基于挠性的扭矩传感器的制作方法
背景技术：
机器人装置可以包括由计算机程序或电子电路引导的机械作用者(agent)，通常是机电机械。机器人可以是自主的或半自主的，从人形设计到大型工业设计，后者具有带关节的臂和终端执行器来执行专门的任务。
这样的机器人装置可以包括被配置为使得机器人装置能够执行各种功能和运动的多个关节。例如，人形机器人装置可以包括膝关节，肘关节和手指关节。在一些示例性操作中，机器人装置的这种关节可以包括用于检测给定旋转关节上的扭矩的扭矩传感器。
技术实现要素：
第一示例性实施方式包括一种装置，该装置具有(i)包括第一静止头部，第二静止头部，第一可旋转头部和第二可旋转头部的环形挠性轮毂，其中每个头部包括挠性轮毂的环形部分，所述第一和第二静止头部在所述第一和第二可旋转头部之间交错，(ii)静止壳体，其联接到所述挠性轮毂的所述第一静止头部和所述第二静止头部，(iii)第一传感器，其定位成邻近挠性轮毂的第一可旋转头部，(iv)邻近挠性轮毂的第二可旋转头部定位的第二传感器，以及(v)可旋转壳体，其与挠性轮毂的第一可旋转头部和第二可旋转头部联接。
第二示例性实施方式包括机器人关节，其包括(i)第一肢体，(ii)第二肢体和(iii)扭矩传感器，其中扭矩传感器包括(a)环形挠性轮毂，其包括第一静止头部，第二静止头部，第一可旋转头部和第二可旋转头部，其中每个头部包括挠性轮毂的环形部分，并且其中第一和第二静止头部在第一和第二可旋转头部之间交错，(b)静止壳体，其联接到所述挠性轮毂的所述第一静止头部和所述第二静止头部，(c)第一传感器，其邻近所述挠性轮毂的所述第一可旋转头部定位；(d)第二传感器，其邻近挠性轮毂的第二可旋转头部定位，以及(e)联接到所述挠性轮毂的第一可旋转头部和第二可旋转头部的可旋转壳体。
第三示例性实施方式包括机器人装置，该机器人装置具有(i)主体，(ii)联接到主体的一个或多个关节，其中所述一个或多个关节中的至少一个包括(a)第一肢体，(b)第二肢体，(c)扭矩传感器，和(d)控制器。扭矩传感器包括(i)包括第一静止头部，第二静止头部，第一可旋转头部和第二可旋转头部的环形挠性轮毂，其中每个头部包括挠性轮毂的环形部分，所述第一和第二静止头部在所述第一和第二可旋转头部之间交错，(ii)静止壳体，其联接到所述挠性轮毂的所述第一静止头部和所述第二静止头部，(iii)第一传感器，其定位成邻近挠性轮毂的第一可旋转头部，(iv)邻近挠性轮毂的第二可旋转头部定位的第二传感器，以及(v)可旋转壳体，其与挠性轮毂的第一可旋转头部和第二可旋转头部联接，其中所述可旋转壳体进一步联接到所述第二肢体。控制器可编程为(i)将来自第一传感器的第一读数与来自第二传感器的第二读数相结合，以确定给定关节上的扭矩，以及(ii)基于确定的扭矩控制给定关节的可旋转壳体上的旋转输入。
在第四示例性实施方式，系统可以包括用于执行第一，第二和/或第三示例性实施方式的任何一个的每个操作的各种装置。
在另外的示例中，提供了包括由装置执行的或者由装置的一个或多个处理器或其他组件执行的指令，以执行该方法的功能的方法和计算机程序产品。例如，该方法可以用于操作机器人装置。
本概述和其它描述和附图旨在通过示例的方式来说明实现，并且许多变化是可能的。例如，结构元件和过程步骤可以重新排列，组合，分配，消除或以其他方式改变，同时保持在所要求保护的实施方式的范围内。
附图说明
图1示出了根据示例性实施方式的机器人系统的配置。
图2示出了根据示例性实施方式的四足机器人装置。
图3示出了根据示例性实施方式的两足机器人装置。
图4a示出了根据示例性实施方式的扭矩传感器。
图4b示出了根据示例性实施方式的图4a的扭矩传感器的环形挠性轮毂。
图4c示出了根据示例性实施方式耦合到图4b的环形挠性毂的静止壳体。
图4d示出了根据示例性实施方式的图4a的转矩传感器的可旋转壳体。
图5a示出了根据示例性实施方式的另一扭矩传感器。
图5b示出了根据示例性实施方式的图5a的扭矩传感器的环形挠性轮毂。
图5c示出了根据示例性实施方式的耦接到图5b的环形挠性轮毂的静止壳体；
图5d示出了根据示例性实施方式的图5a的扭矩传感器的可旋转壳体。
图6示出了根据示例性实施方式的示例扭矩传感器的另一示例性挠性轮毂。
图7示出了根据示例性实施方式的另一示例扭矩传感器。
图8描绘了根据示例性实施方式配置的计算机可读介质。
具体实施方式
本文描述了示例性装置，系统和技术。这里使用词“示例”，“示例性”和“说明性”来表示“用作示例，实例或说明”。作为“示例”，“示例性”或“说明性”的任何实现方式或特征不一定被解释为比其他实现方式或特征优选或有利。本文描述的示例性实施方式不意味着限制。因此，如本文中一般性描述并在附图中示出的本公开的方面可以以各种各样的不同构造进行布置，取代，组合，分离和设计，所有这些都在本文中被考虑。此外，除非另有说明，否则图示不按比例绘制，仅用于说明目的。而且，这些图仅仅是代表性的，并不是所有的组件都被显示出来。例如，可能不会显示附加的结构或约束组件。
另外，在本说明书或权利要求书中的元件，块或步骤的任何枚举是为了清楚的目的。因此，这种枚举不应被解释为要求或暗示这些元件，块或步骤遵循特定的布置或以特定的顺序执行。
i.概述
机器人装置可以包括被配置为使机器人装置执行各种功能和运动的多个关节。例如，机器人装置可以包括允许两个自由度(dof)的髋关节，踝关节和/或腕关节。在一些示例性操作中，扭矩传感器可以定位在这种关节上以测量机器人装置的各个部件之间的扭矩。传统的扭矩传感器包括多个应变仪。应变仪是热敏感的，并且当组件经历扭矩过载时容易偏移。为了解决现有扭矩传感器的这些当前局限性中的一个或多个，本文描述了基于示例的基于挠曲的扭矩传感器。这种基于挠曲的扭矩传感器可以结合到机器人装置中；然而，本文所述的基于挠性的扭矩传感器的各种实施方式可以是在没有相应的机器人装置的情况下起作用的独立部件。
