一种扭矩测量装置的结构件与过载保护机构的制作方法

本发明涉及一种扭矩测量装置，具体涉及一种扭矩测量装置的结构件与过载保护机构，属于机器人传感器技术领域。

背景技术：

安装在机器人关节处的扭矩传感器用来测量其中一个旋转方向的扭矩，扭矩传感器通常具有一个或一个以上的应变体，通过测量应变体的变形量大小来计算传感器所承受的扭矩。在传感器设计时，通过结构的设计确保应变体的变形量和扭矩成近似的线性关系。应变体的变形量测量可以采用电阻式(应变片)、电容式、电磁式和光学式等方式。

扭矩传感器安装在机器人关节的输出处，可以直接测量关节的输出扭矩，相对于采用电机电流计算关节扭矩的方法，可以获得更精确的关节输出扭矩值。安装到机器人关节上的扭矩传感器具有如下要求：(1)除了扭矩测量方向，其他方向的刚度要尽量大，可以提高机器人关节在其他方向的刚度，从而提高机器人的定位精度，同时可以减少机器人运动过程中产生其他方向力对扭矩传感器输出信号的影响；(2)机器人在运动过程中存在撞到周围物体的可能性，在碰撞时也存在软保护失效的可能，为了保护机器人关节中扭矩传感器的应变体，扭矩传感器需要具有过载保护功能。

目前市场上现有的扭矩传感器虽然在设计时尽量去提高其他方向的刚度，但都不会得到大幅度的改善。现有的过载保护机构与方法，装配时具有一定的难度。针对目前比较接近的专利，做如下专利分析。

美国专利us20170266814a1公开了一种机器人用关节力矩传感器，如图1所示，应变体301是可以拆卸下来，方便应变敏感元件的贴装。除了两个应变体301外，在传感器的内圈和外圈增加了四个梁401，四个梁只是用来连接传感器的内圈和外圈，并没有对这些梁的尺寸做特别设计，以提高传感器在其他方向的刚度。

美国专利us008291775b2公开了一种机器人用扭矩传感器，如图2所示，从传感器的内圈到外圈有4个梁，其中两个梁为应变梁，用来贴装应变片。另外两个梁与传感器的外圈做成如图2中局部放大图所示的结构，图中外圈102的凹陷内侧面和凸起部502的端部外侧面之间留有间隙，这部分的设计主要为了减少机器人关节减速器在轴向和径向跳动对传感器扭矩信号的波动的影响。

中国专利cn101118194a公开了一种具有抗过载功能的扭矩传感器，如图3所示，传感器除了应变体303外，在传感器的内圈开有盲孔203，在传感器的外圈开有通孔103，盲孔203和通孔103同轴，其中通孔103的孔径大于盲孔203的孔径。通过外圈的通孔103，把销钉503打到内圈的盲孔203里。销钉503和通孔103之间具有一定的间隙，当发生过载时，销钉503和外圈的通孔103相碰，起到保护传感器应变体303的作用。该方式对同轴孔加工精度要求很高，同时由于传感器的柔性，同轴孔的加工更难。另外，在销钉503装配时，销钉503和通孔103在圆周上的间距很难控制均匀，可能导致一个方向间距过大起不到保护应变体303的作用，另外一个方向间距过小提前保护应变体303。

通过对以上相近似专利进行分析，可以看出现有技术方案在解决传感器抗弯矩能力和过载保护实现上都存在一定的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题：(1)扭矩测量装置的抗弯矩性能；(2)扭矩测量装置的过载保护。

为了解决上述技术问题，本发明提供了扭矩测量装置，带有抗弯矩结构与过载保护机构，具体技术方案如下：

本发明的第一方面，公开了一种扭矩测量装置的结构件，包括外圈、内圈以及连接在外圈和内圈之间的第一连接部，第一连接部与外圈及内圈一体成型；结构件还包括设置在外圈和内圈之间的第二连接部，第二连接部被配置为：当结构件安装在扭矩测量装置时，第二连接部用于抵抗扭矩测量装置受到的弯矩，弯矩是指其力矩方向与扭矩测量装置的转轴不重合的力矩。

在一个实施例中，第二连接部包括第二连接部本体，第二连接部本体的第一本体表面低于内圈的第一内圈表面和外圈的第一外圈平面，以保证第二连接部本体不与连接在内圈或外圈的其他零部件接触。

