[发明专利]一种基于结构解耦的电容式力矩传感器

说明书

本发明公开了一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，它由解耦部分和力矩检测部分组成。解耦部分包括外压紧法兰、内压紧法兰、交叉滚子轴承和力矩输入法兰；力矩检测部分包括传感器主体和印制电路板；解耦部分的交叉滚子轴承的轴承外圈由外压紧法兰和内压紧法兰压紧并通过螺栓固定于传感器外圈上，交叉滚子轴承的轴承内圈安装于传感器内圈上并由力矩输入法兰压紧。本电容式力矩传感器，具有结构解耦功能，高灵敏度、高准确性、高可靠性等特点，其通过具有交叉滚子轴承的机械解耦结构降低现有力矩传感器在受到倾覆力矩、轴向压力和径向压力等力/力矩时与待测力矩发生力耦合效应而造成的测量误差影响，来实现对待测力矩的准确检测。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于结构解耦的电容式力矩传感器。

背景技术

目前，国内外已对力矩传感器进行了大量研究，在机器人柔顺控制、阻抗控制、碰撞检测以及拖动示教等多种控制领域得到了广泛的应用，为机器人的力控制提供了力感信息，对实现机器人的人机融合协作具有重要意义。

目前国内外提出了许多力矩传感器用于检测力矩值，然而力矩传感器在各种工况下工作时，易受到倾覆力矩、轴向压力和径向压力等力/力矩的影响，与待测力矩产生力耦合效应而造成一定的测量误差，降低了传感器测量的准确性和可靠性，以及对安装结构、安装工艺提出了较高的要求。为此，本发明针对上述存在的问题，提出一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，用于准确检测力矩信号。所发明的力矩传感器具有自动克服各种工况下倾覆力矩、轴向压力和径向压力等非待测力/力矩对测量准确性的影响，能够利用所设计的结构避免力矩传感器所受到的各种力/力矩产生力耦合效应，实现对待测力矩的准确测量。且在安装本力矩传感器时无需考虑力耦合效应的影响，不需要特定的、复杂的安装结构，降低了安装要求。

发明内容

本发明的目的在于，克服力矩传感器在各种工况下受到的倾覆力矩、轴向压力和径向压力等力/力矩与待测力矩发生力耦合效应而造成的测量误差问题，设计一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，以自动克服力耦合效应影响，降低力矩传感器的安装结构和安装要求，实现对力矩的准确检测。

为实现上述目标，本发明的主要技术方案如下：

一种基于结构解耦的电容式力矩传感器，其特征在于它至少包括解耦部分和力矩检测部分。

所述解耦部分至少包括外压紧法兰1、内压紧法兰2、交叉滚子轴承16和力矩输入法兰19，所述交叉滚子轴承16至少包括轴承外圈15和轴承内圈17。所述解耦部分的交叉滚子轴承16的轴承内圈17安装于传感器内圈10上，并由通过螺栓固定于传感器内圈10上的力矩输入法兰19压紧；所述解耦部分的交叉滚子轴承16的轴承外圈15由外压紧法兰1和内压紧法兰2压紧，外压紧法兰1通过螺栓固定于内压紧法兰2上，内压紧法兰2通过螺栓固定于传感器外圈13上。所述外压紧法兰1和内压紧法兰2之间留有间隙14，使外压紧法兰1能够压紧轴承外圈15；所述力矩输入法兰19和传感器内圈10之间留有间隙18，使力矩输入法兰19能够压紧轴承内圈17。所述结构解耦部分中的交叉滚子轴承(16)可采用内置十字型交叉滚子轴承。

所述力矩检测部分至少包括传感器主体3和印制电路板11。所述传感器主体3由传感器外圈13、传感器内圈10、变形梁12和负电极6组成。传感器内圈10作为力矩输入端，传感器外圈13作为力矩输出端，传感器内圈10和传感器外圈13至少由四个呈轮辐式分布的变形梁12连接。负电极6与传感器内圈10连接，且负电极6至少具有四个。所述力矩检测部分的印制电路板11至少包括正电极5、环形孔7和电容输出端口8；力矩检测部分的印制电路板11通过环形孔7固定于传感器外圈13上；正电极5至少具有四个，且分别与负电极6相互垂直构成至少四个电容器4。当待测力矩作用在力矩输入法兰19上并传递到传感器内圈10上时，传感器内圈10和传感器外圈13之间形成力矩差，在力矩差作用下，变形梁12产生弹性变形使传感器内圈10相对传感器外圈13出现转角差，引起固定于传感器外圈13上的正电极5与固定于传感器内圈10的负电极之间的间距发生变化，从而引起电容量变化，测量变化的电容量并转化为力矩值，实现对力矩的测量。