示例性装置包括环形挠性轮毂，其包括第一静止头部，第二静止头部，第一可旋转头部和第二可旋转头部。每个头部包括挠性轮毂的环形部分。此外，第一和第二静止头部在第一和第二可旋转头部之间逐个交错。该装置还包括联接到挠性轮毂的第一静止头部和第二静止头部的静止壳体。因此，静止壳体防止第一和第二静止头部旋转。所述装置还包括邻近所述挠性轮毂的所述第一可旋转头部定位的第一传感器和邻近所述挠性轮毂的所述第二可旋转头部定位的第二传感器。该装置还包括联接到挠性轮毂的第一可旋转头部和第二可旋转头部的可旋转壳体。
在操作中，可旋转壳体构造成相对于静止壳体旋转。当可旋转壳体旋转时，第一可旋转头部和第二可旋转头部与可旋转壳体一起旋转，由于这些部件联接到可旋转壳体。当可旋转壳体旋转时，静止壳体，第一静止头部和第二静止头部保持静止。当第一可旋转头部移动时，与第一可旋转头部相邻定位的第一传感器检测第一可旋转头部的旋转运动。类似地，随着第二可旋转头部移动，邻近第二可旋转头部定位的第二传感器检测第二可旋转头部的旋转运动。然后，基于挠曲的扭矩传感器可以组合来自两个传感器的读数，以确定给定部件(例如机器人装置的关节)上的扭矩。
应当理解，提供上述实施例是为了说明的目的，而不应被解释为限制性的。因此，在不脱离本发明的范围的情况下，这里的实施方式可以另外地或替代地包括其它特征或包括更少的特征。
ii.示例性机器人系统
图1示出了可以结合本文所述的实现方式使用的机器人系统的示例配置。机器人系统100可以被配置为自主地，半自主地和/或使用用户提供的指导进行操作。机器人系统100可以以各种形式实现，例如双足机器人，四足机器人或一些其他布置。此外，机器人系统100也可以被称为机器人，机器人装置或移动机器人等等。
如图1所示，机器人系统100可以包括处理器102，数据存储器104和控制器108，其一起可以是控制系统118的一部分。机器人系统100还可以包括传感器112，电源114，机械部件110和电气部件116。尽管如此，为了说明的目的，示出了机器人系统100，并且可以包括更多或更少的部件。机器人系统100的各种组件可以以任何方式连接，包括有线或无线连接。此外，在一些示例中，机器人系统100的组件可以分布在多个物理实体之间而不是单个物理实体。机器人系统100的其它示例也可以存在。
处理器102可以作为一个或多个通用硬件处理器或专用硬件处理器(例如，数字信号处理器，专用集成电路等)来操作。处理器102可以被配置为执行计算机可读程序指令106和操纵数据107，二者都存储在数据存储器104中。处理器102也可以直接或间接地与机器人系统100的其他部件，例如传感器112，电源114，机械部件110和/或电气部件116相互作用。
数据存储器104可以是一种或多种类型的硬件存储器。例如，数据存储器104可以包括或采取可由处理器102读取或访问的一个或多个计算机可读存储介质的形式。一个或多个计算机可读存储介质可以包括易失性和/或非易失性存储组件，诸如光学，磁性，有机或其他类型的存储器或储存器，其可以与处理器102整体或部分集成。在一些实现方式中，数据存储器104可以是单个物理装置。在其他实现方式中，数据存储器104可以使用两个或多个物理装置来实现，其可以经由有线或无线通信彼此通信。如前所述，数据存储器104可以包括计算机可读程序指令106和数据107。数据107可以是除其他可能性之外的任何类型的数据，诸如配置数据，传感器数据和/或诊断数据。
控制器108可以包括一个或多个电路，数字逻辑单元，计算机芯片和/或微处理器，其被配置为(可能在其他任务中)，在机械部件110，传感器112，电源114，电气部件116，控制系统118和/或机器人系统100的用户的任何组合之间交互。在一些实现方式中，控制器108可以是用于与机器人装置100的一个或多个子系统一起执行特定操作的专用嵌入式装置。
控制系统118可以监测和物理地改变机器人系统100的操作条件。在这样做时，控制系统118可以用作机器人系统100的部分之间的链接，例如机械部件110和/或电气部件116之间的链接。在一些情况下，控制系统118可以用作机器人系统100和另一个计算装置之间的接口。此外，控制系统118可以用作机器人系统100和用户之间的接口。实例中，控制系统118可以包括用于与机器人系统100进行通信的各种组件，包括操纵杆，按钮和/或端口等。上述示例性接口和通信可以经由有线或无线连接或二者实现。控制系统118也可以对机器人系统100执行其他操作。
在操作期间，控制系统118可以经由有线或无线连接与机器人系统100的其他系统通信，并且还可以被配置为与机器人的一个或多个用户进行通信。作为一个可能的示例，控制系统118可以接收指示在特定方向上以特定速度执行特定步态的指令的输入(例如，来自用户或另一机器人)。步态是动物，机器人或其他机械结构的肢体的运动模式。
基于该输入，控制系统118可执行操作以使机器人装置100根据所请求的步态移动。作为另一示例，控制系统可以接收指示移动到特定地理位置的指令的输入。作为响应，控制系统118(可能在其他组件或系统的帮助下)可以基于机器人系统100移动到该地理位置在途中通过的环境来确定方向，速度和/或步态。
