具有适度柔性的高可靠性扭矩传感器的制作方法

优先权

本申请根据美国法典35u.s.c.§119(e)要求于2017年8月25日提交的申请号为62/550,388，名称为“具有适度柔性的高可靠性扭矩传感器”的美国临时专利申请的优先权，以及要求于2018年8月22日提交的第62/721,377号，名称为“具有适度柔性和过载保护的高可靠性扭矩传感器”的美国临时专利申请的优先权，它们的内容通过引用整体并入本文。

背景技术：

机器手臂在很多产业中用于辅助制造、组装、研究和其他操作。在某些应用中，使用基于扭矩控制的机器人手臂是有利的，该机器人手臂利用扭矩测量来控制机器人手臂的运动。例如，基于扭矩控制的机器人手臂可以实现更有效的实时计划方法，以可以用于与复杂的制造环境进行交互并完成复杂的任务。该机器人手臂依赖于精确的扭矩测量，因此，高质量的扭矩传感器通常是基于扭矩控制的机器人手臂的关键组成部分。

技术实现要素：

本文所公开的装置提供了低成本的扭矩传感器设计，其具有高精度、优异的紧凑性、适度的柔性、低重量及有效的过载保护机构。在一个示例中，提供了一种扭矩传感器，该扭矩传感器包括：由鲁棒(robust)材料制成的可变形板，包括内部部件和外部部件；一个或多个弹性元件，其中一个或多个弹性元件连接内部部件和外部部件；以及至少一个信号对，其中每一信号对包括信号发射器和信号接收器。

在另一示例中，一个或多个弹性元件还包括至少一个蛇形(serpentine-shaped)的弹性元件，弹性元件在内部部件和外部部件之间沿切线方向延伸。在另外的示例中，当围绕扭矩传感器的中心轴线施加的扭矩超过扭矩传感器的最大扭矩阈值时，蛇形的弹性元件与外部部件和内部部件中的一个或者两个形成多个接触。在又一另外的示例中，弹性元件包括至少两个蛇形的弹性元件，这些弹性元件关于可变形板的中心径向对称。

在另一示例中，信号对的信号发射器安装在可变形板上。在另外的示例中，信号对的信号检测器安装在转换器(transducer)安装板上。在又一另外的示例中，扭矩传感器还包括位于转换器板和可变形板的外表面上的至少一个传感器屏蔽壳，以覆盖信号发生器和信号检测器对。

在另一示例中，扭矩传感器还包括转换器安装板，该转换器安装板刚性地连接到可变形板的内部部件。在另外的示例中，一个或多个弹性元件还包括多个梁结构，多个梁结构将内部部件连接到外部部件。在又一另外的示例中，扭矩传感器还包括多个硬止挡销，在当施加到扭矩传感器的扭矩超过预定阈值时，硬止挡销与位于可变形板上的停止装置接合。

在另一示例中，扭矩传感器还包括多个调零销和多个调零销槽，当多个调零销与多个调零装置接合时，扭矩传感器的旋转被限制在较小的调零范围。

本文中所描述的特征和优点并非穷举，特别地，鉴于附图和描述，许多附加特征和优点对于本领域普通技术人员而言是明显的。此外，应注意的是，说明书中所使用的语言主要是出于可读性和指导性目的而选择的，并不限制本申请主题的保护范围。

附图说明

图1示出了根据本发明的示例性实施例的传感器组件。

图2示出了根据本发明的示例性实施例的可变形板。

图3示出了根据本发明的示例性实施例的扭矩传感器组件。

图4示出了根据本发明的示例性实施例的扭矩传感器组件的截面视图。

图5示出了根据本发明的示例性实施例的扭矩传感器组件的调零机构。

具体实施方式

已知的扭矩传感器包括基于应变仪的扭矩传感器和在串联弹性驱动器(简称sea)中的感应机构。这些已知技术都具有某些缺点。例如，基于应变仪的传感器需要复杂的信号调节，并且不具备理想的过载保护。此外，sea需要复杂的机械部件，并为系统引入了显著的柔性要求。

