，并与所述外轮同轴设置；

每个所述应变力臂的两端分别与所述外轮及所述内轮固定连接；多个所述应变力臂的数量为大于或等于四的偶数；多个所述应变力臂相对于所述外轮的中心呈中心对称设置；

每个所述惠斯通电桥电路包括四个分别位于不同的四个所述应变力臂上的应变电阻；

每个所述应变力臂上设置有一应变栅；每个所述应变栅包括两个所述应变电阻；在每个所述应变栅中，两个所述应变电阻的长度方向交叉设置。

在其中一些实施例中，所述多个应变栅为四个，分别定义为第一应变栅、第二应变栅、第三应变栅及第三应变栅；所述第一应变栅包括第一应变电阻及第二应变电阻；所述第二应变栅包括第三应变电阻及第四应变电阻；所述第三应变栅包括第五应变电阻及第六应变电阻；所述第四应变栅包括第七应变电阻及第八应变电阻；

多个所述惠斯通电桥电路为两个，分别定义为第一电桥电路及第二电桥电路；所述第一电桥电路包括所述第一应变电阻、所述第三应变电阻、所述第五应变电阻及所述第七应变电阻；所述第二电桥电路包括所述第二应变电阻、所述第四应变电阻、所述第六应变电阻及所述第八应变电阻。

在其中一些实施例中，所述多个应变力臂为四个，分别定位为第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁及第四应变梁；所述第一应变梁、所述第二应变梁、所述第三应变梁及所述第四应变梁沿顺时针方向间隔设置；

所述第一应变电阻及所述第二应变电阻沿所述顺时针方向设置于所述第一应变梁上；所述第三应变电阻及所述第四应变电阻沿逆时针方向设置于所述第二应变梁上；所述第五应变电阻及所述第六应变电阻沿所述逆时针方向设置于所述第三应变梁上；所述第七应变电阻及所述第八应变电阻沿所述顺时针方向设置于所述第四应变梁上。

在其中一些实施例中，在每个所述应变栅中，两个所述应变电阻垂直分布。

在其中一些实施例中，每个所述应变力臂向内凹设以形成应变区；每个所述应变栅设置于对应的所述应变区内。

在其中一些实施例中，每个所述应变栅的中心位置与所述外轮中心位置之间的距离为0.65至0.71倍的对应所述应变区的外侧边与所述外轮中心位置之间的距离。

在其中一些实施例中，所述应变栅为通过溅射薄膜技术沉积于对应的所述应变区内的薄膜应变栅。

在其中一些实施例中，所述应变力臂为矩形杆状结构；所述应变力臂上开设有作为应变区的矩形凹槽；所述矩形凹槽的两端开口分别位于所述应变力臂的相对两个侧面上。

在其中一些实施例中，所述外轮、所述内轮及所述应变力臂为一体成型结构。

在其中一些实施例中，所述应变力臂的材质为沉淀性马氏体不锈钢或合金铝。

上述机器人力矩传感器，将每个惠斯通电桥电路中的四个应变电阻分别设置于四个不同的应变力臂上，可以相互补偿或抵消由应变力臂上的横向力、轴向力或弯矩等产生的误差，以提高机器人力矩传感器的测量精度。另外，每个应变栅中的两个应变电阻的长度方向交叉设置，可增加应变量，以提高机器人力矩传感器的灵敏度。因此，上述机器人力矩传感器在具有较高测量精度的同时，还兼顾较高的测量灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例中机器人力矩传感器的结构示意图；

