CN112665765A - 一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器 - Google Patents

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CN112665765A CN202011385481.4A CN202011385481A CN112665765A CN 112665765 A CN112665765 A CN 112665765A CN 202011385481 A CN202011385481 A CN 202011385481A CN 112665765 A CN112665765 A CN 112665765A
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孙永军
崔士鹏
史士财
刘伊威
刘宏
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Abstract

本发明属于机器人技术领域，涉及一种关节力矩传感器，具体是指一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，为了解决被动式过载保护传感器刚度低、过载保护能力差，且调整间隙难以保证，制造成本高昂的问题，本发明是基于并联分载原理的力矩传感器，适用于机器人关节力矩的测量，而且根据传感器的设计需要，合理分配分载梁和弹性梁的刚度比值，采用分载梁承担大部分的力矩载荷，提高力矩传感器的刚度，本发明采用分载梁承担大部分的力矩载荷，可有效实现力矩传感器的过载保护，解决了采用销孔式、螺纹式过载保护间隙值难以保证，制造成本高昂的技术问题。

Description

一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种关节力矩传感器，具体是指一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器。
背景技术
关节力矩传感器用来检测机器人的关节力矩，实现机器人的精确力感知，是机器人具备力控制的前提条件。现有的机器人关节力矩传感器通常为轮辐式结构，采用弹性梁直接受载的方式实现力矩载荷的测量，如CN1815156A、CN 101118194A和CN10673773A等。通过保护梁和调整垫块(CN1815156A)或盲孔和保护销(CN101118194A)的方式实现过载保护。基本原理是通过调整间隙实现关节力矩传感器的过载保护。该方式为被动式过载保护，传感器刚度低，且调整间隙难以保证，制造成本高昂。
发明内容
发明目的：为了解决被动式过载保护传感器刚度低、过载保护能力差，且调整间隙难以保证，制造成本高昂的问题，本发明提出一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器。
本发明是通过以下方案实施的：一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，它包括力矩敏感元件、电路板和多个应变计；
多个应变计和电路板均设置在力矩敏感元件上；
所述力矩敏感元件包括外环、内环和连接梁结构；
所述外环和内环同轴设置；外环的圆周内侧和内环的圆周外侧通过连接梁结构连接为一体；
所述连接梁结构包括多个弹性梁和多个分载梁；多个弹性梁沿圆周分布在外环的圆周内侧和内环的圆周外侧之间；多个分载梁沿圆周分布在外环的圆周内侧和内环的圆周外侧之间；每个分载梁设置在两个弹性梁之间；
每两个所述应变计对称设置在弹性梁两侧的外侧壁上。
进一步地，所述弹性梁的数量为三个、四个、六个或八个。
再进一步地，所述外环上设有多个沿圆周方向分布的外环通孔。
进一步地，所述内环上设有多个沿圆周方向分布的内环通孔。
再进一步地，所述外环通孔的数量为个、所述内环通孔的数量为个。
进一步地，电路板与矩敏感元件通过螺栓固接。
再进一步地，分载梁的扭转刚度大于弹性梁的扭转刚度。
进一步地，所述分载梁设置为柔性铰链、U型铰链或球形铰链。
再进一步地，所述弹性梁为通孔式结构。
进一步地，所述通孔式结构为方形通孔，所述方形通孔沿力矩敏感元件的轴线方向设置，方形通孔每侧的两端分别连接一个半圆形通槽；所述半圆形通槽向矩敏感元件的圆周方向延伸。
有益效果：
本发明是基于并联分载原理的力矩传感器，适用于机器人关节力矩的测量，而且根据传感器的设计需要，合理分配分载梁和弹性梁的刚度比值，采用分载梁承担大部分的力矩载荷，提高力矩传感器的刚度。
