一種用于關節扭矩測量的傳感器制造技術

本發明專利技術提出了一種用于關節扭矩測量的傳感器，包括：應變彈性體和信號處理PCB板，其中，應變彈性體用于感受形變并進行形變測量，信號處理PCB板用于進行模擬量信號處理，應變彈性體采用圓形結構，應變彈性體包括外緣固定結構和內緣固定結構，外緣固定結構和內緣固定結構之間通過橋形承力梁連接，在外緣固定結構上設有多個裝配孔，用于固定扭矩傳感器的外緣；在內緣固定結構設有多個安裝孔，用于固定傳感器內緣；在橋型承力梁和傳感器內緣的連接部分布置有多個應變測量腔，每個應變測量腔體內布置有兩片應變片；信號處理PCB板安裝在外緣固定結構和內緣固定結構之間。本發明專利技術能夠有效消除裝配和傳動過程中的不確定性影響。

【技術實現步驟摘要】
一種用于關節扭矩測量的傳感器
本專利技術涉及工業機器人
，特別涉及一種用于關節扭矩測量的傳感器。
技術介紹
關節扭矩傳感器作為協作機器人感知外界力/力矩的核心硬件，其測量信號的質量，嚴重影響著協作機器人諸多功能的性能，如力控、拖動、碰撞檢測等。傳感器作為測力器件，其對外界的擾動相當敏感。這些干擾可能來源于機械加工誤差，也可能來源于關節徑向力的影響。這些影響都是不可避免的，嚴重制約了扭矩傳感器的測試精度和信號質量。
技術實現思路
本專利技術的目的旨在至少解決所述技術缺陷之一。為此，本專利技術的目的在于提出一種用于關節扭矩測量的傳感器。為了實現上述目的，本專利技術的實施例提供一種用于關節扭矩測量的傳感器，包括：應變彈性體和信號處理PCB板，其中，所述應變彈性體用于感受形變并進行形變測量，所述信號處理PCB板用于進行模擬量信號處理，所述應變彈性體采用圓形結構，所述應變彈性體包括外緣固定結構和內緣固定結構，所述外緣固定結構和內緣固定結構之間通過橋形承力梁連接，在所述外緣固定結構上設有多個裝配孔，用于固定扭矩傳感器的外緣；在所述內緣固定結構設有多個安裝孔，用于固定傳感器內緣；在所述橋型承力梁和傳感器內緣的連接部分布置有多個應變測量腔，每個所述應變測量腔體內布置有兩片應變片；所述信號處理PCB板安裝在外緣固定結構和內緣固定結構之間。進一步，所述應變彈性體采用鋁制材料制成。進一步，所述內緣固定結構和外緣固定結構之間進一步連接有傳感器增強結構。進一步，所述應變測量腔的數量為4個，采用對稱的結構設計方式。進一步，8片應變片組成兩個惠斯通全橋。進一步，兩個惠斯通全橋通道的測量值分別如下：其中，ΔR為傳感器翹曲變形擾動，ΔRΔε為干擾影響量；R1～R8代表組成惠斯通全橋8片應變片的電阻值，V代表惠斯通全橋的輸入電壓，ΔV代表惠斯通全橋的輸出電壓。。根據本專利技術實施例的用于關節扭矩測量的傳感器，能夠消除裝配和傳動過程中的不確定性影響，此傳感器能夠有效的降低力矩測量值的誤差、噪聲和兩通道偏差值，補償扭矩傳感器裝配和傳動誤差，有效消除徑向力干擾對扭轉力的影響。本專利技術僅僅通過單個橋路的組橋方式就可以實現扭矩傳感器裝配和傳動誤差補償。兩個橋路可以獲得幾乎相同的測量結果，方便執行更加精準的雙通道冗余校驗，更加有效的保證產品的安全性。本專利技術的構型設計上充分考慮了扭轉力和徑向力不同的影響。在保證傳感器對于扭轉力具有相當高的靈敏度前提下，能夠有效消弱徑向力對測量值的影響。本專利技術附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本專利技術的實踐了解到。附圖說明本專利技術的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：圖1a和圖1b分別為根據本專利技術實施例的用于關節扭矩測量的傳感器俯視圖和左視圖；圖2為根據本專利技術實施例的應變彈性體的結構圖。具體實施方式下面詳細描述本專利技術的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本專利技術，而不能理解為對本專利技術的限制。本專利技術實施例的用于關節扭矩測量的傳感器，包括：應變彈性體和信號處理PCB板，其中，應變彈性體用于感受形變并進行形變測量，信號處理PCB板用于進行模擬量信號處理，PCB板通過四個對稱布置的螺釘19固定在應變彈性體上。應變彈性體采用圓形結構，應變彈性體包括外緣固定結構和內緣固定結構，外緣固定結構和內緣固定結構之間通過橋形承力梁16連接，在外緣固定結構上設有多個裝配孔(13,14)，用于固定扭矩傳感器的外緣；在內緣固定結構設有多個安裝孔12，用于固定傳感器內緣。內緣固定結構和外緣固定結構之間進一步連接有傳感器增強結構17。內緣留有通孔15，用于穿過傳感器線纜。在橋型承力梁和傳感器內緣的連接部分布置有多個應變測量腔，每個應變測量腔體內布置有兩片應變片。