图2为图1所示机器人力矩传感器中应变栅的结构示意图；

图3为图1所示机器人力矩传感器的第一电桥电路中应变电阻的接线示意图；

图4为图1所示机器人力矩传感器的第二电桥电路中应变电阻的接线示意图。

标号说明：100、机器人力矩传感器；110、外轮；120、内轮；130、应变力臂；131、第一应变梁；132、第二应变梁；133、第三应变量梁；134、第四应变梁；135、应变区；140、应变栅；141、应变电阻；142、第一应变栅；1421、第一应变电阻；1422、第二应变电阻；143、第二应变栅；1431、第三应变电阻；1432、第四应变电阻；144、第三应变栅；1441、第五应变电阻；1442、第六应变电阻；145、第四应变栅；1451、第七应变电阻；1452、第八应变电阻；151、第一电桥电路；152、第二电桥电路；10、顺时针方向；20、逆时针方向。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在描述位置关系时，除非另有规定，否则当一元件被指为在另一元件“上”时，其能直接在其他元件上或亦可存在中间元件。亦可以理解的是，当元件被指为在两个元件“之间”时，其可为两个元件之间的唯一一个，或亦可存在一或多个中间元件。

在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。

此外，附图并不是1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。

图1为本实用新型一实施例中机器人力矩传感器的结构。为了便于说明，仅示出与本实用新型实施例相关的部分。

请参阅图1，本实用新型较佳实施例中的机器人力矩传感器100，主要用于检测关节臂机器人的节肢上产生的转矩。机器人力矩传感器100包括外轮110、内轮120、多个应变力臂130及多个惠斯通电桥电路(图未标)。

内轮120位于外轮110内，并与外轮110同轴设置。其中，外轮110及内轮120可以为闭合的环形结构，也可以为不闭合的条形结构，只要能保证外轮110的结构及内轮120的结构为中心对称结构即可。

每个应变力臂130的两端分别与外轮110及内轮120固定连接。多个应变力臂130的数量为大于或等于四的偶数。多个应变力臂130相对于外轮110的中心呈中心对称设置。由此，外轮110与内轮120通过应变力臂130相互固定。应变力臂130分别与外轮110及内轮120之间可以通过焊接、螺接、铆接等方式固定连接，也可以分别与外轮110及内轮120一体成型。

具体的，外轮110、内轮120及应变力臂130为一体成型结构。一体成型结构为一次性成型的结构，不但可简化外轮110、内轮120及应变力臂130的加工工艺，而且还使得应变力臂130分别与外轮110及内轮120的连接更为牢固。

具体在一个实施例中，应变力臂130的材质为沉淀型性马氏体不锈钢，以提高应变力臂130的抗疲劳和抗腐蚀性能，有效地延长了应变力臂130的使用寿命，进而可延长机器人力矩传感器100的使用寿命。

具体在另一实施例中，应变力臂130的材质为合金铝。合金铝具有较好的物理力学性能，易加工、耐久性高的特性，所以将应变力臂130的材质设置为合金铝，有利于延长应变力臂130的使用寿命，提高应变力臂130的简易性。

请一并参阅图2，惠斯通电桥电路用于采集应变力臂130上的应变量，并将该应变量转换为应变电信号，以使机器人力矩传感器100可准确地获取到节肢上的扭矩。每个惠斯通电桥电路包括四个分别位于不同的四个应变力臂130上的应变电阻141。将惠斯通电桥电路中的四个应变电阻141分别设置在四个不同的应变力臂130上，以互相补充或抵消由应变力臂130上的横向力、轴向力或弯矩产生的误差，以提高机器人力矩传感器100测量结构的准确性。

每个应变力臂130上设置有一应变栅140。每个应变栅140包括两个应变电阻141。在每个应变栅140中，两个应变电阻141的长度方向交叉设置。

应当指出的是，在每个应变栅140中，两个应变电阻141的长度方向交叉设置，该交叉设置是指两个应变电阻141的长度方向之间的夹角a大于0度并小于或等于180度，在此不作限制。而同一应变栅140中的两个应变电阻141的长度方向相互交叉，可增加应变量，以提高机器人力矩传感器100的灵敏度。

