CN117043564A - 具有过载结构的力和扭矩传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种力/扭矩传感器包括一外部主体结构、一内部主体结构及在该外部结构与该内部结构之间延伸的三个传感器结构。过载结构位于该等传感器结构之间。一过载结构包括具有多个外部面的一外部部分及具有多个对应且相对的内部面的一内部部分。该外部面及该内部面用于允许该内部主体结构与该外部主体结构之间自一中立位置在至少六个自由度上进行一有限预定量的相对运动，且限制该内部主体结构与该外部主体结构之间的相对运动不能超过该预定量。可通过使用线切割放电加工分离一桥来形成一过载结构，该线切割放电加工视情况在单个遍次中执行。

Description

具有过载结构的力和扭矩传感器及其制造方法

技术领域

本发明总体涉及过载结构，更具体而言，涉及供多自由度力/扭矩传感器使用的过载结构。

背景技术

在一些应用中，硅基应变计(也称为陶瓷应变计)可用于检测力和/或扭矩。通常，硅基传感器相对较小且需要精确置放，通常为手动置放。陶瓷应变计通常具有高度灵敏，因此，其可用以量测较大和/或较厚负载梁或其他负载结构的偏转。因此，在一些应用中，可能不认为单独的指定过载结构是必要的。举例而言，上面置放有陶瓷应变计的负载梁(或其他结构)可被视为足够坚固以避免响应于在使用期间可能预期的力和/或扭矩而经历永久性变形或其他损坏。

虽然陶瓷应变计通常表征为高度灵敏的，但其通常对温度更敏感，且可能在短期或长期操作期间更易于漂移。因此，在其良率量测中可能会存在显著的滞后和/或其他变化。

发明内容

提供以下介绍内容来向读者介绍以下更详细的论述。该介绍内容并不意欲限制或定义任何所主张或尚未主张的发明。一个或多个发明可存在于包括权利要求范围及图式的此文件的任何部分中所公开的组件或工艺步骤的任何组合或子组合。

为了量测力和/或扭矩，一种传感装置可包括一个或多个应变计，该一个或多个应变计紧固至细长梁(或其他负载结构)以量测梁的由于施加至传感装置的净力/扭矩而导致的偏转。举例而言，力/扭矩传感器可耦接于机器人臂与末端执行器之间以量测末端执行器处的和/或扭矩。

在使用具有相对较高灵敏度的应变计(例如，硅基应变计)的传感器装置中，可检测细长梁的相对较小偏转。因此，可使用相对较厚的负载梁以努力改善传感器装置的耐久性和/或最大额定负载。然而，硅基应变计可能倾向于展现相对较高的温度敏感性和/或良率滞后，此可导致传感器随时间过度“漂移”。另外，在以高速度、加速度和/或负载操作的机器人应用中，相对较厚的负载梁可能不具有足够的刚性来防止所应用的硅基应变计的应***化和/或损坏。

如本发明所公开的，一种力/扭矩传感器可包括一个或多个过载结构以防止(或至少限制)细长梁或一个或多个应变计所紧固至的其他传感器结构的过度偏转。提供过载结构以限制偏转可促进使用相对较薄的梁或其他传感器结构，此又可促进使用金属箔应变计。

根据本发明提供的一种力/扭矩传感器，其包含：外部主体结构；内部主体结构；三个传感器结构，每一个传感器结构在外部主体结构与内部主体结构之间延伸；及三个过载结构，每一过载结构定位于三个传感器结构中的两个之间；其中三个过载结构中的每一个包括自外部主体结构向内延伸的外部部分及自内部主体结构向外延伸的内部部分，且其中该外部部分具有多个外部面，该内部部分具有多个对应且相对的内部面，且多个外部面及多个内部面用于允许在内部主体结构与外部主体结构之间自中立位置在至少六个自由度上进行有限预定量的相对运动，且限制内部主体结构与外部主体结构之间的相对运动不能超过预定量。

在一些实施例中，三个传感器结构及三个过载结构通常彼此等距地隔开。

在一些实施例中，当外部主体结构及内部主体结构处于中立位置时，多个外部面中之每一者与多个内部刻面中的对应者之间的间隙具有约25微米至0.5mm的距离。

在一些实施例中，三个传感器结构中的每一个均具有约1至25mm的宽度。

在一些实施例中，三个传感器结构中的每一个均具有约2至12mm的宽度。

在一些实施例中，力/扭矩传感器进一步包含紧固至三个传感器结构中的每一个的应变传感器。

在一些实施例中，应变传感器包含金属箔应变计。

如本发明所公开的，可使用线切割放电加工来形成过载结构。举例而言，可使用线切割EDM将过载桥分成过载结构的内部部分及外部部分。

使用线切割EDM来提供过载结构的内部及外部面可具有一个或多个优点。举例而言，此可促进过载结构的内部部分与外部部分之间的一致间隙距离。其也可促进力/扭矩传感器的快速和/或成本有效的制造。

