彈性力矩傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種傳感器，特別是一種彈性力矩傳感器，兼?zhèn)湮锢韽椥院透兄亍?br>【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已經(jīng)作為一種與現(xiàn)代科學(xué)密切相關(guān)的新興學(xué)科 得到了迅速發(fā)展，在工業(yè)控制、交通運(yùn)輸、消費(fèi)電子、醫(yī)療診斷、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛 地應(yīng)用，并且還促進(jìn)了各個(gè)學(xué)科的發(fā)展。
[0003] 傳感器種類繁多，原理也各式各樣，其中以電阻應(yīng)變式傳感器最為常見。尤其是力 和力矩傳感器，作為一種結(jié)構(gòu)型傳感器，已經(jīng)在許多需要測(cè)量力或力矩的領(lǐng)域得到了大量 應(yīng)用。它的原理是利用結(jié)構(gòu)參數(shù)變化來感受和轉(zhuǎn)化信號(hào)，而電阻應(yīng)變式傳感器則是利用金 屬材料發(fā)生彈性形變時(shí)電阻的變化來轉(zhuǎn)化電信號(hào)的。然而，盡管這類傳感器是通過彈性體 變形來進(jìn)行測(cè)量且測(cè)量精度比較高，但由于彈性體的變形量非常小，與接觸面間的剛性很 大。為了滿足瞬間受到的沖擊力，傳感器的結(jié)構(gòu)需要保證有足夠的余量來抵抗外部的沖擊 力，因此設(shè)計(jì)時(shí)的體積和重量相對(duì)較大。
[0004] 近年來，有一種串聯(lián)彈性執(zhí)行器(SEA)和變剛度串聯(lián)彈性執(zhí)行器(VSA)受到了廣泛 關(guān)注。這種關(guān)節(jié)執(zhí)行器相比傳統(tǒng)關(guān)節(jié)的優(yōu)勢(shì)在于它在電機(jī)與負(fù)載端嵌入了低阻抗的彈簧， 通過檢測(cè)執(zhí)行器與負(fù)載間的角度或位移，結(jié)合彈簧的物理特性，計(jì)算獲得負(fù)載所承受的力 和力矩值，從而實(shí)現(xiàn)力或力矩的測(cè)量和控制。相對(duì)于上文所述的力矩傳感器結(jié)構(gòu)和工藝相 對(duì)比較簡單。其主要特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上通過彈簧或平面扭簧等部件代替結(jié)構(gòu)梁，在測(cè)量方面 是通過角度傳感器或位移傳感器代替應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。
[0005] 其中作為彈性元件的彈簧或平面扭簧的設(shè)計(jì)成果相對(duì)已經(jīng)較多，比如開2001_ 304316A，US6983924，US8176809B2，US2014/0045600A1，CN102632508B，CN103836101A#，& 及論文ANovel Compact Torsional Spring for Series Elastic Actuator for Assistive Wearable Robots和Actuator Control for NASA-JSC Valkyrie Humanoid Robot:ADecouple Dynamics Approach for Torque Control of Series Elastic Robots 中都提到各種平面扭簧的設(shè)計(jì)。以平面扭簧作為彈性元件可以使得設(shè)計(jì)更加靈活，可以根 據(jù)需求設(shè)計(jì)出所需的彈性系數(shù)，且所占空間較小，在對(duì)重量和體積具有嚴(yán)格要求的場合中 可以有更加靈活地應(yīng)用。但是平面扭簧在材料選擇、形狀設(shè)計(jì)、冷熱加工工藝的制定、以及 使用壽命等方面也存在諸多挑戰(zhàn)。比如平面扭簧的彈性體(或彈性梁）由于反復(fù)交變應(yīng)力作 用，容易導(dǎo)致疲勞而斷裂;平面扭簧的彈性體(或彈性梁）的彈性系數(shù)會(huì)隨著使用時(shí)間變化 而發(fā)生改變，結(jié)合SEA或VSA的控制方法，如果彈性系數(shù)發(fā)生率改變，那么轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度輸 出的力矩也將改變，對(duì)于未能進(jìn)行參數(shù)校正的平面扭簧，上述所帶來的問題是如何對(duì)斷裂 的彈簧進(jìn)行故障檢測(cè)，以及如何實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性系數(shù)的定期檢測(cè)和校正，以及確保精密的測(cè)量 和精確的控制。專利號(hào)CN105058414A針對(duì)上述問題提出了一種具備故障檢測(cè)和參數(shù)校正功 能的平面扭簧裝置，但是由于所述裝置是力矩傳感器和平面扭簧的集成，尤其是力矩傳感 器的應(yīng)用，使其在體積、重量和成本等方面的改善受到限制。