另外，已知的扭矩传感器通常太软或者太硬。这些问题可能会损害控制系统的响应时间或者降低传感器的可靠性和信噪比。太软的传感器通常包括用于储存能量的多个弹性元件。这些弹性元件的尺寸通常较大。太硬的传感器通常是基于应变仪的传感器，并且具有较差的过载保护，因此当施加的扭矩超过传感器感应范围内的最大扭矩时，传感器可能会发生损坏。基于应变仪的传感器是最常见的类型，其易受到制造公差和温度变化的影响，并且通常需要复杂的信号调节，而信号的调节通常由单独的设备来执行。在冲击力和扭矩的作用下，应变仪及其与机械结构的固定会经历信号蠕变，从而在使用期间导致测量随着时间发生偏离。

根据本申请的示例，解决先前存在的扭矩传感器的这些问题的一种新颖方案是提供可变形板，该可变形板具有连接该可变形板的内部部件和外部部件的弹性元件。在给定的扭矩感应范围中可优化该弹性元件的刚度，从而避免软的传感器和硬的传感器存在的问题。例如，弹性元件可以是蛇形的或者可以具有弹性梁结构。另外，在某些配置中，当扭矩超过最大扭矩时，弹性元件可以与可变形板的外部部件和/或内部部件接触，或者弹性元件可以与多个硬止挡销钉接触。在这种扭矩被施加时，这种接触可以显著地增加弹性元件的刚度，从而提供更好的过载保护。又或者，传感器组件可以包括一个或多个硬止挡销钉，其被配置为当施加的扭矩超过给定阈值时起作用，从而提供过载保护。另外，可以使用极性相反的磁体在转换器(transducer)附近产生线性磁场，转换器用于测量信号，该信号指示所施加的扭矩。这种配置有助于降低信号噪音，从而实现足够的信号灵敏度。

图1是根据本申请的传感器组件100的示例性实施例。传感器组件100包括可变形板104和转换器板112。在某些实施例中，可变形板104和转换器板112可以由一种或多种高鲁棒性材料制成，例如铝合金、钛合金和不锈钢合金。可变形板104可以按照一体式二维弯曲的结构设计，其具有利用弹性元件连接的内部部件120和外部环122，弹性元件包括弹性元件116、118。

安装结构106、124可以设置在内部部件120和外部部件122上。如图所示，安装结构106、124可以包括一种或多种圆形安装孔的形式，或者安装结构也可以包括螺纹孔、销钉、铆钉、楔形物或者配合传感器几何形状的形式，用于形成接触以及传递扭矩和力。安装结构106、124可以用于施加、测量，和在传感器组件100和连接部分(例如，机械臂的其他部分)之间输出扭矩传递。例如，如果在内部部件120处施加扭矩，则围绕内部部件120的安装结构106可用于施加扭矩，而在外部部件122附近的安装结构124可用于测量和/或输出扭矩。反之，如果在外部部件122处施加扭矩，则安装结构124可以施加扭矩，而安装结构106可用于测量和/或输出扭矩。

转换器板112可以在内部部件120处并与可变形板104刚性地连接。例如，转换器板112可以仅通过在内部部件120附近的安装结构106与可变形板104固定连接。在某些实施例中，信号检测器可以安装在转换器安装口(pocket)102中(例如，如图2所示，靠近在槽204中的传感器电路108)，信号发生器可以安装在可变形板104中(例如，图2中所示的信号发射器212)。信号检测器可以用于检测信号，该信号由一个或多个传感器电路108(例如，信号发射器212)响应于施加到传感器组件100的扭矩而产生。例如，信号检测器可以配置为检测由信号发生器产生的磁信号、光信号或电容信号的一种或多种。为了在操作期间保护传感器电路108，传感器组件100还可以包括一个或多个传感器屏蔽壳110、126。在一些实施方式中，如果使用磁信号，则传感器屏蔽壳110、126可以由高磁导率材料制成(例如，muco-超透磁合金,超级镍铁高导磁合金,sanbold,钼坡莫合金,铁硅铝磁合金,m-1040,hymu-80,以及amumetal)。在其他实施方式中，如果使用光学信号，则传感器屏蔽壳110、126可以由光阻材料制成(例如，不透明塑料，金属，或者橡胶)。尽管可变形板104和转换器板112在图1中分别地绘出，但是在某些实施例中，可变形板104和转换器板112可以为单个加工成型的部件。