控制系统118的操作可以由处理器102执行。或者，这些操作可以由控制器108或处理器102和控制器108的组合来执行。在一些实施方案中，控制系统118可以部分地或完全地驻留在除了机器人系统100之外的装置上，因此可以至少部分地远程地控制机器人系统100。
机械部件110表示机器人系统100的硬件，其可使机器人系统100执行物理操作。作为几个示例，机器人系统100可以包括物理构件，例如腿，臂和/或轮。机器人系统100的物理构件或其他部分还可以包括被布置成相对于彼此移动物理构件的致动器。机器人系统100还可以包括用于容纳控制系统118和/或其他部件的一个或多个结构化主体，并且还可以包括其他类型的机械部件。在给定机器人中使用的特定机械部件110可以基于机器人的设计而变化，并且还可以基于机器人可以被配置为执行的操作和/或任务。
在一些示例中，机械部件110可以包括一个或多个可移动部件。机器人系统100可以被配置为添加和/或移除可能涉及来自用户和/或另一机器人的帮助的可移除部件。例如，机器人系统100可以配置有可移除的臂，手，脚和/或腿，使得可以根据需要或期望地替换或改变这些附件。在一些实施方案中，机器人系统100可以包括一个或多个可移除和/或可替换的电池单元或传感器。在一些实现方式中可以包括其他类型的可移动组件。
机器人系统100可以包括布置成感测机器人系统100的方面的传感器112。传感器112可以包括一个或多个力传感器，扭矩传感器，速度传感器，加速度传感器，位置传感器，接近传感器，运动传感器，位置传感器，负载传感器，温度传感器，触摸传感器，深度传感器，超声波范围传感器，红外传感器，物体传感器和/或照相机等。在一些示例中，机器人系统100可以被配置为从与机器人物理分离的传感器(例如，位于其他机器人上或位于机器人操作的环境内的传感器)接收传感器数据。
传感器112可以向处理器102(可能通过数据107)提供传感器数据，以允许机器人系统100与其环境的相互作用，以及监视机器人系统100的操作。传感器数据可以由控制系统118用于评估机械部件110和电气部件116的激活，移动和停用的各种因素。例如，传感器112可以捕获对应于环境的地形或附近物体的位置的数据，这可能有助于环境识别和导航。在示例配置中，传感器112可以包括radar(例如，用于远程对象检测，距离确定和/或速度确定)，lidar(例如，用于短距离对象检测，距离确定和/或速度确定)，sonar(例如，用于水下物体检测，距离确定和/或速度确定)，
此外，机器人系统100可以包括被配置为接收指示机器人系统100的状态的信息的传感器112，包括可以监视机器人系统100的各种部件的状态的传感器112。传感器112可以测量机器人系统100的系统的活动并且基于机器人系统100的各种特征的操作接收信息，诸如可伸展的腿，臂或机器人系统100的其它机械和/或电气特征的操作。由传感器112提供的数据可以使得控制系统118能够确定操作中的错误以及监视机器人系统100的部件的整体操作。
作为示例，机器人系统100可以使用力传感器来测量机器人系统100的各种部件上的负载。在一些实施方式中，机器人系统100可包括臂或腿上的一个或多个力传感器以测量移动臂或腿的一个或多个构件的致动器上的负载。作为另一示例，机器人系统100可以使用一个或多个位置传感器来感测机器人系统的致动器的位置。例如，这种位置传感器可以感测在臂或腿上的致动器的延伸，缩回或旋转的状态。
作为另一示例，传感器112可以包括一个或多个速度和/或加速度传感器。例如，传感器112可以包括惯性测量单元(imu)。相对于重力矢量，imu可以感测世界坐标系(worldframe)中的速度和加速度。基于imu在机器人系统100中的位置和机器人系统100的运动学，imu所感测到的速度和加速度然后可以被转换为机器人系统100的速度和加速度。
机器人系统100可以包括本文中未明确讨论的其它类型的传感器。另外或替代地，机器人系统可以使用特定传感器用于本文未列举的目的。
机器人系统100还可以包括被配置为向机器人系统100的各种部件提供动力的一个或多个动力源114。在其他可能的动力系统中，机器人系统100可以包括液压系统，电气系统，电池和/或其他类型的动力系统。作为示例说明，机器人系统100可以包括被配置为向机器人系统100的组件提供电荷的一个或多个电池。机械组件110和/或电气部件116中的一些可以各自连接到不同的动力源，可以是由相同的动力源供电，或由多个动力源供电。
可以使用任何类型的动力源来给机器人系统100提供动力(例如电力源或汽油发动机)。附加地或替代地，机器人系统100可以包括被配置为使用流体动力向机械部件110提供动力的液压系统。例如，机器人系统100的组件可以基于在整个液压系统中传输到各种液压马达和液压缸的液压流体操作。液压系统可以通过加压液压流体通过管，柔性软管或机器人系统100的部件之间的其它连接来传递液压动力。动力源114可以使用各种类型的充电进行充电，例如有线连接外部电源，无线充电，燃烧或其他示例。
电气部件116可以包括能够处理，传送和/或提供电荷或电信号的各种机构。在可能的示例中，电气部件116可以包括电线，电路和/或无线通信发射器和接收器，以实现机器人系统100的操作。电气部件116可与机械部件110相互作用，以使机器人系统100能够执行各种操作。电气部件116可以被配置为例如从动力源114向各种机械部件110提供动力。此外，机器人系统100可以包括电动机。电气部件116的其它例子也可以存在。