请再次参阅图2，具体的，在每个应变栅140中，两个应变电阻141垂直分布。即，同一应变栅140中，两个应变电阻141的长度方向之间的夹角a＝90度。相比于其他角度的夹角a，将夹角a的角度设置为90度，可以最大限度地增加应变量，使得机器人力矩传感器100的灵敏度更好。

请再次参阅图1，在一些实施例中，多个应变栅140为四个，分别定义为第一应变栅142、第二应变栅143、第三应变栅144及第四应变栅145。对应地，应变力臂130也为四个。第一应变栅142包括第一应变电阻1421及第二应变电阻1422；第二应变栅143包括第三应变电阻1431及第四应变电阻1432；第三应变栅144包括第五应变电阻1441及第六应变电阻1442；第四应变栅145包括第七应变电阻1451及第八应变电阻1452。

请一并参阅图3及图4，多个惠斯通电桥电路为两个，分别定义为第一电桥电路151及第二电桥电路152。第一电桥电路151包括第一应变电阻1421、第三应变电阻1431、第五应变电阻1441及第七应变电阻1451。第二电桥电路152包括第二应变电阻1422、第四应变电阻1432、第六应变电阻1442及第八应变电阻1452。

如此，可形成两个惠斯通电桥电路的机器人力矩传感器100，并且每个惠斯通电桥电路中的四个应变电阻141分别设置在四个不同的应变力臂130上，以提高机器人力矩传感器100的测量精度。

请再次参阅图1、图3及图4，进一步地，在一些实施例中，多个应变力臂130为四个，分别定位为第一应变梁131、第二应变梁132、第三应变梁及第四应变梁134。第一应变梁131、第二应变梁132、第三应变梁及第四应变梁134沿顺时针方向10间隔设置。

第一应变电阻1421及第二应变电阻1422沿顺时针方向10设置于第一应变梁131上。第三应变电阻1431及第四应变电阻1432沿逆时针方向20设置于第二应变梁132上。第五应变电阻1441及第六应变电阻1442沿逆时针方向20设置于第三应变梁上。第七应变电阻1451及第八应变电阻1452沿顺时针方向10设置于第四应变梁134上。

如此，第一电桥电路151中的第一应变电阻1421、第三应变电阻1431、第五应变电阻1441及第七应变电阻1451之间的连线与第二电桥电路152中的第二应变电阻1422、第四应变电阻1432、第六应变电阻1442及第八应变电阻1452之间的连线之间具有较大的间隙，不但使得机器人力矩传感器100的加工更为简单，而且还提高了机器人力矩传感器100的使用安全性。

在一些实施例中，每个应变力臂130向内凹设以形成应变区135。每个应变栅140设置于对应的应变区135内。由此，每个应变力臂130上，应变区135的厚度小于其他位置的厚度，故应变力臂130在应变区135处更容易发生变形，可进一步提高机器人力矩传感器100的灵敏度。

请再次参阅图1，进一步地，在一些实施例中，每个应变栅140的中心位置与外轮110中心位置之间的距离为0.65至0.71倍的对应应变区135的外侧边与外轮110中心位置之间的距离。

假设每个应变栅140的中心位置与外轮110中心位置之间的距离为L，每个应变区135的外侧边与外轮110中心位置之间的距离H，则L＝(0.65至0.71)×H。如此设置，应变栅140可获得最大的应变输出，更进一步提高上述机器人力矩传感器100的灵敏度。

进一步地，在一些实施例中，应变栅140为通过溅射薄膜技术沉积于对应的应变区135内的薄膜应变栅。由此，通过溅射薄膜技术，大大增强了应变栅140与应变力臂130之间的结合力，不但降低了应变栅140从应变力臂130上脱离的概率，有效延长机器人力矩传感器100的使用寿命，而且还提高了应变栅140在应变力臂130上的稳定性，有利于机器人力矩传感器100测量精度的进一步提高。

