TW202303108A - 力矩感測器 - Google Patents
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Abstract
一種力矩感測器，包括外周部以及內周部，為圓環狀，在徑向保有間距地配置為同心；連接梁部，為雙支撐梁狀，在周向保有間距地連接於外周部與內周部之間；以及檢出部，檢出施加於外周部與內周部之間圍繞中心軸的力矩；連接梁部周向的兩側面從中央軸方向看過去，具有從外周部的內側面以及內周部的外側面向連接梁部長度方向的中央，個別的曲率半徑逐漸增加的凹狀曲面形狀。
Description
本揭露係關於力矩感測器。
已知一種測量裝置包括配置於圓環狀的外周部、配置於外周部徑向內側之圓環狀的內周部以及外周部與內周部的中間部 (參考範例請見專利文獻1)。
中間部在周向保有間距地設有向周向延伸之長孔形狀的多個剛性調整孔。由此，在相鄰的剛性調整孔之間，在周向保有間距地設有將外周部與內周部於徑向連接的連接梁部。各個連接梁部的徑向中央位置貼著應變片，藉此構成為測量力矩的測量裝置。
（現有技術文獻）
（專利文獻）
專利文獻1：特開2021-25956號公報
（本發明欲解決的課題）
在專利文獻1的各個連接梁部，由於周向的兩側面是由長孔形狀的剛性調整孔尾端的圓弧面所構成，在與外周部以及內周部連接的部分，周向的橫幅尺寸變得過大，使檢出力矩的敏感度下降。
另一方面，藉由將此圓弧面的半徑縮小，提升檢出力矩的敏感度，但更容易發生應力集中。
因此，期望抑制檢出力矩的敏感度下降，同時減輕在連接梁部的應力集中。
（為了解決課題的方法）
本揭露的一實施例是一種力矩感測器，包括外周部以及內周部，為圓環狀，在徑向保有間距地配置為同心；連接梁部，為雙支撐梁狀，在周向保有間距地連接於外周部與內周部之間；以及檢出部，檢出施加於外周部與內周部之間圍繞中心軸的力矩；連接梁部周向的兩側面從中央軸方向看過去，具有從外周部的內側面以及內周部的外側面向連接梁部長度方向的中央，個別的曲率半徑逐漸增加的凹狀曲面形狀。
下面參照圖式說明本揭露的一實施例之力矩感測器1。
本實施例之力矩感測器1包括將具有一定厚度的金屬板以在厚度方向打通所形成的感測器本體10以及裝設在感測器本體10的應變片20。
感測器本體10如圖1所示，包括以軸線A(中心軸)為中心軸之圓環狀的外周部2以及在外周部2的徑向保有間距地配置為同心之圓環狀的內周部3。感測器本體10更包括在外周部2與內周部3之間圓環狀的空隙，在以軸線A為軸的周向等間隔地排列，將外周部2與內周部3於徑向以雙支撐梁狀連接的複數個，例如為四條的連接梁部4以及例如為四條的檢出梁部5(檢出部)。
外周部2在周向保有間距地設有複數個貫穿厚度方向的貫穿孔6a。內周部3在周向保有間距地設有複數個貫穿厚度方向的螺絲孔6b。
各個連接梁部4如圖2所示，個別包括沿著穿過軸線A的直線向徑向延伸的縱軸B。各個連接梁部4於縱軸B方向的一端與外周部2的內周面2a連接，另一端與內周部3的外周面3a連接。
各個連接梁部4以軸線A為軸的周向之兩側面4a，其從軸線A方向看過去的輪廓形狀形成為對縱軸B線對稱。各個側面4a的輪廓形狀由長軸與縱軸B平行的橢圓的半周之橢圓弧而來的凹狀曲線所形成。橢圓弧的長軸長度，和外周部2的內周面2a與內周部3的外周面3a之間徑向的間隔有著相同的長度。
由此，各個側面4a成為從縱軸B方向的兩端向中央，個別的曲率半徑逐漸增加的曲面形狀。
各個檢出梁部5個別配置於在周向相鄰的一組連接梁部4之間，與外周部2和內周部3徑向連接。檢出梁部5橫切面的面積與連接梁部4橫切面的面積相比足夠的小，在周向的力矩作用於外周部2與內周部3之間時，有容易變形的形狀。由此，力矩感測器1的強度主要由連接梁部4所支持，檢出梁部5不對力矩感測器1的強度有影響。
應變片20在各個檢出梁部5分別貼有一個。各個應變片20例如為薄片狀的電阻，對應各自貼著的各個檢出梁部5的變形改變電阻值。