在一个实施例中，第二连接部与外圈及内圈一体成型。

在一个实施例中，第二连接部为分体式，第二连接部的两端分别固定在外圈与内圈。

在一个实施例中，第二连接部是连接在外圈与内圈之间的直形连接件，直形连接件在第一方向延伸的尺寸大于在第二方向延伸的尺寸，第一方向是指与内圈轴向平行或重合的方向，第二方向是指与内圈切向平行或重合的方向。

在一个实施例中，直形连接件沿第三方向延伸，第三方向与内圈的径向重合。

在一个实施例中，第二连接部是连接在外圈与内圈之间的折形连接件或曲形连接件。

在一个实施例中，结构件包括多个第一连接部和多个第二连接部，第二连接部的个数是第一连接部个数的n倍，n为整数且≥1；第一连接部均匀分布在外圈和内圈之间，相邻的两个第一连接部之间的空间分布n个第二连接部。

在一个实施例中，第二连接部包括连接外圈与内圈的连接器，连接器的第一端固定在外圈，连接器的第二端能够在内圈的表面移动。

在一个实施例中，第二连接部包括连接外圈与内圈的连接器，连接器的第一端固定在内圈，连接器的第二端能够在外圈的表面移动。

在一个实施例中，连接器的第二端带有滚动部件，滚动部件的滚动表面与内圈的表面接触。

在一个实施例中，滚动部件包括滚轮，滚轮的轴线沿内圈的径向延伸。

在一个实施例中，连接器成对布置，每对连接器中的两个连接器分别接触在内圈的两个表面。

本发明的第二方面，公开了一种扭矩测量装置的过载保护机构，扭矩测量装置包括外圈和内圈，外圈和内圈之间设置有过载保护机构，过载保护机构包括凹陷部和凸起部，凸起部的头部容纳在凹陷部，凸起部与凹陷部相对的侧面间有间隙；凹陷部与外圈一体成型，凸起部与内圈一体成型；或者，凹陷部与内圈一体成型，凸起部与外圈一体成型。

在一个实施例中，凸起部容纳在凹陷部内的长度大于凸起部自身总长度的三分之一。

在一个实施例中，当过载保护机构被触发起保护作用时，凹陷部的第一侧面与凸起部的第二侧面为面接触。

在一个实施例中，第一侧面与第二侧面的虚拟延展面相交于内圈的轴线。

本发明的第三方面，公开了一种扭矩测量装置，上述抗弯矩结构与过载保护机构可以单独使用，起到各自的作用；也可以同时使用在同一个扭矩测量装置中，同时发挥各自的作用。

本发明的有益效果是：本发明对扭矩测量装置对结构进行了改进。一方面，采用了第一连接部与第二连接部并用的方法，解决了现有电阻应变片轮辐式结构的扭矩传感器的抗弯矩性能差的问题。在使用中既保证了机器人的柔性和关节扭矩的动态监测，也提高了整体的机器人精度。另一方面，在扭矩测量装置的外圈和内圈之间添加过载保护机构，当负载过大时，过载保护机构的两部分啮合贴合，把过载的力矩从应变体转移到贴合面，可以有效解决机器人运动过程中过载对应变体的破坏，提高扭矩测量装置的使用寿命，降低成本。

附图说明

图1是第一个现有技术中扭矩测量装置结构件的结构示意图；

图2是第二个现有技术中扭矩测量装置结构件的结构示意图及局部放大图；

图3是第三个现有技术中扭矩测量装置结构件的结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中的扭矩测量装置结构件的整体结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中连接梁的结构示意图及局部放大图；

图6是本发明一个较佳实施例中应变体在a视角的剖切结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中应变式传感器的局部放大图；

图8是本发明一个较佳实施例中应变式传感器的电路图；

图9是本发明一个较佳实施例中扭矩测量装置的信号处理示意图；

图10是本发明另一个较佳实施例中扭矩测量装置整体结构示意图以及其中折形连接件的局部放大示意图；

图11是本发明又一个较佳实施例中扭矩测量装置局部结构(包括连接器)的示意图；

图12是图11中连接器在a视角的剖切结构示意图；

图13是本发明一个较佳实施例中过载保护机构的结构示意图及局部放大图。

附图标记如下：

102外圈

103通孔(位于外圈)

