关节扭矩测量装置及关节模组的制作方法

本技术涉及一种机器人领域，特别涉及一种关节扭矩测量装置及关节模组。

背景技术：

1、随着机器人技术的发展，协作机器人在各行各业都得到的广泛的应用。为了加强机器人和环境的交互能力，很多协作机器人厂家都给机器人赋予了“感知外力”的能力。现有的机器人感知外力的途径主要有三种：第一种通过电机电流估算外力，第二种通过在协作机器人末端加装一个6维力传感器直接测量外力，第三种在每个关节安装一个单维扭矩传感器来测量外力。第一种方式外力测量精度较差，使得协作机器人灵敏度较低，实际用户提验效果业较差。第二种方式成本较高，一个6维力传感器价格昂贵，而且体积较大，不便于大范围推广使用。第三种方式的单维扭矩传感器体积较小，成本可控，十分适合协作机器人使用，各关节均为扭矩传感器，用来直接测量每个关节的输出扭矩，可以实现协作机器人的各种复杂算法，大大增强协作机器人和环境的交互能力。关节扭矩传感器是协作机器人感知外界力或力矩的核心部件，其质量性能的好坏直接影响着协作机器人的性能。

2、但是，协作机器人普遍采用的是一体式关节模组搭建而成，内部空间十分紧凑，如何在现在的协作机器人中再布置若干个单维扭矩传感器进去，是十分困难的一件事。因此，如何提出一种结构紧凑、测量准确、稳定可靠且便于安装的关节扭矩测量装置是本领域技术人员目前需要解决的问题。

技术实现思路

1、本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的关节扭矩测量装置体积偏大且不便于安装至现有的协作机器人中的缺陷，提供一种关节扭矩测量装置及关节模组。

2、本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种关节扭矩测量装置，其包括扭矩盘、应变弹性体、信号采集电路板和关节伺服驱动板，所述应变弹性体安装于所述扭矩盘，所述信号采集电路板安装于所述扭矩盘且与所述应变弹性体电连接，所述关节伺服驱动板安装于外部部件且与所述信号采集电路板电连接，所述关节伺服驱动板用于信号处理和扭矩计算。

4、在本方案中，该关节扭矩测量装置将信号采集电路和信号处理电路分开设置在两块电路板上，具体的，将信号采集电路设置在信号采集电路板上，用于应变弹性体产生的模拟信号的采集，而将信号处理和扭矩计算部分设置在远端的关节伺服驱动板上，与将所有电路设置在一块电路板上相比，能够将信号采集电路板的体积设置得更小，便于将信号采集电路板安装在扭矩盘并植入到关节中，使得扭矩测量装置与关节融合为一体，并且对原有关节尺寸改动较小，也方便现有不带扭矩测量装置的关节升级成为带力感知的关节。

5、较佳地，所述扭矩盘包括内环、外环和至少两个连接梁，所述连接梁的两端分别连接于所述内环和所述外环，至少两个连接梁均匀间隔设置于所述内环和所述外环之间，所述应变弹性体安装于所述连接梁。

6、在本方案中，扭矩盘的内环和外环分别连接在关节负载的两个不同部件上，当两个部件产生相对运动的趋势时，连接梁就会受力变形，在连接梁产生变形时，相应地带动应变弹性体的变形，然后应变弹性体将变形量转换为电压信号传输给信号采集电路板。

7、较佳地，所述连接梁的数量为四个。

8、在本方案中，由于每个连接梁上均设置有应变弹性体，四个连接梁便于在关节的四个方向上测量关节的受力，提高测量的准确性，并且四个连接梁内的四个应变弹性体能够组成一个惠斯通全桥电路，可将因外部扭矩导致连接梁发生的微小形变转变为微弱的电压信号，然后传输给信号处理电路板。

9、较佳地，所述连接梁上设有容置槽，所述应变弹性体贴附于所述容置槽的槽底。

10、在本方案中，应变弹性体粘结在容置槽的槽底，容置槽用于固定并保护应变弹性体，防止应变弹性体被碰坏而失效，提高可靠性。

11、较佳地，所述关节扭矩测量装置还包括温度传感器，所述温度传感器安装于所述容置槽，所述温度传感器与所述信号采集电路板电连接，所述温度传感器用于检测所述容置槽内的温度。

12、在本方案中，由于关节在实际工作时是存在温升的，并且关节体积越小，温升越高。为了降低关节的温度对应变弹性体的影响，通过设置温度传感器监测应变弹性体所处环境的温度，然后在关节伺服驱动板内设置补偿电路，根据温度对扭矩值进行补偿，可以得到更加准确的关节扭矩值。