且各個應變片20構成未圖示之電橋電路，將抵抗值的變化作為電壓的變化檢出。
以下說明由此所構成的本實施例之力矩感測器1的作用。
力矩感測器1如圖3所示，例如為安裝於機器人的關節100，用於檢出設在關節100之驅動器110輸出的力矩。
在圖3所示的例中，力矩感測器1安裝在構成機器人的關節100的驅動器110之減速機111的輸出軸112與固定於輸出軸112的機器人手臂120之間，使軸線A與輸出軸112的旋轉軸線一致。具體而言，利用貫穿貫穿孔6a的螺栓7，將外周部2固定於減速機111的輸出軸112，並由栓於內周部3螺絲孔6b的螺栓8，將內周部3固定於機器人手臂120。
由此，力矩感測器1被直接固定於被檢出體之減速機111與機器人手臂120之間。
在這個狀態，當減速機111的輸出軸112繞軸線A旋轉，軸線A周向的力矩作用於外周部2與內周部3之間，外周部2與內周部3在周向相對彼此有微小的位移。且因外周部2與內周部3之間的微小位移，使各個檢出梁部5也被變形。
由此，藉由貼在各個檢出梁部5的各個應變片20，檢出對應檢出梁部5變形量的電壓值，可檢出因減速機111的輸出軸112的旋轉所產生的力矩大小。
在這個狀況，當軸線A周向的力矩作用於外周部2與內周部3之間，在和外周部2與內周部3連接的各個連接梁部4產生應力。特別是在各個連接梁部4縱軸B方向的兩端產生更大的應力。另一方面，在縱軸B方向的中央附近幾乎不產生應力。
在此說明連接梁部4的各個側面4a的形狀與在連接梁部4產生的應力大小以及連接梁部4容易變形的程度之間的關係。
圖4表示連接梁部4的兩側面4a於縱軸B方向的一端從軸線A看過去的輪廓形狀設為橢圓弧的狀況的解析模型的一部分。圖5表示圖4的橢圓弧替換為圓弧的狀況的解析模型的一部分。對兩個解析模型分別計算對連接梁部4於縱軸B方向的另一端施加一定程度周向的力時，在連接梁部4產生的最大應力值與變形量。
在圖6至圖8，將圖4的解析模型中的橢圓弧的短軸R分別固定為R
1、R
2、R
3(R
1＞R
2＞R
3)，將使長軸Ra在縱軸B方向長短變動的狀況下最大應力值的變化率以實線表示。且將圖5的解析模型中的半徑Ra對應圖4的解析模型中的長軸Ra變動而變動的狀況下最大應力值的變化率以虛線表示。同樣的，圖9至圖11為比較兩個解析模型的連接梁部4變形量的變化率之圖。
圖6至圖11中的變化率，是將各個長軸Ra以及半徑Ra的最大應力值或變形量，除以在圖4的解析模型中長軸Ra等於短軸R或在圖5的解析模型中半徑Ra設為R的狀況下的最大應力值或變形量所得到的數值。
根據圖6所示的解析結果，要使在連接梁部4產生的最大應力值減少到預定的比例P，在圖5的解析模型的狀況，需要使半徑Ra從R(=R
1)增長至Ra1。另一方面，可知在圖4的解析模型的狀況，不使短軸R(=R
1)的尺寸增長，只使長軸Ra增長至比Ra1長之Ra2即可。
由此，藉由將連接梁部4的兩側面4a於縱軸B方向的兩端從軸線A方向看過去的輪廓形狀設為橢圓弧，可不使連接梁部4在縱軸B方向的兩端與縱軸B正交方向的尺寸增長，減輕連接梁部4的應力集中。
且根據圖9所示的解析結果，維持圖4的解析模型的短軸R(=R
1)，使長軸Ra增長至Ra2的狀況，連接梁部4變形量的變化率大於在使圖5的解析模型的半徑Ra增長至Ra1的狀況的連接梁部4變形量的變化率。
也就是說，比較使在連接梁部4產生的最大應力值減少到預定的比例P的圖4以及圖5的解析模型，對圖4的解析模型來說，維持連接梁部4容易朝周向變形的程度，可抑制剛性過度的增加。
從圖7和圖10以及圖8和圖11也可得到與上述相同的結果。
如此，以本實施例之力矩感測器1，周向的力矩作用於外周部2與內周部3之間的狀況，可更大的維持兩者在周向相對的位移以及各個檢出梁部5的變形量，同時減輕在連接梁部4的應力集中。