110外圈

203盲孔(位于内圈)

210内圈

301应变体

303应变体

310应变体

310’应变体

311应变片传感器

312应变片传感器

401梁

410直形连接件

420折形连接件

430连接器

431连接器本体

432滚轮

433螺钉

502凸起部

503销钉

510过载保护机构

511凸起部

512凹陷部

610运算放大电路

620单端转差分模块

630采集端

631差分转单端模块

632模拟/数字转换模块

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本专利所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

在本发明的描述中，“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有扭矩测量装置的抗弯矩能力弱等问题，本专利设计了一种具有多个抗弯连接件的扭矩测量装置。

扭矩测量装置主要由结构件、应变式传感器与电路组成。结构件的形状与结构各异，本专利中结构件的典型形状如图4所示，结构件由外圈110、内圈210、应变体310、直行连接件410、过载保护机构510组成。外圈110与内圈210共转轴，应变体310连接在外圈110和内圈210之间，优选地，应变体310与外圈110及内圈210一体成型。在应变体310中间设有凹槽，凹槽可以用来贴装应变式传感器。当外圈110与内圈210之间发生相对扭转时，应变体310也随之发生微弱形变，这种形变被应变式传感器侦测，进而得出扭矩数值。

结构件还包括设置在外圈110和内圈210之间的抗弯矩连接部。抗弯矩连接部有多种具体实现方式，图4中的直形连接件410是抗弯矩连接部最简易、最常见的实现方式。扭矩测量装置安装在机器人关节处，理想状态下，扭矩测量装置只受扭矩作用，这些扭矩的力矩方向与转轴重合，扭矩测量装置用于测量这些扭矩。但事实上，机器人手臂的自身重力不小，导致内圈210发生相对于外圈110所在平面的弯矩，这些弯矩的力矩方向与扭矩测量装置的转轴不重合，对整个扭矩测量装置具有破坏性，至少会导致应变式传感器的测量误差。因此，本发明在外圈110和内圈210之间安装了抗弯矩连接部。扭矩测量装置安装在机器人关节处时，抗弯矩连接部用于抵抗扭矩测量装置受到的弯矩。

每个结构件带有多个应变体和多个抗弯矩连接部。通常，抗弯矩连接部与应变体成倍设置，即抗弯矩连接部的个数是应变体个数的n倍，n为整数且≥1。如图4中所示，应变体310均匀分布在外圈110和内圈210之间，相邻的两个应变体310之间的空间分布两个直形连接件410。应变体310与直形连接件410均匀分布，保证均匀抵抗弯矩及扭矩测量数据的准确。

外圈110与内圈210之间若发生很大的扭矩，例如机器人关节收到剧烈碰撞时，此时有可能超过应变体310的量程，导致应变式传感器损坏和整个扭矩测量装置的失效。为了避免这个问题，本发明在外圈110和内圈210之间设置用于保护应变式传感器的过载保护装置510。过载保护装置510可以有多种实现方式，本发明提供其中最简便可行的一种。

实施例1

本实施例的结构如图5所述，抗弯矩连接部为直形连接件410，直形连接件410也可以称之为连接梁。结构件由外圈110、内圈210、应变体310与直形连接件410组成。上述这些部件是由同种材料一体加工成型获得，其中，直形连接件410为了提高机器人的抵抗弯矩刚度，其由线切割或着激光切割方式加工。外圈110与内圈210是同心圆，两者之间的间隙大致为圆环，直行连接件410将外圈110与内圈210连接，即直行连接件410设置在外圈110与内圈210的间隙位置。直形连接件410在圆周方向的分布要求，是为了保证此结构件在圆周方向的抗弯刚度尽量处处一致。