尽管在图1中未示出，机器人系统100可以包括主体，其可以连接到机器人系统的附件和部件或容纳该附件和部件。因此，主体的结构可以在示例内变化，并且还可以依赖于给定机器人可能被设计为执行的特定操作。例如，开发用于承载重负载的机器人可以具有能够放置负载的宽主体。类似地，设计成达到高速度的机器人可能具有不具有实质重量的狭窄的小主体。此外，可以使用各种类型的材料(例如金属或塑料)来开发主体和/或其他部件。在其他示例中，机器人可以具有不同结构的主体或由各种类型的材料制成
主体和/或其他部件可以包括或携带传感器112。这些传感器可以定位在机器人装置100上的各种位置，例如在主体上和/或一个或多个上附件等等。
在其主体上，机器人装置100可承载负载，例如要运输的货物的类型。负载还可以表示机器人装置100可以利用的外部电池或其他类型的电源(例如，太阳能电池板)。携带负载表示可以配置机器人装置100的一个示例用途，但是机器人装置100也可以被配置为执行其他操作。
如上所述，机器人系统100可以包括各种类型的腿，臂，轮等。通常，机器人系统100可以配置有零个或多个腿。具有零腿的机器人系统的实现方式可以包括轮子，踏板或一些其他形式的运动。具有两个腿的机器人系统的实现方式可以被称为两足动物，并且具有四条腿的实现方式可以被称为四足。六脚或八脚的实现方式也是可行的。为了说明的目的，下面描述机器人系统100的两足和四足的实现方式。
图2示出了根据示例性实施方式的四足机器人200。除了其他可能的特征之外，机器人200可以被配置为执行本文所述的一些操作。机器人200包括控制系统和连接到主体208的腿204a，204b，204c，204d。每个腿可以包括可以接触表面(例如，地面)的相应的脚206a，206b，206c，206d。此外，机器人200被示出为具有传感器210，并且可以能够在主体208上承载负载。在其他示例中，机器人200可以包括更多或更少的部件，并且因此可以包括图2中未示出的部件。
机器人200可以是图1所示的机器人系统100的物理表示，或者可以基于其他配置。因此，机器人200可以包括机械部件110，传感器112，动力源114，电气部件116和/或控制系统118中的一个或多个以及其他可能的部件或系统。
腿204a-204d的配置、位置和/或结构可以在示例性实施方式中变化。腿204a-204d使得机器人200能够相对于其环境移动，并且可以被配置为以多个自由度操作以实现不同的行进技术。特别地，腿204a-204d可以使得机器人200可以根据在不同步态中阐述的力学以各种速度行进。机器人200可以使用一个或多个步态在环境中行进，这可以涉及基于速度，地形，操纵的需要和/或能量效率来选择步态。
此外，不同类型的机器人可能由于设计的变化而使用不同的步态。虽然一些步态可能具有特定的名称(例如，步行，小跑，跑步，跳动，飞驰等)，步态之间的区别可能重叠。可以基于脚步图案，即用于放置脚206a-206d的表面上的位置来分类步态。类似地，步态也可以基于动态力学来分类。
机器人200的主体208连接到腿204a-204d并且可以容纳机器人200的各种部件。例如，主体208可以包括或携带传感器210。这些传感器可以是在传感器112的上下文中讨论的传感器，诸如照相机，激光雷达或红外传感器。此外，传感器210的位置不限于图2所示的位置。因此，传感器210可以定位在机器人200上的各种位置，例如在主体208上和/或在一个或多个腿204a-204d上，以及其他示例。
图3示出了根据另一示例性实现方式的两足机器人300。与机器人200类似，机器人300可以对应于图1所示的机器人系统100，并且可以被配置为执行本文所述的一些实现方式。因此，类似于机器人200，机器人300可以包括机械部件110，传感器112，动力源114，电气部件116和/或控制系统118中的一个或多个。
例如，机器人300可以包括连接到主体308的腿304和306。每个腿可以由一个或多个由关节连接的构件组成，并且被配置为相对于彼此以各种自由度操作。每个腿还可以包括可以接触表面(例如，地面)的相应的脚310和312。类似于机器人200，腿304和306可以使机器人300能够根据步态内所述的力学以各种速度行进。然而，机器人300可以利用与机器人200的步态不同的步态，至少部分地由于两足和四足能力之间的差异。
机器人300还可以包括臂318和320。这些臂可以促进机器人300的物体操纵，承载和/或平衡。如腿304和306，每个臂可以由一个或多个关节连接的构件组成，并且被配置为相对于彼此以各种自由度操作。每个臂还可以包括相应的手322和324。机器人300可以使用手322和324来夹持，转动，拉动和/或推动物体。手322和324可以包括各种类型附加件或附件，例如手指，夹具，焊接工具，切割工具等。
机器人300还可以包括对应于传感器112的传感器314，并且被配置为向其控制系统提供传感器数据。在某些情况下，可以选择这些传感器的位置，以便提出机器人300的人形结构。因此，如图3所示，机器人300可以在其头部316内包含视觉传感器(例如，相机，红外传感器，物体传感器，范围传感器等)。
iii.示例性基于挠性的扭矩传感器
如上所述，示例性机器人装置可以包括被配置为使得机器人装置能够执行各种功能和移动的多个关节。例如，机器人装置可以包括膝关节，肘关节和手指关节。这些关节中的一个或多个可以包括用于检测关节的各个部件之间的扭矩的扭矩传感器。
图4a示出了根据示例性实施方式的扭矩传感器400。如图4a所示，扭矩传感器400可以包括定位在静止壳体404和可旋转壳体406之间的环形挠性轮毂402。扭矩传感器400构造成当可旋转壳体406相对于静止壳体404移动时测量扭矩。