根据本发明提供的一种制造力/扭矩传感器框架的方法，该力/扭矩传感器框架包含外部主体结构、内部主体结构、在外部主体结构与内部主体结构之间延伸的至少一个传感器结构以及至少一个过载结构，该方法包括：提供主体结构，该主体结构包含外部主体结构、内部主体结构、在外部主体结构与内部主体结构之间延伸的至少一个传感器结构以及在外部主体结构与内部主体结构之间延伸的至少一个过载桥；及经由线切割放电加工将至少一个过载桥分成自外部主体结构延伸的外部部分及自内部主体结构延伸的内部部分，该外部部分具有多个外部面且该内部部分具有多个对应且相对的内部面。

在一些实施例中，线切割放电加工是在单个遍次中执行的。

在一些实施例中，多个外部刻面是在线切割放电加工的第一遍次期间形成的，且多个内部面是在线切割放电加工的第二遍次期间形成。

在一些实施例中，当外部主体结构及内部主体结构处于中立位置时，多个外部面中的每一者与多个内部刻面中的对应者之间的间隙具有约25微米至0.5mm的距离。

本领域技术人员应了解，本发明所公开的装置或方法可体现本发明中所包括的任何一个或多个特征，且该特征可以以任何特定组合或子组合使用。

本发明其他实施例以及特征将在下文中更详细地描述。

附图说明

为了更好地理解所描述的实施例且更清楚地展示其可如何来进行实施，作为示例，现将参考附图，在该附图中：

图1为机器人臂、末端执行器及力/扭矩传感器的部分立体图；

图2为根据一个实施例的力/扭矩传感器的立体图；

图3为图2的力/扭矩传感器的俯视平面图，其中为了清楚起见而省略了传感器电子装置；

图4为沿着图3中的线A-A所截取的图3的力/扭矩传感器的截面图；

图5为沿着图中3的线B-B所截取的图3的力/扭矩传感器的截面图；

图6为图3的力/扭矩传感器的过载结构的外部部分的立体图；

图7为图3的力/扭矩传感器的过载结构的内部部分的立体图；

图8为沿着图3中的线A-A所截取的图3的力/扭矩传感器的过载结构的截面图，其中过载结构限制Z轴正方向上的进一步运动；

图9为沿着图3中的线B-B所截取的图3的力/扭矩传感器的过载结构的截面图，其中过载结构限制Z轴负方向上的进一步运动；

图10为沿着图3中的线A-A所截取的图3的力/扭矩传感器的过载结构的截面图，其中过载结构限制绕X轴的进一步正旋转；

图11为沿着图3中的线B-B所截取的图3的力/扭矩传感器的过载结构的截面图，其中过载结构限制绕X轴的进一步负旋转；

图12为图3的力/扭矩传感器的过载结构的俯视平面图，其中过载结构限制绕Z轴的进一步正旋转；

图13为图3的力/扭矩传感器的过载结构的俯视平面图，其中过载结构限制绕Z轴的进一步负旋转；

图14为图3的力/扭矩传感器的过载结构的俯视平面图，其中过载结构限制X轴正方向上的进一步运动；

图15为图3的力/扭矩传感器的过载结构的俯视平面图，其中过载结构限制X轴负方向上的进一步运动；及

图16为图3的力/扭矩传感器的过载结构的俯视平面图，其中过载结构限制Y轴负方向上的进一步运动。

此处所包括的附图用于示出本说明书教示的物品、方法及装置的各种实例且并不意图以任何方式限制所教示内容的范畴。

具体实施方式

以下描述了各种装置、方法和组合的例子，以提供每项所述发明的示例实施方式。以下所述的任何实施方式都不限制任何所述发明，任何所述发明可能涵盖与以下所述不同的装置和方法。所述发明不限于具有以下任何一个装置、方法或组合的所有特征，也不限于具有多个或所有以下装置、方法或组合的共同特征。以下描述的任何装置、方法或组合可能不是任何所述发明的实施方式。在以下所述的任何装置、方法或组合所公开的任何发明，如果在本文件中没有提出申请，可能成为另一种保护装置的技术方案，例如，继续专利申请，申请人、发明人和/或所有者不打算通过在本文件中披露来抛弃、放弃或向公众奉献任何此类发明。