进一步地，在一些实施例中，应变力臂130为矩形杆状结构。每个应变力臂130上开设有作为应变区135的矩形凹槽。矩形凹槽的两端开口分别位于应变力臂130的相对两个侧面上。由此，应变区135的边缘轮廓呈矩形。而将应变区135设置为矩形凹槽，有利于应变力臂130上应力的集中，以进一步提高机器人力矩传感器100的测量精度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种机器人力矩传感器，其特征在于，包括外轮、内轮、多个应变力臂及多个惠斯通电桥电路；

所述内轮位于所述外轮内，并与所述外轮同轴设置；

每个所述应变力臂的两端分别与所述外轮及所述内轮固定连接；多个所述应变力臂的数量为大于或等于四的偶数；多个所述应变力臂相对于所述外轮的中心呈中心对称设置；

每个所述惠斯通电桥电路包括四个分别位于不同的四个所述应变力臂上的应变电阻；

每个所述应变力臂上设置有一应变栅；每个所述应变栅包括两个所述应变电阻；在每个所述应变栅中，两个所述应变电阻的长度方向交叉设置。

2.根据权利要求1所述的机器人力矩传感器，其特征在于，所述多个应变栅为四个，分别定义为第一应变栅、第二应变栅、第三应变栅及第三应变栅；所述第一应变栅包括第一应变电阻及第二应变电阻；所述第二应变栅包括第三应变电阻及第四应变电阻；所述第三应变栅包括第五应变电阻及第六应变电阻；所述第四应变栅包括第七应变电阻及第八应变电阻；

多个所述惠斯通电桥电路为两个，分别定义为第一电桥电路及第二电桥电路；所述第一电桥电路包括所述第一应变电阻、所述第三应变电阻、所述第五应变电阻及所述第七应变电阻；所述第二电桥电路包括所述第二应变电阻、所述第四应变电阻、所述第六应变电阻及所述第八应变电阻。

3.根据权利要求2所述的机器人力矩传感器，其特征在于，所述多个应变力臂为四个，分别定位为第一应变梁、第二应变梁、第三应变梁及第四应变梁；所述第一应变梁、所述第二应变梁、所述第三应变梁及所述第四应变梁沿顺时针方向间隔设置；

所述第一应变电阻及所述第二应变电阻沿所述顺时针方向设置于所述第一应变梁上；所述第三应变电阻及所述第四应变电阻沿逆时针方向设置于所述第二应变梁上；所述第五应变电阻及所述第六应变电阻沿所述逆时针方向设置于所述第三应变梁上；所述第七应变电阻及所述第八应变电阻沿所述顺时针方向设置于所述第四应变梁上。

4.根据权利要求1所述的机器人力矩传感器，其特征在于，在每个所述应变栅中，两个所述应变电阻垂直分布。

5.根据权利要求1所述的机器人力矩传感器，其特征在于，每个所述应变力臂向内凹设以形成应变区；每个所述应变栅设置于对应的所述应变区内。

6.根据权利要求5所述的机器人力矩传感器，其特征在于，每个所述应变栅的中心位置与所述外轮中心位置之间的距离为0.65至0.71倍的对应所述应变区的外侧边与所述外轮中心位置之间的距离。

7.根据权利要求5所述的机器人力矩传感器，其特征在于，所述应变栅为通过溅射薄膜技术沉积于对应所述应变区内的薄膜应变栅。

8.根据权利要求5所述的机器人力矩传感器，其特征在于，所述应变力臂为矩形杆状结构；所述应变力臂上开设有作为应变区的矩形凹槽；所述矩形凹槽的两端开口分别位于所述应变力臂的相对两个侧面上。

9.根据权利要求1所述的机器人力矩传感器，其特征在于，所述外轮、所述内轮及所述应变力臂为一体成型结构。

10.根据权利要求1所述的机器人力矩传感器，其特征在于，所述应变力臂的材质为沉淀性马氏体不锈钢或合金铝。

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