图4b示出了根据示例性实施方式的扭矩传感器400的环形挠性轮毂402。如图4b所示，挠性轮毂402可以包括第一静止头部408a，第一可旋转头部408b，第二静止头部408c和第二可旋转头部408d。每个头包括环形挠性轮毂402的环形部分，并且第一静止头部408a和第二静止头部408c在第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d之间逐个交错。挠性轮毂402还可以包括位于第一静止头部408a和第一可旋转头部408b之间的第一间隙410a，第一可旋转头部408b和第二静止头部408c之间的第二间隙410b，第二静止头部408c和第二可旋转头部408d之间的第三间隙410c，以及在第二可旋转头部408d和第一静止头部408a之间的第四间隙410d。第一间隙410a，第二间隙410b，第三间隙410c和第四间隙410d中的每一个的宽度限定了可旋转壳体406和静止壳体402之间的最大旋转。这种构造提供了过载保护的硬停止，可以防止系统的过度应变。如本文所使用的，术语“静止”定义给定部件的相对运动。例如，静止壳体404相对于可旋转壳体406是静止的。因此，静止壳体404是转矩传感器400的输入，并且可旋转壳体406是输出。类似地，静止头部408a，408c中的每一个相对于每个可旋转头部408b，408d都是静止的。示例性机器人系统的致动器可以移动整个扭矩传感器400，从而使静止部件相对于机器人系统的其他部件移动。然而，即使在这种运动期间，转矩传感器400的静止部件相对于转矩传感器400的可旋转部件保持静止。
在一个实施方案中，例如图4b所示的实例中，第一静止头部408a，第二静止头部408c，第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d中的每一个包括相应的多个辐条。然而，在另一实施方案中，第一静止头部408a，第二静止头部408c，第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d中的每一个是实心材料，并且不包括辐条。
环形挠性轮毂402还可以包括在每个头部中的多个切口和通孔。如下面更详细地讨论的那样，切口和通孔可用于将环形挠性轮毂402连接到静止壳体404和可旋转壳体406。在一个特定示例中，如图4b所示，第一静止头部408a可以包括第一切口412a，第一通孔414a，第二切口412b和第二通孔414b。第一可旋转头部408b可以包括第三切口412c，第三通孔414c，第四切口412d和第四通孔414d。第二静止头部408c可以包括第五切口412e，第五通孔414e，第六切口414f和第六通孔414f。类似地，第二可旋转头部408d可以包括第七切口412g，第七通孔414g，第八切口414h和第八通孔414h。在一个示例中，每个通孔414a-414h可以是螺纹的以接收互补的螺栓。
图4c示出了根据示例性实施方式联接到环形挠性轮毂402的静止壳体404。如图4c所示，静止壳体404联接到环形挠性轮毂402的第一静止头部408a和第二静止头部408c。静止壳体404可以以各种方式联接到第一静止头部408a和第二静止头部408c。在一个示例中，第一静止头部408a中的第一通孔414a和第二通孔414b可以各自接收将第一静止头部408a联接到静止壳体404的螺栓。类似地，在第二静止头部408c中的第五通孔414e和第六通孔414f各自可接收将第二静止头部408c连接到静止壳体404的螺栓。
在另一个示例中，静止壳体404可以包括配置成装配在第一切口412a(图4b所示)内的第一突起416a和被配置成装配在第二切口412b内(如图4b所示)的第二突起416b。类似地，静止壳体404可以包括配置成装配在第五切口412e(图4b所示)内的第三突起416c，以及配置成装配在第六切口412f(图4b所示)内)的第四突起416d。虽然关于图4b和4c所示的实施方案包括用于挠性轮毂的每个头部的两个切口和两个互补的突出部，但是单个切口和单个突起也是可能的。在另一个例子中，用于挠性轮毂的每个头部的多于两个切口和两个互补的突起也是有可能的。此外，图4b和4c所示的切口和突起的形状是梯形，但是其他形状也是可能的。此外，可以使用将静止壳体404联接到第一静止头部408a和第二静止头部408c的其它联接机构。
此外，转矩传感器400包括邻近第一可旋转头部408b定位的第一传感器418a和邻近第二可旋转头部408d定位的第二传感器418b。如图4c所示，传感器418a，418b可以邻近挠性轮毂402的外表面定位。这种配置使得转矩传感器400的传感器418a，418b能够检测每单位旋转角度的最大位移。在一个示例中，第一传感器418a和第二传感器418b是线性位移传感器。在另一示例中，第一传感器418a和第二传感器418b是角位移传感器。作为具体示例，第一传感器418a和第二传感器418b可以是磁阻(mr)传感器，磁通门磁强计或霍尔效应传感器。其他的例子也是可能的。
第一传感器418a和第二传感器418b各自包括传感器目标(例如磁体)和传感器部件。在这种示例中，传感器目标可以定位在可旋转头部408b，408d上，并且传感器部件可以定位在与可旋转头部408b，408d相邻的静止壳体404上。在另一示例中，传感器目标可以定位在静止壳体404上，并且传感器部件可以定位在可旋转头部408b，408d上。在又一示例中，传感器目标可以定位在静止壳体404上，并且传感器部件可以被定位在可旋转部件406上，使得没有传感器部件被定位在挠性轮毂402上。在另一个示例中，单个传感器被定位成与可旋转头部408b，408d中的一个相邻。其他配置也是可能的。
