CN116577000A - 使用耦合载荷和较少应变计的扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种扭矩传感器包括换能器板，换能器板包括由多个辐条和仪表梁连接的中心区和外围。换能器板在轴向扭矩下表现出机械顺应性，但在离轴载荷下表现出刚性。附接到仪表梁的应变计检测由轴向扭矩引起的变形。在一些实施例中，仪表梁是不对称的，允许将应变计放置在对轴向扭矩高敏感并且对离轴载荷低敏感的区域中。对一些离轴载荷的应变计响应被设计为与对其他离轴载荷的应变计响应耦合或线性相关。这减少了至少部分解析所有载荷所需的应变计的数量。辐条和仪表梁是通过以简单形状去除邻近的换能器板材料而成本有效地形成的。应变计可以以各种方式连接，如惠斯通四分之一桥、半桥或全桥拓扑。

Description

使用耦合载荷和较少应变计的扭矩传感器

技术领域

本发明总体上涉及力和扭矩传感器，尤其涉及一种针对感测轴向扭矩进行优化的传感器，其利用耦合的离轴载荷来减少解析轴向扭矩所需的应变计的最小数量。

背景技术

机器人是产品制造、测试、组装和包装；辅助和远程手术；空间探索；在危险环境中操作；以及许多其他应用不可或缺的一部分。许多机器人和机器人应用需要施加或经历力的量化，例如材料移除(研磨、砂磨等)、零件组装、远程挖掘或对环境的其他操纵等。

工业机器人通常包括通用致动器或“臂”，它包括由机电关节连接的多个段，这些段在不同的轴线和平面上移动和旋转，提供多个自由度。六自由度(6-DOF)机器人臂通常用于工业制造，包括诸如焊接、材料搬运、材料移除、喷漆等操作。6-DOF设计提供x、y和z平面的运动以及灵活性、强度和范围，用于众多任务。它可以使与工件交互的机器人工具或“末端执行器”执行滚动、俯仰和横摆运动。

在许多应用中，有必要或期望监测末端执行器和工件之间的力。例如，在“力控制”任务中，末端执行器被控制为施加预定力(或预定范围内的力)，这需要测量接触力和/或扭矩并反馈给机器人控制系统。测量6-DOF机器人末端的力和扭矩有两种传统方法：在机器人和末端执行器之间放置6轴力/扭矩传感器；和测量机器人的多个关节中的每个关节处的扭矩并计算在末端产生的力和扭矩。

美国专利No.10422707描述了一种紧凑的6轴力/扭矩传感器，该专利转让给本申请的受让人并通过引用全部并入本文。该传感器基于传统设计，包括通过多个可变形梁连接到圆环(圆环连接到机器人)的轮毂(轮毂连接到工具)，该可变形梁包括皱褶部以增加梁在载荷下的变形。固定到可变形梁的应变计测量梁表面在施加载荷下变形时的张力和压缩力，并通过校准程序中开发的解耦矩阵将应变计电路输出解码并映射到六个力(Fx、Fy、Fz)和六个扭矩(Tx、Ty、Tz)。通常，至少需要六个应变计，并且许多设计使用更多的应变计(例如，将它们安装到每个可变形梁的相对侧或全部四个侧面)。此外，如上述美国专利No.10422707中所述，一个或多个无应力应变计也可用于提供温度补偿的基准，以减少由热漂移引起的误差。由于应变计和其他仪表电子器件数量众多，传统的6轴力/扭矩传感器价格昂贵。

可根据电机电流估算机器人关节扭矩。然而，这些结果往往是有干扰的。或者，可以在多个关节中的每个关节中安装关节扭矩传感器。关节扭矩传感器往往具有更高的精度和更高的信噪比。传统的关节扭矩传感器可以遵循上述6轴力/扭矩传感器设计，并基于仅必须测量一个扭矩(Tz)的要求来调整传感器几何形状和/或应变计位置。

