[发明专利]多轴向力-扭矩传感器

说明书

描述

本发明涉及具有换能器结构的多轴向力-扭矩传感器，应变量计置于换能器的一个单个表面的限定的区域中以测量应变，根据应变来计算力和扭矩，并且其中，换能器结构有利地由用辐条连接的两个同心环构成。

背景技术

多轴向力-扭矩传感器大多数设计成复杂的3维换能器结构，应变量计置于限定的区域中，以测量应变，根据该应变来计算力和扭矩。

非常普遍，换能器结构由用辐条(3-4)连接的两个同心环构成。为了得到关于所有六个轴线(3个力、3个扭矩)的信息以及对所有力和扭矩轴线实现相当的敏感度，应变量计必须被置于辐条的不同的侧上，以及还部分地置于同心环上。

传统的换能器几何结构是高度复杂的，从而导致许多加工工作以及因此导致高成本。另外对辐条的不同的侧应用应变量计仅可通过手工来进行，这再次要花费较长的时间且导致高的成本。

因此这样的传感器是非常昂贵的，并且这会将它们的使用限制于小量的特别成本不敏感的机器人应用和R&D(每年最多100个一种类型的传感器)。具有可用的低成本多轴向传感器可将这样的传感器的使用扩展到大量应用(每年数百至数千个一种类型的传感器)，例如在机器人中、汽车中、保健装置中等。

发明目的

使用置于结构的仅一个表面上的应变量计来测量平面式机械结构的三个力和扭矩分量是有挑战性的。这个问题涉及结构的对称属性。

本发明的一个目的是提供用于力-扭矩换能器的设计，这可由低成本片材金属材料制造，并且可容易加工在仅一个表面上，例如通过使用低成本2自由度CNC机器。换能器结构必须还使得能够优选使用低成本自动工艺将所有应变量计置于同一表面上。该解决方案将使得能够有低成本力-扭矩传感器用于大规模生产。

因为本发明基于平面式准2维结构，所以换能器可还由片材类型材料制造，并且所有应变测量装置在一个表面上安装在片材的不同的位置处。

根据本发明的另一个目的，设想使用可能最小的数量的应变测量装置，以进一步限制组装工作且因而限制成本。应变测量装置的优选解决方案是应变量计，但是还有也可适用于这个概念的备选技术，例如压电阻材料、磁阻材料、光学读数器等。

如果考虑由将内部盘连接到固定的外部环带上的对称布置的径向辐条构成的传感器，则大体这些辐条包含对称布置的量计，以测量由于在中心施加的力和/或扭矩所引起的径向应变分量。这种结构展示许多对称元素，例如，用于3辐条系统的3折旋转和3个镜像平面。那么不可能获得对3个力和3个扭矩的选择性测量。

发明描述

为了克服对称的这个问题，已经发现，对于平面式机械传感器结构，应变量计必须被应用到换能器结构上，使得测量非径向应变分量。

存在两个方式来执行这种测量：

A)使用不沿径向对称的辐条。

B)测量非径向应变分量，即，沿着辐条的剪切应变。

通过使用相对于径向方向倾斜角度a的辐条来采用A)，针对量计信号获得应变值s_i(-T_z)=-s_i(T_z)。这个使得能够用正确属性表达校准函数t_z(s_1,…,s_N)。

这种结构可仍然展现3折(fold)旋转对称元素，但是不再具有包含z轴线的镜像平面。

而提供使得能够有T_z检测的结构的方案B)将还导致有超过最小数量的应变量计。这是由于缺乏剪切应变来施加F_z，也就是说，需要额外的量计来测量在最大限度地对称的传感器上的T_z和F_z两者。

要清楚，需要至少6个应变量计来测量所有3个力和3个扭矩分量。因此总结，具有正好6个量计的最小系统不可最大程度地对称。所需要的不对称还可通过将应变量计置于偏离辐条轴线的位置上来获得，而非使辐条整个倾斜。

当进行施加轴向扭矩T_z时，即，扭矩向量分量垂直于传感器平面，这将导致在对称地等效的量计上有相同的传感器信号。具体而言，在各个辐条上的径向应变分量独立于T_z的正负号，即，形式上，这些信号从s_i(-T_z)扩展到s_i(T_z)，其中i=1,…,N遍及所有N个量计。