因此，本實施例之力矩感測器1具有可抑制檢出力矩的敏感度下降變小，同時提升連接梁部4強度之優點。
且圖12至圖14與圖6至圖11同樣地表示在兩個解析模型使長軸Ra或是半徑Ra變化的狀況下，相對於連接梁部4變形量的變化率，最大應力值的變化率的比率。
如圖12所示，在圖4的解析模型，只使橢圓弧的長軸Ra增長，增長至扁率f為57%的狀況，連接梁部4變形量的變化率與最大應力值的變化率，彼此以相同程度的比率變化。相對於此，在圖5的解析模型，使半徑Ra增長的狀況，變形量的變化率大幅超過最大應力值的變化率。
且在圖13以及圖14，在圖4的解析模型的橢圓弧的扁率f為0%以上57%以下的範圍，相較圖5的解析模型，最大應力值的變化率也大幅超過變形量的變化率。
從這些結果，可說明藉由將連接梁部4的兩側面4a於縱軸B方向的兩端從軸線A方向看過去的輪廓形狀設為橢圓弧，無關乎扁率f的值，可抑制連接梁部4周向的剛性過度的增加，同時緩和連接梁部4的應力集中。
且這個狀況下在圖4的解析模型，橢圓弧的扁率f理想為0%以上57%以下，更理想為20%以上55%以下。
另外，在本實施例，連接梁部4的各個側面4a從軸線A方向看過去的輪廓形狀由長軸與縱軸B平行的橢圓的半周之橢圓弧所構成。取而代之，如圖15所示，連接梁部4的兩側面4a從軸線A方向看過去的輪廓形狀，亦可是分別由在縱軸B方向的中央由與縱軸B平行的直線，及在縱軸B方向的兩端由具有與縱軸B平行之長軸的橢圓弧所形成的形狀。
由此，連接梁部4的兩側面4a之中其一，只在最容易集中應力的縱軸B方向的兩端最小必須的範圍處，其從軸線A方向看過去的輪廓形狀是由橢圓弧的曲面所形成。由此，可將連接梁部4周向的剛性增加抑制的更小，同時減輕在連接梁部4產生的應力集中。
又在本實施例，連接梁部4的各個側面4a於縱軸B方向的兩端從軸線A方向看過去的輪廓形狀亦可彼此不相同。
由此，例如事先預測在連接梁部4於縱軸B方向的兩端產生的應力分布並不均等的狀況，可對應預測的應力分布，連接梁部4的各個側面4a於縱軸B方向的兩端之曲面分別設定為最適合的形狀。
又在本實施例，如圖16所示，連接梁部4的各個側面4a從軸線A方向看過去的輪廓形狀，亦可由長軸與縱軸B方向非平行的橢圓的一部分所形成。
又在本實施例，連接梁部4設為四條，但亦可設為兩條、三條或五條以上。
又在本實施例，將檢出梁部5設為感測器本體10的一部分，但取而代之，亦可將檢出梁部5與感測器本體10設為分別的物件，藉由螺栓等橫跨徑向固定於外周部2與內周部3之間。
又在本實施例，是將應變片20貼上檢出梁部5的構成，但取而代之，亦可在各個連接梁部4的表面分別各貼上一個。在這個狀況，由於可省略檢出梁部5，可使力矩感測器的構成更單純。
又做為檢出檢出梁部5變形量的部件，以電阻式的應變片20為示範例，但並沒有被限定，亦可採用電容感測器、光學感測器或磁致伸縮感測器等其他任意方式的感測器。
例如在採用電容感測器的狀況，亦可設計為將一對對向配置的電極由作用於外周部2與內周部3之間沿周方向的力矩改變電極之間的距離或對向面積。
又在本實施例，連接梁部4的各個側面4a從軸線A方向看過去的輪廓形狀是由橢圓弧所構成，但取而代之，亦可由從連接梁部4於縱軸B方向的兩端向中央，曲率半徑逐漸增加的任意凹狀曲線所構成。
1:力矩感測器
2:外周部
2a:內周面
3:內周部
3a:外周面
4:連接梁部
4a:側面
5:檢出梁部
6a:貫穿孔
6b:螺絲孔
7:螺栓
8:螺栓
10:感測器本體
20:應變片
100:關節
110:驅動器
111:減速機
112:輸出軸
120:機器人手臂
A:中心軸
B:縱軸
R,R1,R2,R3:短軸
Ra,Ra1,Ra2:長軸
f:扁率
[圖1] 係表示本揭露的一實施例之力矩感測器之俯視圖。
[圖2] 係表示圖1之力矩感測器的連接梁部之部分放大圖。
[圖3] 係表示將圖1之力矩感測器安裝於機器人關節的例子之圖。