因此，本發(fā)明將針對(duì)上述存在 的問題，提出一種柔性力矩傳感器，用于檢測(cè)力矩信號(hào)的同時(shí)可以大大降低傳感器的開發(fā) 和使用成本，以及降低傳感器的體積和重量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種彈性力矩傳感器，它提供了兩 種基本功能，一方面通過在平面扭簧內(nèi)嵌入力矩檢測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)校正平面扭簧彈性體的 彈性系數(shù)，并分析和獲得平面扭簧的工作狀態(tài)；另一方面，在力矩傳感器外圍增加彈性體， 降低了傳感器本體的阻抗，提高了傳感器與接觸環(huán)境間的柔順性和安全性。前者檢測(cè)彈性 體的工作狀態(tài)，有助于確保彈性體彈性系數(shù)的準(zhǔn)確性，尤其是當(dāng)該彈性體的變形量被用作 控制輸入時(shí)，準(zhǔn)確的彈性系數(shù)是實(shí)現(xiàn)位置/速度控制和力/力矩控制的基本保障，相比于傳 統(tǒng)的平面扭簧，嵌入力矩傳感器后對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和校正彈性體參數(shù)更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值;后者 從力矩傳感器角度出發(fā)，通過在其周邊增加一層彈性體，使得力矩傳感器可以在剛度和阻 抗之間進(jìn)行平衡，選擇合適的彈性體，使得所需的剛度和阻抗?jié)M足使用需求，相比于傳統(tǒng)的 力矩傳感器具有更寬泛的性能范圍，當(dāng)彈性體設(shè)計(jì)成完全剛性時(shí)，本發(fā)明的傳感器與傳統(tǒng) 的力矩傳感器并無差異，但是當(dāng)彈性體設(shè)計(jì)成具有一定彈性時(shí)，本發(fā)明的傳感器相比傳統(tǒng) 的力矩傳感器而言，剛性降低，但是阻抗降低了，而具體的剛性和阻抗可以根據(jù)具體的應(yīng)用 要求進(jìn)行人為設(shè)計(jì)，而不會(huì)受限于購買的傳感器本體的限制。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種彈性力矩傳感器，它由傳感器 外圈、若干彈性體、傳感器內(nèi)圈、內(nèi)圈應(yīng)變片、若干連接梁、連接梁應(yīng)變片和中心基座組成； 其中，所述彈性體沿圓周均勻分布，兩端分別連接傳感器外圈和傳感器內(nèi)圈;每個(gè)彈性體由 對(duì)稱的兩個(gè)彈性體單元組成;所述傳感器內(nèi)圈與中心基座之間均勻設(shè)置連接梁;所述每個(gè) 連接梁的表面均粘貼連接梁應(yīng)變片，連接梁應(yīng)變片沿連接梁的軸向方向粘貼;所述傳感器 內(nèi)圈的上下表面均粘貼內(nèi)圈應(yīng)變片，所述內(nèi)圈應(yīng)變片沿傳感器內(nèi)圈的圓周方向均勻分布， 相連兩片連接梁應(yīng)變片的對(duì)稱中心處粘貼一對(duì)內(nèi)圈應(yīng)變片;所述傳感器外圈上均勻分布若 干螺孔，用于固定和安裝傳感器;所述中心基座上均勻分布若干安裝孔，用于固定和安裝傳 感器。
[0008] 作為一種優(yōu)選方案，所述彈性體單元的形狀為由兩個(gè)半徑不等的圓弧拼接而成的 3型。
[0009] 作為一種優(yōu)選方案，所述彈性體單元的形狀為由兩個(gè)半徑相等的圓弧拼接而成的 3型。
[0010] 作為一種優(yōu)選方案，所述彈性體單元的形狀為B型。
[0011] 作為一種優(yōu)選方案，所述彈性體的數(shù)量為3對(duì);所述連接梁的數(shù)量為3個(gè)。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明充分利用平面扭簧和力矩傳感器的優(yōu)勢(shì)，通過嵌入 力矩傳感器對(duì)平面扭簧的彈性體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和校正，以確保正確的彈性系數(shù)，提高控制的性 能和人機(jī)安全交互的安全性，避免在彈性體在反復(fù)交變下發(fā)生疲勞斷裂，從而造成性能上 的突變，對(duì)工業(yè)應(yīng)用或機(jī)器人交互控制等造成破壞，同時(shí)力矩傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也將被應(yīng) 用于平面扭簧設(shè)計(jì)、加工和工藝等方面的數(shù)據(jù)分析，對(duì)平面扭簧的迭代設(shè)計(jì)和性能提升提 供直接的數(shù)據(jù)參考，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的價(jià)值；同樣，通過在力矩傳感器外部增加彈性 體，使得力矩傳感器在剛性和阻抗間可以根據(jù)需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而達(dá)到滿足性能指標(biāo) 的要求。力矩傳感器一般具有額定力矩和最大力矩的限制，由于力矩傳感器的剛性非常大， 為了能夠抵抗外部的短時(shí)沖擊，力矩傳感器梁的設(shè)計(jì)需要滿足一定的承受力，而本發(fā)明的 柔性力矩傳感器由于外圍的彈性體本身對(duì)沖擊具有一定的過濾作用，因此作用在內(nèi)部力矩 傳感器的短時(shí)沖擊力也會(huì)大大降低，相比于傳統(tǒng)的力矩傳感器在相同材料下設(shè)計(jì)的體積和 重量也會(huì)明顯下降，可以在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足需求力矩量程的力矩傳感器。同時(shí)，采用 應(yīng)變片的方式相比于采用商用的力矩傳感器可以大大降低使用的成本。
【附