[发明专利]一种单轴力矩传感器及其敏感方法

说明书

本发明公开了一种单轴力矩传感器及其敏感方法，一种单轴力矩传感器，包括第一螺纹孔、第二螺纹孔、外环、内环、应变梁和石英振梁芯片，外环与内环通过三个或以上的应变梁连接，石英振梁芯片两个一组，两端分别粘接在外环、内环或应变梁上，通过差分的方法敏感内环与外环的相对转动。由于石英芯片具有极高的灵敏度，内外环只需要发生微小的相对转动即可进行敏感，因此，可以在保证高精度的同时，极大的提高弹性体的扭转刚度，减小其工作时的自身变形，在敏感力矩的同时保证机器人的定位精度，扩展其使用范围。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种单轴力矩传感器及其敏感方 法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，机器人对外界的感知能力在不断提高，新型 的工业机器人不再是单独的待在围栏中做一些单一重复的搬运、焊接等工作， 他们需要与人类进行协同工作，需要像人类的手臂一样更加灵活自主的代替 以人工作业为主的装配分拣及打包工作，而在这其中力矩传感器发挥着至关 重要的作用，它能够实时监测机器人各个关节处的扭矩，然后利用力矩传感 器实时反馈回来的数据与机器人动力学模型，可以实时监测机械臂与机器人 是否发生了碰撞，从而采取相应的保护措施，实现机器人的柔性以及机器人 的人机协作。

此外力矩传感器的刚度与机器人关节的定位精度紧密相关。由于机械臂 的放大效应，弹性体极小的角度变形，也将导致机械臂末端的极大位移。

机器人关节单轴力矩传感器，其目前主流的检测方式是采用金属或半导 体应变片检测内外环间的应变梁的剪切应变，从而得出传感器的力矩输出。 由于应变片的灵敏度较差，需要通过降低弹性体扭转刚度来提高应变梁的变 形量。而为了降低扭转刚度，应变梁结构尺寸进行相应变化，又会导致其他 方向的刚度显著下降。采用应变片检测的力矩传感器，由于其各向刚度较低， 限制了其应用范围和方式，因此很有必要设计一种单轴力矩传感器来解决这 些问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种单轴力矩传感器及其敏感方法，可以有 效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种单轴力矩传感器，包括第一螺纹孔(1)、第二螺纹孔(2)、外环(3)、 内环(4)、应变梁(5)和石英振梁芯片(6)，其特征在于：所述外环(3) 上间隔均匀的设置有若干个第一螺纹孔(1)，所述内环(4)上间隔均匀的设 置有若干个第二螺纹孔(2)，所述外环(3)与内环(4)通过两个或两个以 上的应变梁连接，所述石英振梁芯片(6)在测量点成对安装，两端分别粘接 于外环(3)、内环(4)、应变梁(5)之间，敏感外环(3)、内环(4)和应 变梁(5)相互间的相对转动。

一种单轴力矩传感器的敏感方法具体为：

S1、当有垂直于盘面方向的力矩作用时，内环(4)与外环(3)间发生 微小的相对扭转，且力矩的大小与扭转量成正比；

S2、当内外环发生相对扭转时，在每个测量点，石英振梁芯片(6)的长 度一个被压缩，一个被拉伸；

S3、当石英振梁芯片(6)被拉伸或压缩时，其谐振频率发生变化，通过 匹配电路测量两个石英振梁芯片(6)的谐振频率的增加或降低的值，可以得 到其长度形变量，即是内环(4)与外环(3)的相对转动变形量；

S4、通过将芯片对中两个芯片的频率变化量相减求差，可以消减温度等 共模误差的影响，大幅提高内环(4)与外环(3)的相对转动变形量的测量 精度；

S5、通过对相对盘面中心径向对称布置的两对石英振梁芯片(6)的输出 进行平均，可以消减测量点切线方向力的干扰；

S6、通过三对或三对以上径向布置的石英振梁芯片(6)的输出进行解耦 分析，可以进一步消除平行于盘面的力的干扰，提高测量的精度；

S7、通过进行温度补偿，可以进一步提高测量准确性。