本发明采用分载梁承担大部分的力矩载荷，可有效实现力矩传感器的过载保护，解决了采用销孔式、螺纹式过载保护间隙值难以保证，制造成本高昂的技术问题。
本发明通过分载梁实现大部分的力矩载荷传递，将小部分载荷传递至弹性梁，采用并联分载原理实现关节力矩传感器测量，具有刚度高、过载能力强等优点。
附图说明
图1是基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器的结构示意图。
图2是基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器的力矩敏感元件主视图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：
它包括力矩敏感元件1、电路板3和多个应变计2；
多个应变计2和电路板3均设置在力矩敏感元件1上；
所述力矩敏感元件1包括外环1-1、内环1-2和连接梁结构；
所述外环1-1和内环1-2同轴设置；外环1-1的圆周内侧和内环1-2的圆周外侧通过连接梁结构连接为一体；
所述连接梁结构包括多个弹性梁1-3和多个分载梁1-4；多个弹性梁1-3沿圆周分布在外环1-1的圆周内侧和内环1-2的圆周外侧之间；多个分载梁1-4沿圆周分布在外环1-1的圆周内侧和内环1-2的圆周外侧之间；每个分载梁1-4设置在两个弹性梁1-3之间；
每两个所述应变计2对称设置在弹性梁1-3两侧的外侧壁上。
具体实施方式二：所述弹性梁1-3的数量为三个、四个、六个或八个。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：所述外环1-1上设有多个沿圆周方向分布的外环通孔1-5。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：所述内环1-2上设有多个沿圆周方向分布的内环通孔1-6。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：所述外环通孔1-5的数量为12个、所述内环通孔1-6的数量为10个。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：电路板3与矩敏感元件1通过螺栓固接。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：分载梁1-4的扭转刚度大于弹性梁1-3的扭转刚度。
本实施方式中：分载梁1-4扭转刚度和弹性梁1-3扭转刚度的比值是设计并联分载式关节力矩传感器的关键。
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：所述分载梁1-4设置为柔性铰链、U型铰链或球形铰链。
本实施方式中：分载梁1-4为实心梁结构，利用柔性铰链原理，在提升关节力矩传感器刚度的同时，尽量降低分载梁对关节力矩传感器灵敏度的影响；
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：所述弹性梁1-3为通孔式结构，根据实际需要可更改通孔的圆角半径。
本实施方式中：弹性梁1-3为通孔式结构，利用通孔圆角处的应力集中原理可提高关节力矩传感器的灵敏度；
其他实施方式与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：所述通孔式结构为方形通孔，所述方形通孔沿力矩敏感元件1的轴线方向设置，方形通孔每侧的两端分别连接一个半圆形通槽；所述半圆形通槽向矩敏感元件1的圆周方向延伸。
本实施方式中：根据实际需要可更改通孔的半圆形通槽半径；
其他实施方式与具体实施方式九相同。
工作原理：
力矩传感器，适用于机器人关节力矩的测量。传统的力矩传感器测量原理往往采用直接测量方式，力矩作用时，直接由弹性梁承载，通过在弹性梁上粘贴应变片，将力矩作用下的微小应变进行检测，变成应变片电阻值的变化，通过惠斯通电桥，将电阻值的变化转换为电压或电流等易于测量的电信号。优点是可直接精确测量力矩值，缺点是刚度低，过载能力弱。
一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器的工作原理为间接测量方式。它采用分载梁承担大部分力矩载荷，而弹性梁承担小部分力矩载荷。根据传感器设计需求，合理分配分载梁和弹性梁的刚度比值，采用分载梁承担大部分力矩载荷，可提高力矩传感器的刚度。此外，可有效实现力矩传感器的过载保护，解决了采用销孔式、螺纹式过载保护间隙值难以保证，制造成本高昂的技术问题。

Claims (10)