已知的关节扭矩传感器具有许多缺陷。它们通常对离轴载荷敏感。也就是说，除了期望的Tz之外的力和扭矩将导致梁变形并产生应变计输出，这可能表现为轴向扭矩Tz测量中的误差。已知的关节扭矩传感器设计还对扭矩脉动(torque ripple)敏感，当测量接近应变波齿轮箱(strain wave gearboxes，也称为谐波驱动(harmonic drives))的扭矩时，经常会发现扭矩脉动。扭矩脉动是扭矩测量中的周期性波动，难以补偿。即使在修改了6轴力/扭矩传感器设计以仅测量轴向扭矩Tz之后，具有精确加工的薄特征(例如皱褶部)和大量应变计的传感器仍然制造成本高昂。由于需要将多个传感器装配到6-DOF机器人臂，因此这种方法在许多应用中仍然成本高昂。

本文的背景技术部分被提供用于将本发明的实施例置于技术和操作背景中，以帮助本领域技术人员理解其范围和实用性。背景技术部分中描述的方法可以被采用，但不一定是以前已经设想或采用的方法。除非明确指出，否则本文中的任何陈述都不能仅因为其包含在背景技术部分中而被承认为现有技术。

发明内容

为了向本领域技术人员提供基本理解，以下给出了本公开的简化概要。该概要不是对本公开的广泛概述，并且不旨在识别本发明实施例的关键/紧要的元素或描绘本发明的范围。本概述的唯一目的是以简化形式给出本文中公开的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的前序。

根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，一种扭矩传感器包括换能器板，该换能器板包括通过多个辐条和仪表梁连接的中心区和外围。换能器板的辐条和仪表梁被设计为仅当施加轴向扭矩时允许显著的机械顺应性。一个实施例采用仪表梁上单表面应变计放置来检测由轴向扭矩引起的变形，而其他实施例采用侧梁应变计放置。辐条和仪表梁直接连接中心区和外围，没有中间皱褶部。仪表梁可以是不对称的，以允许将应变计放置在对轴向扭矩高敏感并且对离轴载荷低敏感的区域，而不将应变计放置在中性轴线上。对一些离轴载荷的应变计响应被设计为与对其他离轴载荷的应变计响应耦合或线性相关。这减少了至少部分解析所有载荷所需的应变计的数量。辐条是通过以简单形状(例如通孔和/或弧形槽)去除邻近的换能器板材料而成本有效地形成的。仪表梁是类似地通过以径向槽去除换能器板材料而形成的。与孔或弧形槽的凸弧形边缘相邻的径向槽的直边导致不对称的梁形状。应变计可以以多种配置连接，例如惠斯通四分之一桥、半桥或全桥拓扑。

一个实施例涉及被配置为测量第一物体和第二物体之间的轴向扭矩的扭矩传感器。该扭矩传感器包括大致圆形、大致平面的换能器板，该换能器板具有中心区和外围，该中心区具有垂直中心轴线z。一个或多个第一安装孔靠近中心区并且被配置为附接到第一物体。一个或多个第二安装孔靠近外围并且被配置为附接到第二物体。在中心区和外围之间穿过换能器板形成多个空隙，其中相邻空隙限定连接中心区和外围的辐条。在中心区和外围之间穿过换能器板形成一个或多个径向槽，每个径向槽与至少一个空隙相邻。径向槽和空隙之间的换能器板限定连接中心区和外围的仪表梁。应变计附接到仪表梁。应变计电路连接到应变计，并且被配置为输出取决于应变计的应变相关电阻的电压。

另一实施例涉及一种扭矩传感器。该传感器包括具有轴线并且被配置为附接在第一物体和第二物体之间的换能器板以及附接到换能器板的四个应变计，其中每个应变计连接到一个应变计电路。这种换能器板的配置、应变计的放置和应变计电路使得针对两个不同的力和扭矩对中的每一对的应变计响应是线性相关的，其中针对每对中的力的应变计响应与针对该对中的扭矩的应变计响应相差数倍，并且四个应变计电路输出包括四乘四线性系统，其中至少围绕该轴线的扭矩由这些应变计响应和解耦矩阵直接确定。

又一实施例涉及一种制造扭矩传感器的方法。提供大致圆形、大致平面的换能器板，该换能器板具有中心区和外围，该中心区具有垂直中心轴线z。靠近中心区形成一个或多个第一安装孔，第一安装孔被配置为附接到第一物体。靠近外围形成一个或多个第二安装孔，第二安装孔被配置为附接到第二物体。在中心区和外围之间穿过换能器板形成第一多个空隙，其中相邻的空隙限定连接中心区和外围的辐条。在中心区和外围之间穿过换能器板形成一个或多个径向槽，每个径向槽与至少一个空隙相邻，其中该径向槽和该空隙之间的换能器板限定连接中心区和外围的仪表梁。应变计附接到仪表梁。应变计连接到应变计电路，应变计电路输出取决于应变计的应变相关电阻的电压。