图4d示出了根据示例性实施方式的扭矩传感器400的可旋转壳体406。可旋转壳体406联接到第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d。可旋转壳体406可以以各种方式联接到第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d。在一个示例中，第一可旋转头部408b中的第三通孔414c和第四通孔414d可各自容纳将第一可旋转头部408b联接到可旋转壳体406的螺栓420a，420b。类似地，第二可旋转头部408d中的第七通孔414g和第八通孔414h可各自容纳将第二可旋转头部408d联接到可旋转壳体406的螺栓420c，420d。
在另一示例中，可旋转壳体406可以包括构造成装配在第三切口412c内的第一突起422a和被配置成装配在第四切口412d内的第二突起422b。类似地，可旋转壳体406可以包括配置成装配在第七切口412g内的第三突起422c，以及配置成装配在第八切口412h内的第四突起422d。将可旋转壳体406连接到第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d的其它联接机构也是可能的。例如，切口可以在可旋转的壳体上，而突出部可以在环形挠性轮毂上。其他的例子也是可以的。
在操作中，可旋转壳体406构造成相对于静止壳体404旋转。当可旋转壳体406旋转时，第一可旋转头部408b和第二可旋转头部408d随着可旋转壳体406旋转，因为这些部件耦合到可旋转壳体406。静止壳体404，第一静止头部408a和第二静止头部408c随着可旋转壳体406旋转而保持静止。如果可旋转壳体406沿顺时针方向旋转，则第一可旋转头部408b朝向第二静止头部408c移动。这样，第一间隙410a的尺寸增加，而第二间隙410b的尺寸减小。同时，第二旋转头部408d向第一静止头部408a移动。这样，第三间隙410c的尺寸增加，而第二间隙410d的尺寸减小。如上所述，静止头部408a，408c和可旋转头部408b，408d之间的间隙提供了限制基于挠性的扭矩传感器400的旋转量的硬停止。
如果可旋转壳体406沿逆时针方向旋转，则第一可旋转头部408b朝向第一静止头部408a移动。这样，第一间隙410a的尺寸减小，而第二间隙410b的尺寸增加。同时，第二旋转头部408d向第二静止头部408b移动。这样，第三间隙410c的尺寸减小，而第四间隙410d的尺寸增大。
当第一可旋转头部408b移动时，与第一可旋转头部408b相邻定位的第一传感器检测第一可旋转头部408b的旋转运动。类似地，当第二可旋转头部408d移动时，与第二可旋转头部408d相邻定位的第二传感器检测第二可旋转头部408d的旋转运动。扭矩传感器400可以包括或耦合到处理器。这样的处理器可以被配置为组合来自第一传感器418a的第一读数和来自第二传感器418b的第二读数以确定扭矩。例如，处理器可以被配置为使来自第一读数和第二读数的值相加以确定组合读数。处理器可以被进一步配置为将组合的读数除以传感器读数的数量以获得归一化转矩。在图4a，4b，4c和4d所示的配置中，处理器可以被配置为将组合读数除以2(因为具有两个来自传感器418a，418b的传感器读数)以获得归一化的转矩。在这种示例中，传感器数据可以抵消与测量扭矩无关的运动。例如，通过相加来自第一读数和第二读数的值，横向和垂直移动将被抵消，从而仅检测到旋转运动。此外，第一传感器418a和第二传感器418b可以被配置为忽略力矩，使得传感器仅检测旋转运动。
在一个示例中，作为示例，扭矩传感器400可以定位在机器人关节(例如膝关节，肘关节或手指关节)上。示例性关节可以包括第一肢体，第二肢体和扭矩传感器400。在这种构造中，静止壳体404联接到第一肢体，并且可旋转壳体406联接到第二肢体。当第一肢体相对于第二肢体旋转时，扭矩传感器400确定两个肢体之间的扭矩。这样的机器人关节可以与配置成基于装置上确定的扭矩与控制系统通信，该控制系统被构造成控制可旋转壳体406上的旋转输入。在一个示例中，机器人关节可以包括联接到第二肢体的致动器，其中致动器将旋转输入提供给可旋转壳体406。
图5a示出了根据示例性实施方式的另一转矩传感器500。如图5a所示，扭矩传感器500可以包括定位在静止壳体504和可旋转壳体506之间的环形挠性轮毂50。扭矩传感器500构造成当可旋转壳体506相对于静止壳体504移动时测量扭矩。
图5b示出了根据示例性实施方式的扭矩传感器500的环形挠性轮毂502。如图5b所示，挠性轮毂502可以包括第一静止头部508a，第一可旋转头部508b，第二静止头部508c，第二可旋转头部508d，第三静止头部508e，第三可旋转头部508f，第四静止头部508g和第四可旋转头部508h。每个头部包括环形挠性轮毂502的环形部分，并且静止头部508a，508c，508e和508g交错在可旋转头部508b，508d，508f和508h之间。挠性轮毂502还可以包括在第一静止头部508a和第一可旋转头部508b之间的第一间隙510a，第一可旋转头部508b和第二静止头部508c之间的第二间隙510b，第二静止头部508c和第二可旋转头部508d之间的第三间隙510c，第二可旋转头部508d和第三静止头部510e之间的第四间隙510d，第三静止头508e和第三可旋转头部508f之间的第五间隙510e，第三可旋转头部508f和第四静止头部508g之间的第六间隙510f，第四静止头部508g和第四可旋转头部508h之间的第七间隙510g以及第四旋转头部508h与第一静止头部508a之间的第八间隙510h。在一个实现方式中，例如图4b所示的示例，头部508a-508h中的每一个包括相应的多个辐条。然而，在另一实施方案中，头部508a-508h中的每一个是实心材料并且不包括辐条。