在操作中，可变形板104和转换器板112之间的任何周向位移将会引起信号发生器和信号检测器之间的相对位移。如图1所示，传感器屏蔽壳的两部分110、126安装在转换器板112的外表面上。传感器屏蔽壳的部分110、116覆盖在可变形板104上的信号发生器和信号检测器的周围，但是在组装传感器组件100时，在传感器屏蔽壳110、126和信号发生器及信号检测器之间留下小的间隙。该间隙有助于避免操作中传感器屏蔽壳110、126与信号发生器及信号检测器之间的直接接触。传感器屏蔽壳110、126保护任何已产生的信号不被信号发生器之外的因素改变，例如磁干扰或者光干扰。如上所述，可以基于将要使用的信号类型来选择用于制造传感器屏蔽壳110、126的材料。传感器电路108可以安装在转换器板112上并由传感器屏蔽壳110、126保护，以抑制来自于环境的潜在干扰，例如磁干扰或者光干扰。传感器电路108可以包括光学传感器、磁传感器(例如，霍尔效应传感器)、电容传感器和能够检测小的位移的类似传感器中的一个或多个。

图2示出了根据本发明的实施例的两个示例性可变形板200、222。可变形板200、222可以用于扭矩传感器组件，例如传感器组件100中。在某些实施例中，可变形板104可以实施为可变形板200、222中的一个。两个可变形板200、222都是平面设计，并且可以利用例如电火花加工方法(electricaldischargemachining，简称edm)、水射流切割方法或者激光切割方法加工。每个可变形板200、222均包括通过一个或多个弹性元件206连接的内部部件224、228和外部部件226、230。弹性元件206可以关于可变形板200、222的中心径向对称。可以选择弹性元件206的几何形状以优化可变形板200、222中的能量存储能力，并为信号检测器提供足够大的变形，以便于正确地检测由在扭矩负载下的信号发生器所产生的在传感器组件100的感应范围内的信号。图2示出了一种示例性弹性元件206的设计，弹性元件206是蛇形状，其在内部部件224、228到外部部件226、230之间延伸，且分别与内部部件224、228和外部部件226、230相切。另一种可能的弹性元件206设计是在内部部件224、228和外部部件226、230之间的非蛇形弹性梁(beam)。例如，梁可以具有变化的或者固定的宽度。包括弹性梁的实施例将在下文中结合图3、图4和图5进行讨论。弹性元件206的设计可以被优化以支持特定的负载或变形要求。例如，蛇形弹性元件206可以增加更多的弯曲结构以增加变形量，或者，如果弹性元件206需要承受较高的负载时则使用较少的弯曲结构。在其他示例中，弹性梁可以选择一端较厚以承受较大的扭矩负载，另一端则可以较薄以提供足够的变形量。

弹性元件206(例如蛇形弹性元件206)也可以设计成使得，当施加根据扭矩传感器组件100的扭矩感应范围的最大扭矩时，弹性元件206与内部部件224、228和外部部件226、230在接触点210、208处物理接触。这种现象可以大幅提高在内部部件224、228和外部部件226、230之间的弹性元件206的刚度，并且可以作为过载保护机构以防止大于最大扭矩的扭矩负载损坏可变形板200、222或者传感器组件100。

可变形板200、222还包括信号发生器202和信号检测器，通过选择它们的配置以实现良好的灵敏度。例如，如图2中所示，可变形板222的信号发生器202包括两个具有相反极性的磁体212、214，该两个磁体212、214安装在转换器空隙口204的两侧上的两个小口(pocket)中。这种配置的磁体212、214产生线性磁场216。对应于传感器组件100中的可变形板200、222的转换器板112可包括霍尔效应转换器，霍尔效应转换器安装在转换器板112上(例如，在转换器安装口102中)，其从转换器板112的表面平面延伸出来。转换器可以位于可变形板200、222的转换器空隙口204内。在某些实施例中，这种布置可以使在感应区域(例如，转换器空隙口204)中的磁场216足够大以能够产生合适的信号。在这种定向方式下，转换器沿着磁场216移动(即，平行于磁场216的感应线)。其他实施例中可以替代地配置为使得转换器垂直于磁场移动(即，穿过磁场216的感应线)。在某些实施方式中，可以配置一对以上的信号发生器和信号检测器以产生差分信号，从而更好地抑制噪音。