图5中标有a与b的局部放大图，是在图5主图中a方向视角直行连接件410的剖视图。图5中标有c的局部放大图，是图5主图中直形连接件410的俯视放大图。根据梁扰度的计算公式，直形连接件410抗弯矩刚度和其轴向尺寸a的三次方成正比，其扭矩刚度和其厚度b的三次方成正比。因此，直形连接件410在设计时，要求轴向尺寸a要大于厚度b，才能保证其抗弯刚度增加的幅度大于扭矩扭力向刚度。直形连接件410在径向方向的长度c可以调整，即直形连接件410伸向传感器外圈110或内圈210的凹限可以调整，以控制结构件在弯矩和扭矩扭力方向的刚度。直形连接件410与外圈110和内圈210通常不在一个平面。一般设置成直形连接件410低于内圈210和外圈110所在的平面，这样方便安装，以避免结构件安装时，直形连接件410和外部零件接触产生摩擦，影响传感器测量精度和结构件抗弯矩效果。

如图6所示，扭矩测量装置主体采用轮辐式的结构设计，在外圈110和内圈210之间有一个或以上的应变体310。应变体310是一个应变体，可以在扭矩作用下发生微形变。在应变体310中间分别设有凹槽，凹槽可以用来贴装应变片传感器311。当有多个应变体310时，应变体一般沿圆周均匀排布，也可以非均匀排布，通过其他结构平衡不同角度位置的刚度。应变体310与外圈110和内圈210不在同一个平面，一般低于内圈210和外圈110所在的平面，这样方便安装，以避免结构件安装时，应变体310和外部零件接触产生摩擦，影响测量精度。一般情况，内圈210和外圈110也不在一个平面内。

如图6所示，应变体310与凹槽所形成的侧截面呈“工”字形或“凹”字形。“工”字形310或“凹”字形310’可以在一定程度上提高刚度。所述凹槽处可放置应变片传感器311，用以检测应变信号。当扭矩测量装置的外圈与外圈承受相对的扭矩后，在应变体310的凹槽处产生剪切应变，剪切应变的大小与施加的扭矩力成线性关系。在凹槽处贴装测量剪切应变的应变片传感器311自然也受此到扭矩负载，会产生剪切应变信号。

如图7所示，一般在相差180度的位置贴装2片应变片传感器311与应变片传感器312，或者4个位置同时贴装应变片传感器。凹槽处的剪切应变的变化，首先经过应变片传感器311转换为电阻信号的变化。每个应变片传感器311中有两个应变栅，分别测量应变信号，这样图7中所示上下放置的两个应变片就组成一个惠斯通电桥，组成的电桥如图8所示。当应变发生时，电桥桥臂上的电阻发生变化，惠斯通电桥的平衡被打破，在vout会有输出电压变化。图7中另外两个左右放置的应变片传感器也可组成一个电桥，通过两组惠斯通电桥测量扭矩信号，可以减小测量误差，提高测量精度。

从惠斯通电桥出来的电压信号一般都比较弱，需要经过运算放大电路610进行放大，使得信号达到合适的幅值，由于从传感器到采集电路一般需要较长的距离，为了减小信号传输过程中干扰的影响，需要采用单端转差分模块620把信号转换为差分传输。在传感器信号的采集端630，首先要采用差分转单端模块631把差分信号转换为单端信号，再经过模拟/数字转换模块632把传感器的模拟信号转换为数字信号，如图9所示。

在此实施例的变形例中，抗弯矩连接部也可以为分体式，其两端分别通过紧固件(例如，螺钉)固定在外圈110与内圈210。这种方式的好处在于，可以根据实际需要，增减抗弯矩连接部的个数，尤其适应大型的扭矩测量装置。其不利之处是，抗弯矩连接部带有固定部，占用了额外空间，不如上述与外圈内圈一体成型的直形连接件410那么紧凑。另外，分体式的也增加了加工成本和调试难度。

实施例2

抗弯矩连接部的作用是抵抗弯矩，要求其在结构件轴向的尺寸尽可能大，也即尽可能“厚”，这样有较高的抗弯刚度；而在另一方向，又要求其尽可能减少对被测扭矩的影响，即要求抗弯矩连接部在此方向上尽可能“薄”；这是一对矛盾。况且，抗弯矩连接部加工至很薄不仅难度大，而且有断裂的风险。在成本可接受的加工条件下，抗弯矩连接部的厚度最小也就0.5mm左右。

为了解决上述矛盾，如图10所示，抗弯矩连接部被加工成连接在外圈110与内圈210之间的折形连接件420。当然，抗弯矩连接部也可以加工成其他形状，包括但不限于曲形连接件，只要连接件的总长度大于外圈110与内圈210之间的距离即可，这样仍能确保抗弯矩连接部的抗弯矩刚度大幅度大于抗扭矩刚度。结构件的其他部分及其作用，与实施例1中相同，此处不再赘述。