附图说明

下面将参照附图更充分地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为局限于本文阐述的实施例。提供这些实施例是为了使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。类似的附图标记始终指代类似的元件。

图1是根据一个实施例的扭矩传感器的平面图。

图2A至图2D是根据不同实施例的扭矩传感器的简化平面图。

图3是仪表梁的放大图，示出了轴向扭矩Tz下的张力应变。

图4A是轴向扭矩Tz图和两个仪表梁的放大图，示出了张力应变和压缩应变。

图4B是弯曲扭矩Ty图和两个仪表梁的放大图，示出了张力和压缩应变。

图5是扭矩传感器的平面图，示出了单表面应变计放置。

图6是扭矩传感器的局部透视图，示出了在径向槽内表面上中性轴线应变计放置。

图7是扭矩传感器的局部透视图，示出了在径向槽内表面上非中性轴线应变计放置。

图8A是四个惠斯通四分之一桥应变计电路的电示意图。

图8B是两个惠斯通半桥应变计电路的电示意图。

图8C是惠斯通全桥应变计电路的电示意图。

图9是制造扭矩传感器的方法步骤的流程图。

具体实施方式

为了简单和说明的目的，主要通过参考本发明的示例性实施例来描述本发明。在下面的描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了许多具体细节。然而，对于本领域普通技术人员来说，显而易见的是，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在本说明书中，没有详细描述公知的方法和结构，以免不必要地混淆本发明。

尽管本发明的实施例特别适于作为机器人关节扭矩传感器进行部署，但本领域技术人员将容易认识到，本申请在很大程度上独立于关节扭矩传感器设计和仪表。因此，本文所描述的本发明的实施例涉及“扭矩传感器”，其被配置为测量两个物体之间的轴向扭矩Tz。在机器人关节扭矩传感器应用中，连接到扭矩传感器的物体可以是6-DOF机器人臂的第一段(或与其刚性附接的任何物体)和致动器，如马达，其相对于第一段旋转地移动机器人臂的第二段。

应变计在力和扭矩传感器中的应用是众所周知的。应变计，尤其是硅应变计，在附接到经历膨胀或收缩的表面时，由于其长度的变化而表现出应变相关电阻。应变计电路(如惠斯通桥电路的某些配置)输出可用于量化应变计电阻的电压。如本文所用，“应变计响应”是指在无载荷状态和施加机械载荷下应变计电路的输出电压的差值。如本领域中已知的，比较以各种位置和取向放置在传感器主体上的多个应变计的响应可以产生关于施加到传感器的载荷的信息。用于消除这种歧义的数学构造在此被称为解耦矩阵。通常在校准程序中确定解耦矩阵。

扭矩传感器设计的现有技术中的一个已知问题是将轴向扭矩引起的应变计响应与其他力和扭矩引起的应变计响应(本文统称为“离轴载荷”)解耦。在现有技术中主要通过应变计放置、皱褶部的使用、电路设计和软件尝试进行这种解耦。

一种已知方法是将应变计放置在对离轴载荷不敏感或至少不那么敏感的位置。这通常是通过将应变计放置在可变形梁的中性轴线上实现的。在大多数现有技术的扭矩传感器中，应变计放置在可变形梁的侧面，在轴向扭矩载荷下此处的梁的表面张力和压缩最大。在使用单表面测量的传感器中(其中所有应变计都位于其相应的可变形梁的同一表面上，如上述合并的美国专利No.10422707)，应变计通常对施加到传感器的所有力和扭矩的应变都敏感。然而，单表面测量是有吸引力的，因为它可以减少所需的应变计的数量，并且由于应变计的放置和附接更容易而显著降低制造成本。

另一种方法是使用系列皱褶部。皱褶部是一种结构构件，其刚性比传感器的其他部分低得多，这允许在特定方向上的顺应，从而减少应变计上的不期望应变。在扭矩传感器中，通常在承载应变计的可变形梁(其本身是相对刚性的皱褶部)和传感器的外毂之间放置系列皱褶部。由于系列皱褶部的宽度较窄，并且需要精确的加工，因此具有系列皱褶部的传感器的制造成本往往很高。

