CN219495523U - 柔性力矩传感器和机械臂柔性关节 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种柔性力矩传感器和机械臂柔性关节，柔性力矩传感器包括内环、外环、以及设置于内环和外环之间的应变梁和柔性梁，所述应变梁用于检测传感器受力，所述柔性梁用于提供扭转方向的柔性变形，应变梁为连接于内环的悬臂梁，柔性梁一端连接外环、另一端连接应变梁，柔性梁为绕周向的薄壁结构。本实用新型具体实施例的柔性力矩传感器融合了柔性梁和应变梁，简化了力矩传感器的结构，减小了传感器的重量和体积。

Description

柔性力矩传感器和机械臂柔性关节

技术领域

本实用新型涉及力矩测量装置技术领域，特别是涉及一种柔性力矩传感器和机械臂柔性关节。

背景技术

机械柔性能够提高人机协作的安全性和非结构环境下意外撞击时的耐冲击性能，大幅提高机器人的可用性，也有利于提升关节工作速度，拓展机器人的适用环境。

通过选择具备柔性的力矩传感器是机械柔性的一种实现形式，现有技术中，有通过在力矩传感器中增加弹性元件以提供柔性性能的方式，例如CN105606279B中通过在力矩传感器的外侧增加弹性元件以使得力矩传感器具备柔性性能，但是该种方式下应变梁和柔性梁分别需要占据力矩传感器的空间，无疑增加了传感器的体积、增大了传感器的外径。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种柔性力矩传感器和机械臂柔性关节，通过将力矩传感器的柔性梁和应变梁进行融合，降低了尺寸和重量，并且具备缓冲效果，以解决现有技术中的力矩传感器不具备柔性效果或结构复杂、体积较大的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型可采用如下技术方案：一种柔性力矩传感器，包括：内环、外环、以及设置于内环和外环之间的应变梁和柔性梁，所述应变梁用于检测传感器受力，所述柔性梁用于提供扭转方向的柔性变形，应变梁为连接于内环的悬臂梁，柔性梁一端连接应变梁、另一端连接外环，柔性梁为绕周向的薄壁结构。

进一步的，所述内环用于连接力矩输出端，外环能够与机械臂关节径向支撑连接，所述柔性梁形成为绕周向的弧形薄壁结构。

进一步的，所述柔性梁形成为绕周向的蛇形曲面薄壁结构。

进一步的，所述柔性梁通过外过渡梁连接于外环、通过内过渡梁连接于应变梁，所述外过渡梁和内过渡梁分别形成为渐变曲率的连续梁体。

进一步的，所述应变梁设置有双轴羽毛式的应变片以检测应变梁的剪切应变。

进一步的，所述应变梁的轴向厚度小于柔性梁的轴向厚度。

进一步的，所述应变梁设置应变片以检测第一受力信息，所述柔性力矩传感器还包括磁编码器或光编码器以检测第二受力信息，所述第一受力信息和第二受力信息互为校验以确保传感器检测的准确性，所述磁编码器或光编码器的码盘设置于外环，读头设置于内环，通过检测内环相对于外环的周向移动角度获知第二受力信息。

本实用新型还用于提供一种机械臂柔性关节，包括外壳、电机、减速器、以及前文中任一项所述的柔性力矩传感器，传感器的内环连接于减速器输入端、外环连接于关节输出端。

与现有技术相比，本实用新型具体实施例的有益效果至少在于：1、柔性力矩传感器的柔性梁和应变梁融合设置于内环和外环之间，简化了力矩传感器的结构设置，大幅减小了力矩传感器的重量和体积，有利于机器人关节的轻量化设计；2、柔性梁能够用于刚性力矩传感器结构的柔性缓冲，提供力矩传感器过载保护的能力，提升力矩传感器的寿命，且有利于提升机器人关节的柔顺性和人机交互的安全性；3、力矩传感器通过双通道的检测机制获知受力信息，第一受力信息和第二受力信息可互为校验，保证了力矩传感器检测结果的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的柔性力矩传感器的示意图；