此外，为了附图的简单及清晰，应了解，在认为适当时，可在附图当中重复参考编号以指示对应或类似组件。此外，描述的众多特定细节用于提供对本发明所描述的示例实施例的全面理解。然而，本领域技术人员应理解，可在无特定细节的情况下实践本发明所描述的示例实施例。在其他情况下，未详细描述熟知的方法、程序及组件，以免混淆本发明所描述的示例实施例。此外，该描述并不被视为限制本发明中所描述的示例实施例的范围。

尽管本发明所公开的装置和方法是特定地关于机器人臂及末端执行器来描述且与机器人臂及末端执行器一起使用，但应该理解这些装置和方法也可以用于其他应用中用来测量力和/或扭矩。

图1示出了位于机器人臂10与末端执行器15之间的力/扭矩传感器100的实施例。在使用中，力/扭矩传感器可量测相对于机器人臂作用于末端执行器上的力和/或扭矩。

图2至图16示出了100所指代的力/扭矩传感器的示例实施方式。在所示出的实施方式中，力/扭矩传感器100用于量测六自由度(6DOF)应用的力和/或扭矩。

如图2所示，传感器100包括外部主体结构120、内部主体结构140及三个传感器结构130，每个传感器结构在外部主体结构120与内部主体结构140之间延伸。参考图1，外部主体结构可耦接至机器人臂，且内部主体结构可耦接至末端执行器，或反之亦然。在该结构中，外部主体结构120与内部主体结构140之间的相对运动导致传感器结构中的一个或多个偏转。

在所示出的实施方式中，每一个传感器结构130呈细长梁130的形式。应了解，在一个或多个替代实施例中，可使用具有任何其他合适的几何形状的传感器结构。可基于传感器所期望的灵敏度而选择传感器结构的尺寸。举例而言，每一个梁130可具有约1至25mm或约2mm至12mm的宽度。

为了量测力和/或扭矩，可将应变计紧固至传感器结构以量测其由于传感器100上的净力/扭矩而导致的相对偏转。在所示出的实施方式中，金属箔应变计用以量测三个传感器结构130中的每一个的偏转。在替代实施方式中，可使用硅基应变计或其他合适的传感组件。

在所示出的实施方式中，应变计210嵌入于多层膜200中，该多层膜已经尺寸设定以适配于内部主体结构140的表面特征内。将应变计(及其相关联布线)嵌入多层膜中可具有一个或多个优点。举例而言，此可促进一个或多个应变计相对于传感器结构保持一致的位置。替代地或另外，此可减少将应变计放置于传感器结构上的所要位置所需的劳动量和/或技能。在示例实施方式中还示出了传感器电路210，该传感器电路包括惯性量测单元(IMU)215、模数转换(ADC)电路225及用于将电路210耦接至膜200的连接器220。

参考图3，传感器100还包括由160所指代的三个过载结构。在使用中，过载结构允许内部主体结构与外部主体结构之间进行有限预定量的相对运动。过载结构可限制或防止内部主体结构与外部主体结构之间的相对运动超过预定量。因此，过载结构用以限制三个传感器结构130的总偏转，例如当力/扭矩传感器100经受相对较高的力和/或扭矩时。通过提供“硬止挡件”以限制三个传感器结构130的总偏转，过载结构可限制或防止损坏传感器结构130和/或紧固至其的一个或多个应变计210。

在所示出的实施方式中，提供三个过载结构160，其中过载结构160通常等距地设置于相邻的传感器结构130之间。此外，凹槽180在内部主体结构140与外部主体结构120之间，在过载结构160与传感器结构130之间延伸。如所示出的，传感器结构130a由凹槽180a及180f的一部分定界，传感器结构130b由凹槽180b及180c的一部分定界且传感器结构130c由凹槽180d及180e的一部分定界。此外，过载结构160a由凹槽180a及180b的部分一定界，过载结构160b由凹槽180c及180d的一部分定界且过载结构160c由凹槽180e及180f的一部分定界。

参考图6及图7，过载结构160包括自外部主体结构120延伸的外部部分162及自内部主体结构140延伸的内部部分164。外部部分162具有多个外部面21-27，且内部部分164具多个内部面41-47。在所示出的实施方式中，每一个外部及内部面均具有对应的相对面。

当内部主体结构140及外部主体结构120处于三个传感器结构130不经受显著偏转的中立或卸除位置时(例如，当传感器100上的净力/扭矩低时)，外部面中的每一个与其对应且相对的内部面隔开一间隙距离。举例而言，间隙距离可介于约25微米与约0.5mm之间。在中立位置中，内部主体结构140及外部主体结构120仅经由三个传感器结构130彼此接触。