在一些扭矩传感器中，通过与惠斯通半桥或全桥电路拓扑的其他应变计配对，可以取消或至少减少独立检测离轴载荷的应变计。最后，针对感测多个力和扭矩的应变计，通过使用解耦矩阵将应变计信号映射到力和扭矩测量值来减轻或消除离轴载荷的影响。

图1示出根据本发明一个实施例的扭矩传感器10。扭矩传感器10采用没有系列皱褶部的独特机械设计、单表面测量、策略性应变计放置、四分之一桥电路拓扑、以及解耦矩阵，来测量轴向扭矩Tz，同时减轻了离轴载荷的影响。扭矩传感器10包括大致圆形且大致平面的换能器板12。为了紧凑和成本效益，在一个实施例中，它被铣削或以其他方式形成为单个金属板。

换能器板12包括中心区14，在所示实施例中，中心区14包括中心孔，用于允许机械臂段之间的机械、电、气动等设施通过。在其他实施例中，中心区14可以是实心的或仅包括单个安装孔。垂直于换能器板12的平面的中心轴线z穿过中心。换能器板12还包括外围16。第一安装孔18形成在中心区14中或附近，并且被配置为将扭矩传感器10附接到第一物体。第二安装孔20形成在外围16处或附近，并且被配置为将扭矩传感器10附接到第二物体。扭矩传感器10被优化以测量第一物体和第二物体之间的轴向扭矩Tz，同时最小化离轴载荷的有害影响。

多个辐条22将中心区14连接到外围16。在图1所示的实施例中，辐条22是通过形成多个空隙24而形成的，使得相邻空隙24之间的换能器板12的材料形成辐条22。在图1所示的实施例中，空隙24是穿过换能器板12钻出的通孔，这在制造过程中非常容易且廉价地产生，但通常空隙24不限于通孔。在一个实施例中，每个辐条22包括两个凹的弧形侧。

两个径向槽28也是在中心区14和外围16之间穿过换能器板12形成的。每个径向槽28与一个或多个空隙24相邻，使得在该径向槽28和相邻的空隙24之间的换能器板12的材料形成仪表梁26。在图1的实施例中，其中空隙24是通孔，每个仪表梁26包括在一侧的直边和在另一侧的凹弧形边，但该配置不是对本发明实施例的限制。仪表梁26不包括薄特征，这简化并降低了扭矩传感器10的制造成本。

如图5所示，应变计30安装在每个仪表梁26上。在图1所示的实施例中，由于径向槽28具有大致直的侧面(在径向方向上)，并且相邻的空隙24具有弯曲的侧面，因此仪表梁26是不对称的，并且对所施加的载荷的应变沿着仪表梁26径向集中或不均匀。如本文更充分地描述的，应变计30在经受来自轴向扭矩Tz的大应力但没什么来自离轴扭矩Tx、Ty的应力的区域中附接到仪表梁26，这减轻了离轴载荷对轴向扭矩Tz测量的有害影响。

换能器板12(具有连接中心区14和外围16的辐条22和仪表梁26)在轴向扭矩Tz下表现出轻微的机械顺应或变形。然而，换能器板12在离轴载荷下表现出高得多的相对刚性。这样，换能器板12抵抗离开其平面的变形(例如，在离轴扭矩Tx、Ty下)或试图在任何径向方向上朝向或远离外围16移动中心区14的力(例如，离轴力Fx、Fy)，或试图在轴向方向(Fz)上使它们移动分开的力。

如本领域技术人员将容易理解的，扭矩传感器10可以包括附加特征。例如，图1示出了电子器件安装孔32，其为固定电阻器、模数转换器、微处理器、存储器等电子部件提供受保护的空间。此外，图1示出了定位销孔34，其接受相应的销，以确保扭矩传感器10在组装到例如机器人臂中时被正确定位和对准。

通过钻出相邻的空隙24形成辐条22以及通过与空隙24相邻地形成径向狭槽28而形成仪表梁26导致紧凑的换能器板12，其具有上述所期望的目标柔顺性和刚性，同时制造简单且成本低廉。然而，本领域技术人员将容易地认识到，扭矩传感器10的实施例不限于图1所示的特定换能器板12。