如图5b所示，环形挠性轮毂502还可以包括在每个头部中的多个切口和通孔。如上所述，这些配置可以用于将挠性轮毂502的各种部件联接到静止壳体504和可旋转壳体506。
图5c示出了根据示例性实施方式联接到环形挠性轮毂502的静止壳体504。如图5c所示，静止壳体504联接到第一静止头部508a，第二静止头部508c，第三静止头部508e和第四静止头部508g。静止壳体504可以以各种方式联接到静止头部508a，508c，508e，508g，如上面关于图4c所讨论的。
扭矩传感器500包括邻近第一可旋转头部508b定位的第一传感器512a，与第二可旋转头部508d相邻设置的第二传感器512b，与第三可旋转头部508f相邻定位的第三传感器512c，以及定位成与第四可旋转头部508h相邻的第四传感器传感器512d。如图5c所示，如上所述，传感器512a，512b，512c和512d可以邻近挠性轮毂502的外表面定位。作为示例，传感器512a，512b，512c和512d可以是线性位移传感器，角位移传感器，mr传感器，磁通门磁强计或霍尔效应传感器。其他的例子也是可以的。此外，如上所述，传感器512a，512b，512c和512d可以以各种方式定位在扭矩传感器500的各种部件上。
图5d示出了根据示例性实施方式的扭矩传感器500的可旋转壳体506。可旋转壳体506联接到第一可旋转头部508b，第二可旋转头部508d，第三可旋转头部508f和第四可旋转头部508h。如上面关于图4d所讨论的那样，可旋转壳体506可以以各种方式联接到可旋转头部508b，508d，508f，508g。在一个示例中，可旋转壳体506可以包括构造成装配在第一可旋转头部508b(图5b所示)中的对应切口516b内的第一突起514a，其配置成装配在第二可旋转头部508d(图5b所示)中的相应切口516d内的第二突起514b，被配置为装配在第三可旋转头部508f(图5b所示)中的相应切口516f内的第三突起514c，以及配置成装配在第四可旋转头部508h(图5b所示)的相应的切口516h中第四突起514d。用于将可旋转壳体506联接到可旋转头部508b，508d，508f，508g的其它机构也是可能的。
在操作中，可旋转壳体506构造成相对于静止壳体504旋转。当可旋转壳体506旋转时，第一可旋转头部508b，第二可旋转头部508d，第三可旋转头部508f和第四可旋转头部508h由于这些组件联接到可旋转壳体506而与可旋转壳体506一起旋转。随着可旋转壳体506旋转，静止壳体504，第一静止头部508a，第二静止头部508c，第三静止头部508e和第四静止头部508g保持静止。
如果可旋转壳体506沿顺时针方向旋转，则第一可旋转头部508b朝向第二静止头部508c移动。因此，第一间隙510a的尺寸增加，而第二间隙510b的尺寸减小。同时，第二旋转头部508d朝向第三静止头部508e移动。这样，第三间隙510c的尺寸增加，而第四间隙510d的尺寸减小。此外，第三可旋转头部508f朝向第四静止头部508g移动。因此，第五间隙510e的尺寸增加，而第六间隙510f的尺寸减小。最后，第四可旋转头部508h向第一静止头部508a移动。这样，第七间隙510g的尺寸增加，而第八间隙510h的尺寸减小。如果可旋转壳体506沿逆时针方向旋转则发生相反的情况。如上所述，静止头部508a，508c，508e，508g和可旋转头部508b，508d，508f，508h之间的间隙提供了限制基于挠性的扭矩传感器500的旋转量的硬停止。
当可旋转头部508b，508d，508f，508h移动时，传感器512a，512b，512c和512d检测可旋转头部508b，508d，508f，508h的旋转运动。如上所述，扭矩传感器500可以包括处理器，其被配置为组合来自第一传感器512a的第一读数，来自第二传感器512b的第二读数，来自第三传感器512c的第三读数，以及来自第四传感器的第四读数512d来确定系统上的扭矩。例如，处理器可以被配置为将来自第一读数和第三读数中的值相加，并且进一步将来自第二读数和第四读数的值相加。在这种示例中，组合的传感器数据可以抵消与测量扭矩无关的运动。例如，通过将来自第一和第三读数和第二和第四读数的值相加，横向和垂直移动将被抵消，从而仅检测到旋转运动。此外，如上所述，传感器512a，512b，512c和512d可以被配置为忽略弯矩，使得仅传感器检测到旋转运动。处理器可以被进一步配置为通过将相加的值除以2来对第一和第三读数进行归一化。类似地，处理器可以被配置为通过将相加的值除以2来对第二和第四读数归一化。处理器然后可以构造成将两个归一化的值加到一起并将相加的归一化的值除以2。在另一示例中，处理器可以被配置为将来自第一和第三读数和第二和第四读数中的值相加，并将组合的读数除以四(因为具有四个来自传感器512a，512b，512c和512d的传感器读数)以获得归一化的扭矩。其他的例子也是可以的。
图6示出了根据示例实施例的示例扭矩传感器的另一示例性挠性轮毂600。如图6所示，挠性轮毂不必是一个完整的圆。在又一示例中，挠性轮毂可以仅包括两个头部，单个可旋转头部和单个静止头部。在这种示例中，扭矩传感器可以包括构造成使可旋转头部在圆形路径移动的轴承系统。如上所述，这种扭矩传感器将包括邻近可旋转头部定位的传感器。