13、较佳地，所述内环上环设有若干个安装孔，所述安装孔用于所述内环与外部部件连接。

14、在本方案中，便于内环通过螺钉或螺栓穿过安装孔连接至关节上。优选的，安装孔为十二个。

15、较佳地，所述内环的中部具有安装槽，所述信号采集电路板嵌设并安装于所述安装槽。

16、在本方案中，采用上述结构设置，便于将信号采集电路板集成到内环上，节省安装空间，安装槽用于固定和保护信号采集电路板。

17、较佳地，所述外环上环设有若干个连接孔，所述连接孔用于所述外环与外部部件连接。

18、在本方案中，便于外环通过螺钉或螺栓穿过连接孔连接至关节上。优选的，连接孔为十二个。

19、较佳地，所述信号采集电路板的外侧包覆有绝缘保护层。

20、在本方案中，绝缘保护层确保信号采集电路板不会接触到铁屑或金属结构件，避免短路风险，大大提高防护等级和测量装置的稳定性和可靠性。优选的，绝缘保护层为绝缘胶层。

21、一种关节模组，所述关节模组包括关节组件和如上所述的关节扭矩测量装置，所述关节扭矩测量装置安装于所述关节组件上。

22、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

23、本实用新型的积极进步效果在于：该关节扭矩测量装置将信号采集电路和信号处理电路分开设置在两块电路板上，具体的，将信号采集电路设置在信号采集电路板上，用于应变弹性体产生的模拟信号的采集，而将信号处理和扭矩计算部分设置在远端的关节伺服驱动板上，与将所有电路设置在一块电路板上相比，能够将信号采集电路板的体积设置得更小，便于将信号采集电路板安装在扭矩盘并植入到关节中，使得扭矩测量装置与关节融合为一体，并且对原有关节尺寸改动较小，也方便现有不带扭矩测量装置的关节升级成为带力感知的关节。

技术特征：

1.一种关节扭矩测量装置，其特征在于，其包括扭矩盘、应变弹性体、信号采集电路板和关节伺服驱动板，所述应变弹性体安装于所述扭矩盘，所述信号采集电路板安装于所述扭矩盘且与所述应变弹性体电连接，所述关节伺服驱动板安装于外部部件且与所述信号采集电路板电连接，所述关节伺服驱动板用于信号处理和扭矩计算。

2.如权利要求1所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述扭矩盘包括内环、外环和至少两个连接梁，所述连接梁的两端分别连接于所述内环和所述外环，至少两个连接梁均匀间隔设置于所述内环和所述外环之间，所述应变弹性体安装于所述连接梁。

3.如权利要求2所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述连接梁的数量为四个。

4.如权利要求2所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述连接梁上设有容置槽，所述应变弹性体贴附于所述容置槽的槽底。

5.如权利要求4所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述关节扭矩测量装置还包括温度传感器，所述温度传感器安装于所述容置槽，所述温度传感器与所述信号采集电路板电连接，所述温度传感器用于检测所述容置槽内的温度。

6.如权利要求2所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述内环上环设有若干个安装孔，所述安装孔用于所述内环与外部部件连接。

7.如权利要求2所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述内环的中部具有安装槽，所述信号采集电路板嵌设并安装于所述安装槽。

8.如权利要求2所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述外环上环设有若干个连接孔，所述连接孔用于所述外环与外部部件连接。

9.如权利要求1所述的关节扭矩测量装置，其特征在于，所述信号采集电路板的外侧包覆有绝缘保护层。

10.一种关节模组，其特征在于，所述关节模组包括关节组件和如权利要求1-9中任一项所述的关节扭矩测量装置，所述关节扭矩测量装置安装于所述关节组件上。

技术总结
本技术公开了一种关节扭矩测量装置及关节模组，关节扭矩测量装置包括扭矩盘、应变弹性体、信号采集电路板和关节伺服驱动板，应变弹性体安装于所述扭矩盘，信号采集电路板安装于扭矩盘且与应变弹性体电连接，关节伺服驱动板安装于外部部件且与信号采集电路板电连接，关节伺服驱动板用于信号处理和扭矩计算。将信号采集电路和信号处理电路分开设置在两块电路板上，具体的将信号采集电路设置在信号采集电路板上，而将信号处理和扭矩计算部分设置在远端的关节伺服驱动板上，与将所有电路设置在一块电路板上相比，能够减小电路板的尺寸，便于将信号采集电路板安装在扭矩盘并植入到关节中，使得扭矩测量装置与关节融合为一体，以缩减尺寸。

技术研发人员：石海,张韬,彭添晨
受保护的技术使用者：上海电气集团股份有限公司
技术研发日：20230531
技术公布日：2024/1/15