图2A至图2D示出用于扭矩传感器10的不同实施例的换能器板12的替代设计。为简单起见，图2A至图2D仅示出了形成辐条22的空隙24和与相邻的空隙24一起限定仪表梁26的径向槽28。省略了安装孔18、20和其他特征。空隙24可以是简单的通孔，如图1、图2A、图2C和图2D所示；它们可以是弧形槽，如图2B所示；或者它们可以是任何其他形状。类似地，径向槽28可以是矩形的，具有平行的径向侧面，如图1和图2B所示。或者，径向侧面可以不平行(例如，与实际半径对准)，如图2A所示。注意，图2C示出两种类型的径向槽28。在本发明的广泛范围内，其他形状也是可能的。例如，在图2D中，径向槽28是通孔，并且仪表梁26在两侧都包括凹弧形边。

在空隙24之间形成的辐条22在轴向扭矩Tz下是最易变形的。辐条22增加了在离轴载荷(即力Fx、Fy、Fz和扭矩Fx、F y)下的刚性。这减少了离轴载荷对轴向扭矩Tz测量的影响。辐条22在图1、图2A、图2C和图2D中被示出为由通孔形式的空隙24形成。这有助于降低成本和易于制造。然而，本发明的实施例不限于这种形状。如图2B所示，弧形槽提供了额外的设计灵活性，而不会显著增加制造成本。没有薄特征还有助于降低成本和易于制造。尽管扭矩传感器10在零辐条22(即，在换能器板12中不形成空隙24)的情况下也发挥功能，但是大约四到十个辐条在轴向扭矩Tz下提供理想的灵敏度，并且在离轴载荷Fx、Fy、Fz、Tx和Ty下提供刚性。

图3是仪表梁26的放大图。尽管本文所示的仪表梁26通常具有一个直侧(径向槽28的一侧)和一个弧形侧(通孔空隙24的一侧)，但这不是对本发明实施例的限制。空隙24和径向槽28优选地形成不对称的仪表梁26。如图3所示，仪表梁26在径向方向上的不对称性导致针对所施加的轴向扭矩Tz的应变的集中(如阴影所示)。应变计30在轴向扭矩Tz产生最大应变的位置处附接到仪表梁26。

图4A示出当扭矩传感器10经历轴向扭矩Tz时，应变计30的放置以及仪表梁26中应变的分布。小点的阴影区域处于张力状态，大点的阴影区域处于压缩状态，但对于相反方向的轴向扭矩，应变将是相反的。应变计30在轴向扭矩Tz下经历最大应变的区域中沿着仪表梁26放置。

如图4B所示，在平面弯曲扭矩Ty下，应变的分布明显不同。针对所示的该特定方向的Ty，在这里也是小点阴影区域处于张力状态，大点阴影区域处于压缩状态。应变计30的这种放置使得它们很少经历这种应变，因此针对该离轴载荷产生最小的输出。

因此，在一些实施例中，应变计30在同时是Tz下最大应变和Tx、Ty下最小应变的位置处附接到仪表梁26。这是重要的，因为在单表面应变计放置中，所有应变计都倾向于对所有施加的载荷产生响应。在这些实施例中，换能器板12的设计和应变计30的放置显著有助于减轻测量轴向扭矩Tz时离轴载荷的有害影响。在所示实施例中，应变计30的安装位置沿着径向槽28的直边，这还通过为应变计30的定向提供参考而使制造容易。没有薄的系列皱褶部另外还有助于可制造性和成本降低。

图5示出根据一个实施例的四个应变计30在扭矩传感器10上的放置。如图4A和图4B所示，在本实施例中，应变计30-0、30-1、30-2和30-3分别附接到不同仪表梁26的同一侧(上侧)，其位置在轴向扭矩Tz下经历最大应变，但在弯曲扭矩Tx、Ty下经历最小应变。将所有四个应变计30安装到上表面大大简化了制造。如本文更充分地描述的，如图5所示，换能器板12的设计和应变计30的放置导致离轴载荷Fx和Ty之间以及Fy和Tx之间线性相关。这将测量Tz所需的应变计30数量从现有技术中的单表面安装所需的六个减少到仅四个。这进一步降低了成本和制造复杂性。