实施例3

如图11与图12所示，本实施例是提高扭矩测量装置抗弯矩性能的另外一种替代方案。在外圈110和内圈210之间增加一个可拆卸的连接器430，连接器430的本体431的一端依靠螺钉433固定在外圈110，本体431的另一端安装有滚轮432，滚轮432的轴安装在本体431内。滚轮432的滚动面和内圈210的一个表面接触，可以适当增加预紧接触力。滚轮432的轴线沿内圈的径向延伸，也即滚轮432的轴线和扭矩测量装置的转轴垂直并相交。当外圈110与内圈210之间受扭矩作用而发生相对移动时，滚轮432在内圈210的表面上滚动，不影响扭矩的传递。当扭矩测量装置承受弯矩，连接器430可以消除或减弱扭矩测量装置受弯矩作用而发生的位移与变形。

进一步，为了提高抗弯性能有两种方法：(1)在内外圈圆周上放置多个连接器430；(2)为了提高两个方向的抗弯能力，可以把一对连接器430分别设置在内外圈的上表面与下表面。

若扭矩测量装置体积较大，有足够的安装空间时，也可以将连接器430固定在内圈210，而使其滚轮432在外圈110的表面滚动。

实施例4

如图13所示，为了在机器人过载时保护扭矩测量装置的应变体和抗弯矩连接部，在内圈210和外圈110之间添加过载保护机构510。具体做法是，在内圈210和外圈110之间设计啮合部件，啮合部件由凹陷部512和凸起部511组成，凸起部511的头部容纳在凹陷部512，凸起部511与凹陷部512之间存在一定的间隙。当扭矩测量装置的应变体的变形量接近最大变形量时，内圈210和外圈110之间的相对移动使凸起部511与凹陷部512之间一个间隙变小并消除，内圈210和外圈110紧贴到一块，过大的扭矩力作用到贴合处，起到保护应变体的作用。

如图13左上的局部放大图所示，凸起部511的侧面与凹陷部512的侧面之间具有一定的间隙d，凸起部511的顶面与凹陷部512的顶面之间具有一定的间隙e。凸起部511与凹陷部512各自侧面的延展面都经过转轴，以确保在过载时凸起部511的侧面与凹陷部512的侧面之间是面接触。凸起部511的侧面与凹陷部512的侧面之间的夹角θ必须满足：在扭矩负载达到最大之前，确保这两个侧面接触以保护应变体和抗弯矩连接部。抗过载啮合部件中的凸起部511与内圈210及外圈110都不在同一个平面，以避免安装保护扭矩测量时由于与其他零部件接触摩擦使保护作用减弱或失效。

在图13中，凸起部511与内圈210一体成型，以线切割或激光切割加工；凹陷部512与外圈110一体成型，同样以线切割或激光切割加工。凸起部511容纳在凹陷部512内的长度大于凸起部511自身总长度的三分之一，这样是为了使两者侧面更多接触，起到较强保护作用。若凸起部511自身较长，其侧面与凹陷部的接触面小，凸起部511自身的可能发生变形。在另外的替代例中，凹陷部与凸起部的设置可互换，即凹陷部与内圈210一体成型，凸起部与外圈110一体成型，起过载保护的作用原理与图13所示的类似，此处不再赘述。

本实施例中的过载保护机构510可以与上述实施例1～3任意一种抗弯矩连接部配合使用。即，在同一个扭矩测量装置中，既设置连接件410、420或430之一，又设置过载保护机构510，它们同时发挥各自的作用。也可以仅设置过载保护机构510，而不设置连接件410、420或430。或者，在扭矩测量装置中不设置过载保护机构510。这些都是本发明要求保护的扭矩测量装置技术方案。

本专利通过结构设计，在扭矩测量装置结构件的内圈和外圈，除了应变体外，再添加抗弯矩连接部，确保承受弯矩的刚度大于承受扭矩的刚度，可以在保证信号的前提下，增加机器人关节的抗弯性能及定位精度，以适用于机器人应用。在结构设计上改进构型，实现扭矩测量装置的过载保护，解决机器人在运动过程中的过载保护问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。