当内部主体结构140及外部主体结构120经受净外力或扭矩时，过载结构160的内部部分164及外部部分162最初保持彼此隔开，从而允许内部主体结构与外部主体结构之间进行有限量的相对运动。该设置允许传感器结构130偏转，其中偏转由安装于传感器结构130上的一个或多个应变计量测，且应变量测结果用以判定作用于传感器100上的净力和/或扭矩。

若作用于传感器100上的净力和/或扭矩足够大，则在内部主体结构140及外部主体结构120相对于彼此移动时，在初始量的相对运动之后，过载结构160的内部部分164及外部部分162的至少一对内部及外部面可彼此抵接，藉此限制或防止内部主体结构与外部主体结构之间的进一步相对运动。

在所示出的实施方式中，外部位置162可表征为具有：包括面21及24的第一段；包括面25、22及27的第二段；及包括面26及23的第三段。类似地，所示出的内部部分164可表征为具有：包括面41及45的第一段；包括面44、42及46的第二段；及包括面47及43的第三段。在一个或多个替代实施方式中，对于六自由度使用，具有仅包括两个段的外部及内部部分的过载结构可限制内部主体结构140与外部主体结构120之间不期望的相对运动。举例而言，在所示出实例中，面21、25、24及22(及互补面41、45、44及42)可足以提供6DOF过载保护。

图8至图16示出了限制由施加至传感器100的各种力和/或扭矩所导致的运动的过载结构160的实施方式。

在图8所示出的实施方式中，面22及42彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120响应于Z轴正方向上的外力而进一步相对移位。

在图9所示出的实施方式中，面21及41和/或面23及43彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120响应于Z轴负方向上的外力而进一步相对移位。

在图10所示出的实施方式中，面22及42彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120(也就是，响应于外部扭矩)绕X轴在正方向上进一步相对旋转。

在图11所示出的实施方式中，面21及41和/或面23及43彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120(也就是，响应于外部扭矩)绕X轴在负方向上进一步相对旋转。

在图12中所示出的实施方式中，面24及44和/或面27及47彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120(也就是，响应于外部扭矩)绕Z轴在正方向上进一步相对旋转。

在图13中所示出的实施方式中，面25及45和/或面26及46彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120(也就是，响应于外部扭矩)绕Z轴在负方向上进一步相对旋转。

在图14中所示出之实例中，面24及44和/或面27及47彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120响应于X轴正方向上的外力而进一步相对移位。

在图15中所示出的实施例中，面25及45和/或面26及46彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120响应于X轴负方向上的外力而进一步相对移位。

在图16中所示的实施方式中，面21及41和/或面22及42和/或面23及43彼此抵接，从而防止内部主体结构140及外部主体结构120响应于Y轴负方向上的外力而进一步相对移位。Y轴正方向上的过度移位由定位成与所示出的过载结构160隔开～±120°的其他两个过载结构160提供。

可使用任何合适的制造方法形成传感器100。举例而言，外部主体结构120、内部主体结构140可由单个金属坯料形成，且可自坯料加工出凹槽180，藉此形成传感器结构130。

可使用任何合适的方法形成过载结构160。举例而言，可使用水射流引导激光技术来切割面21至27及41至47，诸如可购自瑞士楚格(Zug,Switzerland)的Avonisys AG或瑞士尼翁(Nyon,Switzerland)的SYNOVAS.A.。水射流引导激光技术特别适合于提供过载结构的内部面与外部面之间的极小间隙距离。

较佳地，可使用线切割放电加工(亦称为线切割EDM或WEDM)来形成过载结构。举例而言，包括外部主体结构120、内部主体结构140及传感器结构130的主体结构也可包括在外部主体结构120与内部主体结构140之间延伸的过载桥。可使用线切割EDM将此过载桥分成过载结构160的内部部分164及外部部分162。

使用线切割EDM来提供过载结构160的内部及外部面可具有一个或多个优点。举例而言，相对的内部刻面与外部面之间的间隙距离可由EDM线的直径确定。也就是说，可使用具有较大切口宽度的EDM线来生产具有较大间隙距离的传感器100(允许传感器结构130在相对面抵接之前发生较大偏转)，且可使用具有较小切口宽度的EDM线由同一主体结构形成具有较小间隙距离的传感器100。此可促进经由选择的EDM线直径来“调谐”传感器100。