图3示出了扭矩传感器组件300，其包括：h形配置的弹性元件302，信号发射器和接收器对，相应的屏蔽结构308，多个硬止挡销钉310。h形配置的弹性元件302具有两个弹性盘和刚性杆或管314，刚性杆或管314在弹性元件302的内部部件处通过中间将两个盘连接在一起的，当从侧面看时形成图1中的旋转了90度的h形。每个弹性盘均具有多个梁结构304，梁结构304将中心杆或管314和扭矩传感器组件300的外部部件连接，安装结构306位于外部部件上。弹性元件302的h形配置使得能够制造出没有可以引入滞后现象和后冲的连接点的单个机加工部件。通过利用用于扭矩偏转的多个弹性元件302，增加了扭矩传感器组件300的能量密度，同时还减轻了施加到扭矩传感器组件300的最大应力。

如图4所示，多个信号发射器316和信号接收器318对可以安装在弹性元件302上，并位于屏蔽结构308内。在一个示例中，如图4所示，信号发射器316可以是安装在一个弹性元件302上的永磁体，信号接收器318可以是固定在接收器托架320上的霍尔效应传感器，接收器托架320安装在另一个弹性元件上。当对在两个弹性元件302的外边缘上的安装结构306施加轴向扭矩时，每个弹性元件302的梁结构304均发生偏转，使得弹性元件302的两个盘相对于彼此轴向地旋转。如上所述，梁结构304可以优化成具有变化的宽度、厚度或者蛇形状，用于更高的能量存储和更低的刚度。作为结果，通过信号发射器316和信号接收器318对来检测梁结构304的偏转和导致的弹性元件302的旋转，由此可以计算扭矩。如图所示，传感器组件300具有在弹性元件302之间以180度安装的两个信号发射器316和信号接收器318对。如此定向的两个信号对使得当梁结构304在纯扭矩作用下偏转时，它们具有相反的信号变化趋势。然而，当任一轴线上的弯矩施加到组件时，信号对的信号变化趋势相同。类似地，在平行于盘的剪切力的情况下，任一信号对的信号电平均不会发生改变。另外，由轴向力所引起的信号改变可以由附加的信号对和外围的安装结构来补偿。两个信号对由温度变化所引起的信号变化的趋势也相同。由于这种配置，施加到传感器组件300上的纯扭矩可以在来自于信号对的读数之间使用差分方法来计算。

一些屏蔽结构308对将信号发射器316和信号接收器318对封闭在内部，以防止来自外部环境的干扰和干涉。屏蔽结构308可以由此显著地改善系统300的精确度和信噪比。硬止挡销钉310的一端可以安装到弹性元件302的下盘，销钉310的另一端相对于弹性元件302的上盘浮动。当施加过大的扭矩时，大的偏转会导致销钉310的浮动端与弹性元件302的上盘接触，从而防止进一步的偏转。该过载保护显著地降低了弹性元件302的屈服、滞后和疲劳风险。

由于制造公差和组装缺陷，信号发射器316和信号接收器318对的初始相对位置不能保证实现零信号电平。在某些情况下，初始信号电平可能偏离使得信号输出在施加满量程扭矩前就明显饱和，从而降低了精确度和传感器范围。如图5所示，销钉324和槽孔322的组合可以实施为补偿该初始信号误差。销钉324可以固定在下部的弹性元件302上，其一端伸入到接收器托架320上的稍大的槽孔322中。在其他的实施例中，可以使用在弹性元件上使用槽来取代孔的设计。在另一实施例中，销324可以固定到接收器托架320以实现相同的效果。作为结果，接收器托架320和信号接收器318在两个销钉之间可以一起轻微地移动，并且这种移动可以用来识别零信号位置。一旦定位，接收器托架320可以例如用粘合剂、紧固硬件、螺钉、螺栓而刚性地安装在下盘上。

上述的扭矩传感器设计具有以下优点：(1)对于期望的扭矩负载的最佳柔性；(2)过载保护可以减少扭矩传感器组件100、300在经受远大于传感器感应范围的扭矩之后需要重新校准的次数；(3)产生最佳磁场或者其他感应场来产生足够的信号；(4)提供对磁、光、电容和其他信号干扰的有效屏蔽；(5)更低的成本和更可靠的可制造性；(6)在部署传感器时就已改善了制造公差的补偿；(7)利用差分法良好地抑制了轴间串扰；(8)良好的温度变化稳定性；以及(9)低成本。

应该理解的是，这里所描述的示例的各种改变和修改对于本领域技术人员来说是明显的。可以在不脱离本申请的精神和范围的情况下进行这些改变和修改，并且不会减少其预期的优点。因此，其旨在由所附的权利要求覆盖这些改变和修改。