在本專利技術的實施例中，應變彈性體采用鋁制材料制成。其中，應變彈性體采用圖2所示的結構設計。裝配孔13、裝配孔14用于固定扭矩傳感器外緣，安裝孔12用于固定傳感器內緣，橋型承力梁16和傳感器內緣的連接部分布置有應變測量腔，每個應變測量腔體內布置有兩片應變片(1，2)、(3，4)、(5，6)、(7，8)。整個彈性體采用對稱的結構設計方式，一共四組橋形梁和增強結構。基于彈性體材料抗彎能力遠低于抗拉壓能力的特點，應變彈性體中的橋形結構對于徑向作用力，能夠產生較大的變形，從而削弱徑向力對應變腔的干擾。而應變彈性體中的橋形結構對徑向扭轉作用力，具有較高的剛度，此部分作用力能夠有效的傳遞到應變腔，提高扭矩傳感器對傳感器扭轉方向作用力的響應靈敏度。針對扭矩傳感器外緣固定結構和內緣固定結構之間的變形，圖2中的結構既能夠提高傳感器測量有效值的靈敏度，也能夠有效降低傳感器徑向擾動的影響。信號處理PCB板18安裝在外緣固定結構和內緣固定結構之間。圖1a和圖1b中分別給出了整體的俯視圖和左視圖。信號處理PCB板18包括多個電子元器件(9、10、11)，完成電壓值模擬量的測量、傳感器線性系數標定。在本專利技術的實施例中，應變測量腔的數量為4個，采用對稱的結構設計方式。8片應變片(1、2、3、4、5、6、7、8)組成兩個惠斯通全橋。本專利技術通過巧妙的選擇組成全橋的應變片，能夠有效消除裝配和傳動過程中誤差對力矩測量值的影響，能夠有效消除徑向載荷對扭矩傳感器測量值的影響。每一路惠斯通全橋中選擇的應變片都具有對稱的形變，能夠消除裝配和傳動過程中誤差的影響，同時保證兩通道的一致性。通過合理的組橋方式，兩通道的測量值如下：基于傳感器完全對稱的結構設計，機械裝配和傳動過程中的擾動對四個應變腔具有相同或是相反的影響。基于此特點，針對傳感器翹曲變形擾動ΔR，給出下述包含擾動的傳感器輸出值。相比于期望的力矩測量值，本專利的組橋方式能讓干擾的影響減小為二階小量ΔRΔε：其中，ΔR為傳感器翹曲變形擾動，ΔRΔε為干擾影響量；R1～R8代表組成惠斯通全橋8片應變片的電阻值，V代表惠斯通全橋的輸入電壓，ΔV代表惠斯通全橋的輸出電壓。根據本專利技術實施例的用于關節扭矩測量的傳感器，能夠消除裝配和傳動過程中的不確定性影響，此傳感器能夠有效的降低力矩測量值的誤差、噪聲和兩通道偏差值，補償扭矩傳感器裝配和傳動誤差，有效消除徑向力干擾對扭轉力的影響。本專利技術僅僅通過單個橋路的組橋方式就可以實現扭矩傳感器裝配和傳動誤差補償。兩個橋路可以獲得幾乎相同的測量結果，方便執行更加精準的雙通道冗余校驗，更加有效的保證產品的安全性。本專利技術的構型設計上充分考慮了扭轉力和徑向力不同的影響。在保證傳感器對于扭轉力具有相當高靈敏度的前提下，能夠有效消弱徑向力對測量值的影響。在本說明書的描述中，參考術語“一個本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種用于關節扭矩測量的傳感器，其特征在于，包括：應變彈性體和信號處理PCB板，其中，所述應變彈性體用于感受形變并進行形變測量，所述信號處理PCB板用于進行模擬量信號處理，/n所述應變彈性體采用圓形結構，所述應變彈性體包括外緣固定結構和內緣固定結構，所述外緣固定結構和內緣固定結構之間通過橋形承力梁連接，在所述外緣固定結構上設有多個裝配孔，用于固定扭矩傳感器的外緣；在所述內緣固定結構設有多個安裝孔，用于固定傳感器內緣；在所述橋型承力梁和傳感器內緣的連接部分布置有多個應變測量腔，每個所述應變測量腔體內布置有兩片應變片；所述信號處理PCB板安裝在外緣固定結構和內緣固定結構之間。/n

【技術特征摘要】
1.一種用于關節扭矩測量的傳感器，其特征在于，包括：應變彈性體和信號處理PCB板，其中，所述應變彈性體用于感受形變并進行形變測量，所述信號處理PCB板用于進行模擬量信號處理，
所述應變彈性體采用圓形結構，所述應變彈性體包括外緣固定結構和內緣固定結構，所述外緣固定結構和內緣固定結構之間通過橋形承力梁連接，在所述外緣固定結構上設有多個裝配孔，用于固定扭矩傳感器的外緣；在所述內緣固定結構設有多個安裝孔，用于固定傳感器內緣；在所述橋型承力梁和傳感器內緣的連接部分布置有多個應變測量腔，每個所述應變測量腔體內布置有兩片應變片；所述信號處理PCB板安裝在外緣固定結構和內緣固定結構之間。


2.如權利要求1所述的用于關節扭矩測量的傳感器，其特征在于，所述應變彈性體采用鋁制材料制...

【專利技術屬性】
技術研發人員：庹華，雷鴻，任賾宇，韓峰濤，于文進，張航，王騰飛，陳可，張靖棋，
申請(專利權)人：珞石北京科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11