[发明专利]弹性力矩传感器

说明书

本发明公开了一种弹性力矩传感器，它由传感器外圈、若干弹性体、传感器内圈、内圈应变片、连接梁、连接梁应变片和中心基座组成；其中，弹性体沿圆周均匀分布，两端分别连接传感器外圈和传感器内圈；每个弹性体由对称的两个弹性体单元组成；传感器内圈与中心基座之间均匀设置连接梁；每个连接梁的表面均粘贴连接梁应变片；传感器内圈的上下表面均粘贴内圈应变片；本发明的柔性力矩传感器由于外围的弹性体本身对冲击具有一定的过滤作用，因此作用在内部力矩传感器的短时冲击力也会大大降低，相比于传统的力矩传感器在相同材料下设计的体积和重量也会明显下降；同时，采用应变片的方式相比于采用商用的力矩传感器可以大大降低使用的成本。

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种弹性力矩传感器，兼备物理弹性和感知力矩。

背景技术

随着现代科学的发展，传感器技术已经作为一种与现代科学密切相关的新兴学科得到了迅速发展，在工业控制、交通运输、消费电子、医疗诊断、航空航天等领域得到了广泛地应用，并且还促进了各个学科的发展。

传感器种类繁多，原理也各式各样，其中以电阻应变式传感器最为常见。尤其是力和力矩传感器，作为一种结构型传感器，已经在许多需要测量力或力矩的领域得到了大量应用。它的原理是利用结构参数变化来感受和转化信号，而电阻应变式传感器则是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。然而，尽管这类传感器是通过弹性体变形来进行测量且测量精度比较高，但由于弹性体的变形量非常小，与接触面间的刚性很大。为了满足瞬间受到的冲击力，传感器的结构需要保证有足够的余量来抵抗外部的冲击力，因此设计时的体积和重量相对较大。

近年来，有一种串联弹性执行器(SEA)和变刚度串联弹性执行器(VSA)受到了广泛关注。这种关节执行器相比传统关节的优势在于它在电机与负载端嵌入了低阻抗的弹簧，通过检测执行器与负载间的角度或位移，结合弹簧的物理特性，计算获得负载所承受的力和力矩值，从而实现力或力矩的测量和控制。相对于上文所述的力矩传感器结构和工艺相对比较简单。其主要特点是在结构上通过弹簧或平面扭簧等部件代替结构梁，在测量方面是通过角度传感器或位移传感器代替应变片进行测量。

其中作为弹性元件的弹簧或平面扭簧的设计成果相对已经较多，比如JP2001-304316A，US6983924，US8176809B2，US2014/0045600A1，CN102632508B，CN103836101A等，以及论文ANovel Compact Torsional Spring for Series Elastic Actuator forAssistive Wearable Robots和Actuator Control for NASA-JSC Valkyrie HumanoidRobot:ADecouple Dynamics Approach for Torque Control of Series Elastic Robots中都提到各种平面扭簧的设计。以平面扭簧作为弹性元件可以使得设计更加灵活，可以根据需求设计出所需的弹性系数，且所占空间较小，在对重量和体积具有严格要求的场合中可以有更加灵活地应用。但是平面扭簧在材料选择、形状设计、冷热加工工艺的制定、以及使用寿命等方面也存在诸多挑战。比如平面扭簧的弹性体(或弹性梁)由于反复交变应力作用，容易导致疲劳而断裂；平面扭簧的弹性体(或弹性梁)的弹性系数会随着使用时间变化而发生改变，结合SEA或VSA的控制方法，如果弹性系数发生率改变，那么转动相同的角度输出的力矩也将改变，对于未能进行参数校正的平面扭簧，上述所带来的问题是如何对断裂的弹簧进行故障检测，以及如何实现对弹性系数的定期检测和校正，以及确保精密的测量和精确的控制。专利号CN105058414A针对上述问题提出了一种具备故障检测和参数校正功能的平面扭簧装置，但是由于所述装置是力矩传感器和平面扭簧的集成，尤其是力矩传感器的应用，使其在体积、重量和成本等方面的改善受到限制。因此，本发明将针对上述存在的问题，提出一种柔性力矩传感器，用于检测力矩信号的同时可以大大降低传感器的开发和使用成本，以及降低传感器的体积和重量。

发明内容