图2是本实用新型第二实施例的柔性力矩传感器的示意图；

图3是本实用新型第三实施例的柔性力矩传感器的示意图；

图4是本实用新型第四实施例的柔性力矩传感器的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的技术方案更加清楚明了，下面将结合附图来描述本实用新型的实施例。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实用新型，而不是用于穷举本实用新型的所有可行方式，更不是用于限制本实用新型的具体实施范围。基于本实用新型中的实施例，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，都应属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型保护一种柔性力矩传感器10，参图1-2，包括弹性体，弹性体包括内环11、外环12以及设置于内环11和外环12之间的应变梁13和柔性梁14，其中，柔性梁14用于提供扭转方向的柔性变形，应变梁13用于检测传感器受力。现有技术中，高精度力矩传感器的主流路线是应变梁技术，旋转机械柔性的成熟路线是柔性梁技术。本方案中，将应变梁13和柔性梁14在轴向空间上合并、径向空间上交叉互补，具体的，应变梁13为沿径向连接于内环11的悬臂梁，柔性梁14的一端连接外环12，另一端连接应变梁13，柔性梁14为绕周向的薄壁结构。通过将应变梁13和柔性梁14融合设计，应变梁13和柔性梁14均分布于内环11和外环12之间，大幅降低了力矩传感器的重量和体积。当力矩传感器10受扭矩时，绕周向的柔性梁14能够提供力矩传感器10的缓冲效果，有效缓冲应变梁13直接承受的来自负载的机械振动冲击，使得应变梁13的寿命提升。

本方案将柔性梁14和应变梁13进行融合设计，均分布于内环11和外环12之间，相较于现有技术中分别设置柔性梁14和应变梁13的方式，通常在力矩传感器10外环12之间再加一圈柔性梁设置，本方案中的融合方式极大的减小了力矩传感器10的体积和重量，有利于机器人关节轻量化设计。

具体的，参图1，柔性梁14可形成为绕周向的弧形薄壁结构，或者，参图2，所述柔性梁14可形成为绕周向的蛇形曲面薄壁结构。力矩传感器10的刚性结构可以通过柔性梁14的弧形薄壁或曲面薄壁提供缓冲及保护效果，优选的，当选用弧形薄壁结构的柔性梁时，有利于力矩传感器10的加工。

具体的，刚体扭转刚度和扭矩关系公式：τ＝kθ，其中，K为刚度扭转刚度,θ为扭转弧度(rad)，当变形角度越大时，对应的弧度θ越大，整个传感器的扭转刚度系数越小。为使得柔性梁14获得较合适的变形角度/弧度，确保关节获得较小的刚度k(Nm/rad)，而要产生较大的扭转弧度θ，则需要结构在扭转方向上产生较大的位移，同理由胡克定律可知，扭转方向上的形变为受扭转结构微变形的叠加，所以需要在扭转方向上，具有尽可能长的扭矩传导路径，所以，优选的，柔性梁14为绕轴向的弧形薄壁结构，进而能够使得柔性梁在扭转方向上具有较大的位移。

可理解的，所述力矩传感器10包括一对应变梁13和一对柔性梁14，单个的应变梁13和柔性梁14的组合占据力矩传感器10约一半的空间，以尽可能的使得柔性梁具有较长的扭矩传导路径。

具体的，当力矩传感器10应用于机器人关节时，力矩传感器10的内环11连接力矩输出端，外环12与机械臂关节径向支撑连接。

示例性的，所述应变梁13为连接于内环11的悬臂梁，当力矩传感器10受扭矩时，受力传递路线为“内环11-应变梁13-柔性梁14-外环12”，所述应变梁13用于检测微应变，应变梁13收到的为剪切力，通过应变梁13设置双轴羽毛式的应变片以检测该剪切力。此外，应变梁13和柔性梁14在轴向空间上合并，应变梁13的轴向厚度小于柔性梁14，通过调整应变梁13的厚度可调节应变的大小。