在另一个实施方式中，扭矩传感器可以包括彼此联接的多个单独的环形弯曲头部。可以使用这种实现方式来以改进的分辨率检测各种扭矩范围。例如，如图7所示，示例的扭矩传感器700可以包括耦合到第二环形挠性轮毂704的第一环形挠性轮毂702。每个环形挠性轮毂702,704可以定位在静止壳体706和可旋转壳体708之间。如图7所示，第一环形挠性轮毂702和第二环形挠性轮毂704是四头挠性轮毂，例如上面在图4a，4b，4c和4d中描述的那些。因此，每个挠性轮毂包括两个可旋转头部和两个静止头部。然而，替代数量的头部也是可能的，例如上面关于图5a，5b，5c和5d描述的八头挠性轮毂。
扭矩传感器700还可以包括邻近第一环形挠性轮毂702的第一可旋转头部定位的第一传感器710a，邻近第二环形挠性轮毂704的第一可旋转头部定位的第二传感器710b，定位成邻近第一环形挠性轮毂702的第二可旋转头部的第三传感器710c，以及邻近第二挠性轮毂704的第二可旋转头部定位的第四传感器710d。传感器710a，710b，710c和710d可以是线性位移传感器，角位移传感器，mr传感器，磁通门磁强计或霍尔效应传感器。其他的例子也是可以的。此外，如上所述，传感器710a，710b，710c，710d可以以各种方式定位在扭矩传感器700的各种部件上。
在一个示例中，第一环形挠性轮毂702可以不如第二环形挠性轮毂704硬。例如，第一环形挠性轮毂702可以由与第二环形挠性轮毂704不同的刚性较小的材料制成。在另一示例中，第一环形挠性轮毂702可以比第二环形挠性轮毂704更薄。因此，第一传感器710a和第三传感器710c可以检测比第二传感器710b和第四传感器710d更小的扭矩。在操作中，当可旋转壳体708旋转时，第一传感器710a和第三传感器710c可以检测第一环形挠性轮毂702的可旋转头部的旋转运动。一旦第一环形挠性轮毂702的可旋转头部和静止头部之间的间隙关闭，第二环形挠性轮毂702的可旋转头部继续移动，并且第二传感器710b和第四传感器710d检测第二环形挠性轮毂702的可旋转头部的旋转运动。
图8示出了根据示例性实施方式配置的非暂时性计算机可读介质。在示例性实施方式，示例扭矩传感器可以与一个或多个处理器，一个或多个形式的存储器，一个或多个输入装置/接口，一个或多个输出装置/接口和机器可读指令通信，该机器可读指令在被一个或多个处理器执行时使机器人装置执行各种功能，任务，能力等。
如上所述，在一些实施方式中，所公开的扭矩传感器可引起示例性机器人关节来执行以机器可读格式在非暂时性计算机可读存储介质上或在其他非暂时性介质或制品上编码的计算机程序指令来实现的动作。图8是示出了根据本文给出的至少一些实现方式布置的示例性计算机程序产品的概念性部分视图的示意图，其包括用于在计算装置上执行计算机进程的计算机程序。
在一个实现方式中，使用信号承载介质802提供示例性计算机程序产品800.信号承载介质802可以包括一个或多个编程指令804，当由一个或多个处理器执行时，可以提供上面关于图1-7描述的功能或功能的一部分。在一些示例中，信号承载介质802可以是计算机可读介质806，例如但不限于硬盘驱动器，压缩盘(cd)，数字视频盘(dvd)，数字带，存储器等。在一些实现方式中，信号承载介质802可以是计算机可记录介质808，例如但不限于存储器，读/写(r/w)cd，r/wdvd等。在一些实现方式中，信号承载介质802可以是通信介质810，诸如但不限于数字和/或模拟通信介质(例如，光纤电缆，波导，有线通信链路，无线通信链接等)。因此，例如，信号承载介质802可以由通信介质810的无线形式传送。
一个或多个编程指令804可以是例如计算机可执行和/或逻辑实现的指令。在一些示例中，诸如图1的处理器102的计算装置被配置为响应于通过一个或多个以上的一个或多个计算机可读介质806，计算机可记录介质808和/或通信介质810传送到处理器102的编程指令804来提供各种操作，功能或动作。
非暂时性计算机可读介质806也可以分布在可以彼此远程定位的多个数据存储元件之间。执行部分或全部存储的指令的装置可以是包括计算装置的扭矩传感器。在另一示例中，执行部分或全部存储的指令的装置可以是包括计算装置的机器人装置。或者，执行部分或全部存储的指令的装置可以是与示例性机器人装置无线通信的基于云的计算装置。
在这里的一些示例中，操作可以被描述为用于执行功能的方法，并且方法可以体现在计算机程序产品(例如，有形计算机可读存储介质或非暂时性计算机可读介质)上，其包括可执行以执行所述功能的指令。
iv.结论
本文描述的布置仅为了示例的目的。因此，本领域技术人员将理解，可以代替地使用其他布置和其他元件(例如机器，接口，操作，顺序和操作分组等)，并且根据期望的结果可以省略一些元件。此外，所描述的许多元件是可以以任何合适的组合和位置被实现为离散或分布式组件或与其它组件结合，或被描述为独立结构的其他结构元件可以组合。
虽然本文已经公开了各种方面和实施方式，但是本领域的技术人员将了解其他方面和实施方案。本文公开的各个方面和实现方面是为了说明的目的，而不是限制性的，其真实范围由所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围所指示。此外，本文使用的术语仅用于描述特定实现方式的目的，而不是限制性的。
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