[圖4] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀設為橢圓弧的狀況的解析模型的一部分之圖。
[圖5] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀設為圓弧的狀況的解析模型的一部分之圖。
[圖6] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
1)與連接梁部的最大應力值的變化率之間的關係之解析結果之表格。
[圖7] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
2)與連接梁部的最大應力值的變化率之間的關係之解析結果之表格。
[圖8] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
3)與連接梁部的最大應力值的變化率之間的關係之解析結果之表格。
[圖9] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
1)與連接梁部的變形量的變化率之間的關係之解析結果之表格。
[圖10] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
2)與連接梁部的變形量的變化率之間的關係之解析結果之表格。
[圖11] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
3)與連接梁部的變形量的變化率之間的關係之解析結果之表格。
[圖12] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
1)、最大應力值的變化率以及變形量的變化率之間的比之表格。
[圖13] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
2)、最大應力值的變化率以及變形量的變化率之間的比之表格。
[圖14] 係表示圖2之連接梁部的兩側面的輪廓形狀(短軸R=R
3)、最大應力值的變化率以及變形量的變化率之間的比之表格。
[圖15] 係表示圖1之力矩感測器的第一變形例的連接梁部之部分放大圖。
[圖16] 係表示圖1之力矩感測器的第二變形例的連接梁部之部分放大圖。
1:力矩感測器
2:外周部
3:內周部
4:連接梁部
5:檢出梁部
6a:貫穿孔
6b:螺絲孔
10:感測器本體
20:應變片
A:中心軸
Claims (6)
- 一種力矩感測器，包括： 一外周部以及一內周部，為圓環狀，在徑向保有間距地配置為同心； 複數連接梁部，為雙支撐梁狀，在周向保有間距地連接於該外周部與該內周部之間；以及 複數檢出部，檢出施加於該外周部與該內周部之間圍繞一中心軸的力矩；該連接梁部周向的兩側面從該中央軸方向看過去，具有從該外周部的一內側面以及該內周部的一外側面向該連接梁部長度方向的中央，個別的曲率半徑逐漸增加的凹狀之一曲面形狀。
- 如請求項1所述的力矩感測器，其中，該曲面形狀由長軸與該連接梁部長度方向平行的橢圓的一部分所構成。
- 如請求項1所述的力矩感測器，其中，該曲面形狀由長軸與該連接梁部長度方向非平行的橢圓的一部分所構成。
- 如請求項1至3任一項所述的力矩感測器，其中，該連接梁部周向的各該側面從該外周部至該內周部的該曲面形狀由單一個橢圓的一部分所構成。
- 如請求項1至4任一項所述的力矩感測器，其中，在該連接梁部周向的各該側面，從該外周部的該內側面至該連接梁部長度方向的中央的該曲面形狀與該內周部的該外側面至該連接梁部長度方向的中央該曲面形狀彼此不相同。
- 如請求項2所述的力矩感測器，其中，該橢圓的扁率為0%以上57%以下，較佳為20%以上55%以下。
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