[发明专利]一种小型转矩传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于动静态轻型且易于与外部机械结构连接的小型转矩传感器。 

背景技术

力信息感知获取是智能机器人最重要的感知之一，实时高精度的力/力矩信息感知是机器人完成作业的最重要前提条件之一。力/力矩传感器能获取机器人作业时与外界环境之间的相互作用力，进而实现机器人的力觉、触觉和滑觉等感知。机械手必须能够灵敏的感知从端力的变化，而传感器与关节处的连接及分辨率等因素影响着整个系统的精度。因此，如何高效、低成本实现高精度力/力矩信息的获取、如何解决力/力矩传感器的刚度和灵敏度之间的矛盾、以及如何提高信息获取的精度、速度，降低传感器机械机构，实现传感器小型化从而提高整体紧凑性是当前面临的主要挑战。 

在力矩传感器中，弹性元件的结构决定了力矩传感器的性能优劣，同时也影响传感器的加工工艺性以及贴片的难易程度。对于多维力传感器由于弹性体设计原理及制造加工等因素影响，传感器存在维间耦合，这种耦合关系复杂且难以从理论上进行精确描述，导致其测量精度降低。弹性体的结构设计对传感器的综合性能影响很大，是影响传感器性能的核心技术。根据不同应用的需求，设计出传感器新型弹性体结构是目前需要不断攻克的难题。由于应用环境的不同，设计不同应用的传感器时时必须从传感器的弹性体结构、材料、信号获取、信息整合和传输方法等重新考虑。满足特殊应用和环境要求的新型弹性体传感器的设计是当前力/力矩传感器的主要研究热点之一。 

在外骨骼摇操作主手和人体协调性的研究中可知，由于人体的运动灵活性和复杂性，就要求传感器在测量外骨骼相对人体的不同姿态时的实时力矩信息，并且具有尺寸小，重量轻，灵敏度高，动态特性好等特点。传感器在外骨骼机构系统中起着至关重要的作用，因此需要根据外骨骼关节运动的特点设计出适用的传感器来满足整个系统的运行，从而提高整体机构的性能。本发明针对的外骨骼摇操作主手授理号201410432249.X。 

本发明围绕以上已受理专利有关外骨骼摇操作主手研究提出一种适用于该结构的小型化关节力矩传感器，该传感器根据外骨骼连接轴的尺寸进行结构设计，采用键进行连接，适用于动静态两种状态下使用；弹性体和内外轮缘一体式结构，可精确地在盘形结构下传递转矩；采用放大电路板内嵌入传感器的形式，大大减小了连接导线的传输长度，提高系统的信噪比。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于检测外骨骼摇操作主手关节转矩的小型转矩传感器，为了满足整体结构的紧凑、稳定性，传感器与电机轴和机架连接，通过检测出力矩差来反馈给控制系统实时进行力矩反馈。为达到上述目的，本发明采用以下的技术方案实现：本发明的小型转矩传感器由连接有输入轴的盘形结构、连接有输出轴的弹性体及环形结构、外部电路三部分组成。其中，弹性体是与连有输入轴的环形法兰一体式的，放大电路内嵌在传感器结构中。 

所述的传感器根据外骨骼关节转动特点和结构尺寸进行设计，由于本发明传感器只用于外骨骼关节处的转动力矩的检测，因此为一维转矩传感器，由输入输出轴转动产生力矩，弹性体由内外轮缘受到力矩差而产生变形，检测出的应变不用考虑由于多维而产生的维间耦合问题，避免了测量精度的降低。整体结构由两部件组成，其中每个部件为连轴一体式结构，两部件连接位置、输入输出轴及连接过渡轴都处于同一轴心位置，在这平行阶梯轴连接处采用螺钉固结。具体结构连接方式为：部件1中弹性体一端与连接轴内轮缘(8)固结，内轮缘(8)与输出轴固结，弹性体另一端与法兰1轮缘(6)固结，法兰1与法兰2通过螺钉固结，法兰2与输入轴一体式结构，整体节凑的连接形式就相当于弹性体在存在连接空间的同时一端固结在输入轴上，另一端固结在输出轴上。传感器在具有连接轴的同时仍能很好的进行力矩的传输。