作为另一实施方式，可使用线切割EDM工艺来“切割”过载结构(包括面21至27及41至47)的所示出设计，在该工艺中，割线遵循单个路径，其中无回溯。举例而言，参考图3，EDM线可穿过凹槽180d，大体侧向移动以形成过载结构160b的面21及41，经枢转以形成面24、25、44及45，大体侧向移动以形成面22及42，经枢转以形成面26、27、46及47，且大体侧向移动以形成面23及43。

所提供的可使用单个线切割EDM遍次来切割所有面的过载结构可具有一个或多个优点。举例而言，此可促进过载结构160的内部部分162与外部部分164之间的一致间隙距离。就此而言，“单遍次”设计可预期具有改善的尺寸公差，因为多个遍次可在加工操作期间引入滞后误差。使用单遍次操作可导致过载结构的加工更快，例如，可能不需要重新穿线。此外，如上所述，“单遍次”设计可促进通过改变EDM线直径来“调谐”传感器100。

如本发明中所使用的，术语“和/或”意图表示包括性或。也就是，“X和/或Y”意图表示X或Y或其两者。作为另一示例，“X、Y和/或Z”意图表示X或Y或Z或其任何组合。

虽然以上描述内容描述了示例实施方式的特征，但应了解，在不脱离所描述实施例的精神及操作原理的情况下，所描述实施例的一些特征和/或功能容易进行修改。举例而言，通过所表示实施例或示例而描述的各种特征可选择性地彼此组合。因此，上文已描述的内容意在说明所主张概念且为非限制性的。本领域技术人员应理解，可在不脱离权利要求范围中所限定的本发明的范围的情况下进行其他变化及修改。权利要求的范围不应受较佳实施例及示例限制，而应给予与整个描述一致的最广泛解释。

Claims (11)

1.一种力/扭矩传感器，其特征在于，包括：

一外部主体结构；

一内部主体结构；

三个传感器结构，每一个传感器结构在所述外部结构与所述内部结构之间延伸；及

三个过载结构，每一个过载结构均位于所述三个传感器结构中的两个之间；

其中所述三个过载结构中的每一个包括自所述外部主体结构向内延伸的一外部部分及自所述内部主体结构向外延伸的一内部部分，以及

其中所述外部部分具有多个外部面，所述内部部分具有多个对应且相对的内部面，且所述多个外部面及所述多个内部面用于允许所述内部主体结构与所述外部主体结构之间自一中立位置在至少六个自由度上进行一有限预定量的相对运动，且用于限制所述内部主体结构与所述外部主体结构之间的相对运动不能超过所述预定量。

2.如权利要求1所述的力/扭矩传感器，其特征在于，所述三个传感器结构及所述三个过载结构通常彼此等距地隔开。

3.如权利要求1或2所述的力/扭矩传感器，其特征在于，当所述外部主体结构及所述内部主体结构处于所述中立位置时，所述多个外部面中的每一者与所述多个内部面中的相对应者之间的一间隙具有约25微米至0.5mm的距离。

4.如权利要求1至3中任一项所述的力/扭矩传感器，其特征在于，所述三个传感器结构中的每一个均具有约1mm至25mm的宽度。

5.如权利要求4所述的力/扭矩传感器，其特征在于，所述三个传感器结构中的每一个均具有约2mm至12mm的宽度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的力/扭矩传感器，其特征在于，进一步包括紧固至所述三个传感器结构中的每一个的一应变传感器。

7.如权利要求6所述的力/扭矩传感器，其特征在于，所述应变传感器包括一金属箔应变计。

8.一种制造一力/扭矩传感器框架的方法，其特征在于，所述力/扭矩传感器框架包括一外部主体结构、一内部主体结构、在所述外部主体结构与所述内部主体结构之间延伸的至少一个传感器结构以及至少一个过载结构，其中，所述方法包括：

提供一主体结构，所述主体结构包括所述外部主体结构、所述内部主体结构、在所述外部主体结构与所述内部主体结构之间延伸的所述至少一个传感器结构及在所述外部主体结构与所述内部主体结构之间延伸的至少一个过载桥；以及

经由线切割放电加工，将所述至少一个过载桥分成自所述外部主体结构延伸的一外部部分及自所述内部主体结构延伸的一内部部分，所述外部部分具有多个外部面且所述内部部分具有多个对应且相对的内部面。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述线切割放电加工是在单个遍次中执行的。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个外部面是在所述线切割放电加工的第一遍次期间形成的，且所述多个内部面是在所述线切割放电加工的第二遍次期间形成的。

11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其特征在于，当所述外部主体结构及所述内部主体结构处于一中立位置时，所述多个外部面中的每一者与所述多个内部面中的对应者之间的一间隙具有约25微米至0.5mm的距离。