1.一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：
它包括力矩敏感元件(1)、电路板(3)和多个应变计(2)；
多个应变计(2)和电路板(3)均设置在力矩敏感元件(1)上；
所述力矩敏感元件(1)包括外环(1-1)、内环(1-2)和连接梁结构；
所述外环(1-1)和内环(1-2)同轴设置；外环(1-1)的圆周内侧和内环(1-2)的圆周外侧通过连接梁结构连接为一体；
所述连接梁结构包括多个弹性梁(1-3)和多个分载梁(1-4)；多个弹性梁(1-3)沿圆周分布在外环(1-1)的圆周内侧和内环(1-2)的圆周外侧之间；多个分载梁(1-4)沿圆周分布在外环(1-1)的圆周内侧和内环(1-2)的圆周外侧之间；每个分载梁(1-4)设置在两个弹性梁(1-3)之间；
每两个所述应变计(2)对称设置在弹性梁(1-3)两侧的外侧壁上。
2.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述弹性梁(1-3)的数量为三个、四个、六个或八个。
3.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述外环(1-1)上设有多个沿圆周方向分布的外环通孔(1-5)。
4.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述内环(1-2)上设有多个沿圆周方向分布的内环通孔(1-6)。
5.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述外环通孔(1-5)的数量为12个、所述内环通孔(1-6)的数量为10个。
6.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：电路板(3)与矩敏感元件(1)通过螺栓固接。
7.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：分载梁(1-4)的扭转刚度大于弹性梁(1-3)的扭转刚度。
8.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述分载梁(1-4)设置为柔性铰链、U型铰链或球形铰链。
9.根据权利要求1所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述弹性梁(1-3)为通孔式结构。
10.根据权利要求9所述的一种基于并联分载原理的机器人高刚度关节力矩传感器，其特征在于：所述通孔式结构为方形通孔，所述方形通孔沿力矩敏感元件(1)的轴线方向设置，方形通孔每侧的两端分别连接一个半圆形通槽；所述半圆形通槽向矩敏感元件(1)的圆周方向延伸。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113465802A (zh) * 2021-06-10 2021-10-01 北京思灵机器人科技有限责任公司 力矩传感器
CN115683434A (zh) * 2022-10-31 2023-02-03 哈尔滨工业大学 适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2828774Y (zh) * 2005-06-17 2006-10-18 南京航空航天大学 两维力/力矩传感器
CN102305678A (zh) * 2011-08-09 2012-01-04 东南大学 一种二维力传感器
CN202814606U (zh) * 2012-08-16 2013-03-20 锐马（福建）电气制造有限公司 一种二维测力传感器
CN104374453A (zh) * 2014-12-03 2015-02-25 烟台钧杰衡器有限公司 多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器及其称量方法
JP2017172983A (ja) * 2016-03-18 2017-09-28 株式会社安川電機 ロボット及びトルクセンサ
JP2018132313A (ja) * 2017-02-13 2018-08-23 日本電産コパル電子株式会社 トルクセンサ
CN109642837A (zh) * 2016-08-31 2019-04-16 森索驱动有限公司 具有分流辐条的扭矩传感器
US20190250051A1 (en) * 2016-12-07 2019-08-15 Nidec Copal Electronics Corporation Torque sensor
JP2019158420A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 日本電産コパル電子株式会社 トルクセンサ
KR20190127321A (ko) * 2018-05-04 2019-11-13 주식회사 에이엘로봇 토크 센서

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN2828774Y (zh) * 2005-06-17 2006-10-18 南京航空航天大学 两维力/力矩传感器
CN102305678A (zh) * 2011-08-09 2012-01-04 东南大学 一种二维力传感器
CN202814606U (zh) * 2012-08-16 2013-03-20 锐马（福建）电气制造有限公司 一种二维测力传感器
CN104374453A (zh) * 2014-12-03 2015-02-25 烟台钧杰衡器有限公司 多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器及其称量方法
JP2017172983A (ja) * 2016-03-18 2017-09-28 株式会社安川電機 ロボット及びトルクセンサ
CN109642837A (zh) * 2016-08-31 2019-04-16 森索驱动有限公司 具有分流辐条的扭矩传感器
US20190250051A1 (en) * 2016-12-07 2019-08-15 Nidec Copal Electronics Corporation Torque sensor
JP2018132313A (ja) * 2017-02-13 2018-08-23 日本電産コパル電子株式会社 トルクセンサ
JP2019158420A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 日本電産コパル電子株式会社 トルクセンサ
KR20190127321A (ko) * 2018-05-04 2019-11-13 주식회사 에이엘로봇 토크 센서

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113465802A (zh) * 2021-06-10 2021-10-01 北京思灵机器人科技有限责任公司 力矩传感器
WO2022257947A1 (zh) * 2021-06-10 2022-12-15 北京思灵机器人科技有限责任公司 力矩传感器
CN115683434A (zh) * 2022-10-31 2023-02-03 哈尔滨工业大学 适应尺蠖爬行的空间机械臂六轴力/力矩测量装置

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