然而，本发明不限于单表面应变计30的安装。图6示出应变计30-0和30-3附接到仪表梁26的侧面，该侧面形成径向槽28的内侧(相应的应变计30-1和30-2类似地安装到图6中不可见的径向槽28内表面)。在该实施例中，每个应变计30-0、30-1、30-2和30-3都附接到不同的仪表梁26，并且沿着仪表梁26的该表面的中性轴线附接。仪表梁26的中性轴线是当该表面的一侧处于张力状态而另一侧处于压缩状态时不经历应变的线。在该位置，应变计30主要响应于沿着仪表梁26的该表面纵向对准的应变。因此，在该实施例中，扭矩传感器10对离轴载荷(即Fz、Tx、Ty)的敏感性低于图4A、图4B和图5中所示的实施例。然而，在这些位置安装应变计30较困难，因此增加了制造成本。

在图7中所示的另一个实施例中，两个仪表梁26中每一个的一个内表面与中性轴线间隔开地附接有两个应变计30。在这种放置中，应变计30针对在径向槽28的内表面上产生不同应变的施加载荷产生输出。与图6的实施例类似，在该实施例中，扭矩传感器10对离轴载荷(即Fz、Tx、Ty)的敏感性低于图4A、图4B和图5中所示的实施例。然而，在这些位置安装应变计30也较困难，因此增加了制造成本。

通常，只有一个应变计30产生功能性扭矩传感器10；然而，，无法补偿应变计30由离轴载荷导致的输出。通常，添加更多的应变计30可增加扭矩传感器10的精度和分辨率，并且连同换能器板12设计和应变计放置的考虑，允许从轴向扭矩Tz测量中消除或减轻离轴载荷。例如，超过四个应变计30可导致灵敏度增加；另一方面，额外的应变计30增加了成本。如在上述合并的美国专利No.10422707中所讨论的，应变计30可以安装到扭矩传感器10的无应力构件，其输出可以用于补偿应变计30的输出随温度变化的变化。

不限于扭矩传感器，也不限于本文所述的任何特定实施例的本发明的一个新颖概念是应变计30的响应耦合。如本文所用，响应“耦合”是指力/扭矩传感器设计，包括传感器主体的机械特征、应变计在传感器主体上的放置以及从其获得应变计响应的应变计电路，其中，在一个力或扭矩下的应变计响应与针对另一个扭矩或力的应变计响应线性相关。当一个应变计响应矢量是另一个应变计响应矢量的倍数时，两个应变计响应是耦合的。当一个应变计响应矢量是一个或多个不同应变计响应矢量的倍数时，应变计响应是线性相关的。

在本发明的实施例中，应变计30的响应耦合将独立测量轴向扭矩Tz所需的应变计30的数量从传统所需的六个应变计30减少到仅四个，即使在这四个应变计30对所有六个力和扭矩都敏感的情况下(例如在单个表面放置中)也是如此。

表1给出了应变计30-0至30-3在所有六个所施加的力和扭矩下的输出的代表性示例。应变计信号是应变计30电路的输出电压。应变计响应是在无载荷状态和在指定轴线上施加的指定大小的载荷时应变计信号的变化。

表1：针对代表性示例载荷的应变计响应

例如，Fx应变计响应矢量<1,1，-1，-1>意味着，从无载荷状态到沿着x轴线施加1N的力，应变计30-0和30-1的应变计电路的输出电压增加1伏，而对于传感器10载荷的相同变化(没有明显的温度变化)，应变计30-2和30-3的应变计电路的输出电压减少1伏。

在本示例中，针对Fy和Tx的应变计响应是耦合的或线性相关的。对于每个应变计30，针对Tx的应变计响应是针对Fy的应变计响应的五倍。例如，对于力矢量<5,-5-,5,5>且没有关于所施加的载荷的信息的情况下，无法区分是在Fy中施加了5N的力，还是在Tx中施加了1Nm的扭矩。力Fy和扭矩Tx是线性相关的或耦合的，因为一个的应变计响应矢量是另一个的应变计响应矢量的倍数。注意，在这个代表性示例中，Fx和Ty的应变计响应也是耦合的，它们相差-1的倍数。

因为两对力和扭矩是耦合的，所以它们中的每对可以组合，并且针对施加的所有载荷的应变计响应被表示为四乘四线性系统，即四个力/扭矩载荷(单独的或耦合的)产生四个独特的应变计响应矢量。该系统可以反转，以将应变计响应矢量映射到力和扭矩。表2描述了四个独特的应变计响应，以及产生这些响应的直接或耦合的力和扭矩。