进一步的，当力矩传感器10受力较大时，可能引起较大的变形，保证力矩传感器10均衡的应力分布方能保证力矩传感器10的结构安全不易损坏。力矩传感器10的应变梁13具有较小的绕周向变形，具有较低的应力分布，而柔性梁14具有较大的绕轴向变形弧度从而具有较高的应力分布，在柔性梁14和应变梁13、以及柔性梁14和外环12的连接处，优选的设置过渡梁以减小应力集中。具体的，力矩传感器10通过外过渡梁16连接于外环12、通过内过渡梁15连接于应变梁13，所述外过渡梁16和内过渡梁15均形成为渐变曲率的连续梁体，以减缓应力集中，保证力矩传感器10的结构安全性。

此外，参图3-图4，分别示例了柔性力矩传感器两种不同结构对应的力矩检测双通道设计，力矩传感器10的应变梁13设置有应变片检测第一受力信息，优选的，力矩传感器10可以通过设置磁编码器、光编码器等来检测第二受力信息，所述第一受力信息和第二受力信息能够互为校验，仅当两者保持一致或者误差在某个设定范围内时，说明当前力矩传感器10的检测信息准确，进而提升力矩传感器10检测结果的可靠性。示例性的，磁编码器或光编码器的读头17设置于内环11，码盘18设置于外环12，所述读头17和码盘18设置于对应的位置，以使得读头17可读取码盘18信息，当力矩传感器10受力扭转时，检测内环11相对于外环的周向移动角度可获知第二受力信息，进而校验第一受力信息的准确性。

以上本实用新型的优选实施例，通过在力矩传感器的内外环之间融合应变梁和柔性梁，能够减小力矩传感器的重量和体积；柔性梁可以缓冲应变梁所承受的来自负载的机械振动冲击，提升应变梁的寿命；通过设置双通道的受力信息检测，第一受力信息和第二受力信息可互为校验，保证了力矩传感器检测结果的可靠性。

本实用新型还用于提供一种机械臂柔性关节，关节包括电机、减速器、外壳等部件，以及包括前文中任一项所述的柔性力矩传感器，力矩传感器的内环连接于减速器输入端，外环连接于关节输出端，柔性力矩传感器具备柔性缓冲效果，从而能够提升机械臂执行任务的灵活性和与环境接触交互的能力，提高其作业工程中的柔顺性。

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，本实用新型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实用新型的保护范围。因此本实用新型的保护范围应以权利要求为准。

Claims (8)

1.一种柔性力矩传感器，其特征在于，包括：

内环、外环、以及设置于内环和外环之间的应变梁和柔性梁，所述应变梁用于检测传感器受力，所述柔性梁用于提供扭转方向的柔性变形，应变梁为连接于内环的悬臂梁，柔性梁一端连接应变梁、另一端连接外环，柔性梁为绕周向的薄壁结构。

2.根据权利要求1所述的柔性力矩传感器，其特征在于，所述内环用于连接力矩输出端，外环能够与机械臂关节径向支撑连接，所述柔性梁形成为绕周向的弧形薄壁结构。

3.根据权利要求1所述的柔性力矩传感器，其特征在于，所述柔性梁形成为绕周向的蛇形曲面薄壁结构。

4.根据权利要求1所述的柔性力矩传感器，其特征在于，所述柔性梁通过外过渡梁连接于外环、通过内过渡梁连接于应变梁，所述外过渡梁和内过渡梁分别形成为渐变曲率的连续梁体。

5.根据权利要求1所述的柔性力矩传感器，其特征在于，所述应变梁设置有双轴羽毛式的应变片以检测应变梁的剪切应变。

6.根据权利要求1所述的柔性力矩传感器，其特征在于，所述应变梁的轴向厚度小于柔性梁的轴向厚度。

7.根据权利要求1所述的柔性力矩传感器，其特征在于，所述应变梁设置应变片以检测第一受力信息，所述柔性力矩传感器还包括磁编码器或光编码器以检测第二受力信息，所述第一受力信息和第二受力信息互为校验以确保传感器检测的准确性，所述磁编码器或光编码器的码盘设置于外环，读头设置于内环，通过检测内环相对于外环的周向移动角度获知第二受力信息。

8.一种机械臂柔性关节，其特征在于，包括外壳、电机、减速器、以及权利要求1-7中任一项所述的柔性力矩传感器，传感器的内环连接于减速器输入端、外环连接于关节输出端。