表2：具有耦合的力/扭矩对的应变计响应

由于两对耦合的力/扭矩，应变计30的响应提供全阶线性系统，其中四个应变计30的响应矢量唯一地识别并至少部分地量化四个机械载荷：Tz、Fz、FyTx耦合和FxTy耦合。在扭矩传感器10中，轴向力和耦合的力/扭矩解被忽略，并且期望的轴向扭矩Tz被解耦矩阵直接解析。在其他应用中，在关于Fz、FyTx耦合和/或FxTy耦合载荷的信息可能有用的情况下，这些也可以通过解耦矩阵直接解析，尽管在耦合载荷的情况下，潜在的力或扭矩被识别，但无法量化其大小。在某些情况下，关于机器人臂段的位置信息可用来解耦耦合载荷，从而允许更充分的解析。即使没有这样的位置信息，轴向力Fz也被直接且充分地解析，因此扭矩传感器10实际上是用于轴向(z)轴线的力/扭矩传感器。

图8A示出惠斯通四分之一桥电路中的四个应变计30-0、30-1、30-2和30-3。应变计30在源电压和地之间与固定电阻器串联连接，并且在中心节点处获取应变计电路的输出电压。如上所述，由此测量的应变计响应可以独立地解析Tz、Fz、FyTx耦合和FxTy耦合。如上述合并的美国专利No.10422707中所述，可以包括无应力应变计作为由温度引起的应变计输出的变化的参考。标题为“Quarter-Bridge Hardware Temperature Compensation forForce/Torque Sensor”的美国专利申请，与本申请同时提交，转让给本申请的受让人，并通过引用全部并入本文，其描述了一种通过添加和调整分别与承受载荷的应变计和无应力应变计并联的微调电阻器的值，将四分之一桥电路中的应变计的操作线性化的系统和方法，该系统和方法在预定温度范围内提供基本平坦的应变计响应。四分之一桥配置还允许补偿预载荷。例如，如果在要测量的轴向扭矩之前向扭矩传感器施加了离轴载荷，则四分之一桥应变计电路的输出可以解析该预载荷和轴向扭矩，从而提高后者的测量精度。

四分之一桥配置不是在本发明的实施例中有用的唯一电路拓扑。图8B示出惠斯通半桥电路中的应变计30-0、30-1、30-2和30-3。该电路在温度上比图8A的四分之一桥电路更稳定。然而，它不能同时独立地解析Tz和Fz，并且对传感器预载荷引起的增益变化敏感。

图8C示出惠斯通全桥电路中的应变计30-0、30-1、30-2和30-3。该电路在温度上也比图8A的四分之一桥电路更稳定。然而，它不能同时独立地解析Tz和Fz，并且对传感器预载荷引起的增益变化敏感。

图9示出根据本发明实施例的制造扭矩传感器10的方法100中的步骤。提供大致圆形、大致平面的换能器板12(框102)。换能器板12具有中心区14和外围16，中心区14具有垂直中心轴线z。靠近中心区14形成一个或多个第一安装孔18(框104)。第一安装孔18被配置为附接到第一物体(如机器人臂的第一段)。靠近外围16形成一个或多个第二安装孔20(框106)。第二安装孔被配置为附接到第二物体(如控制机器人臂的第一段和机器人臂的第二段之间的运动的马达)。在中心区和外围之间穿过换能器板12形成多个空隙24(框108)。相邻的空隙24限定连接中心区14和外围16的辐条22。在中心区14和外围16之间穿过换能器板12形成一个或多个径向槽28(框110)。每个径向槽28与至少一个空隙24相邻。在径向槽28和空隙24之间的换能器板12限定连接中心区14和外围16的仪表梁26。将应变计30附接到仪表梁24(框112)。将应变计30连接到应变计电路，该应变计电路输出取决于应变计30的应变相关电阻的电压(框114)。

本发明的实施例与现有技术相比具有许多优点。换能器板12的设计使扭矩传感器10能够顺应轴向扭矩，但对离轴载荷表现出高的相对刚性，使得传感器10对离轴载荷的有害影响不太敏感。在一个实施例中，应变计30仅安装到换能器板12的顶表面，使得制造成本较低。为了易于制造，换能器板12采用简单几何形状的和容易形成的空隙24和轴向槽28。所得到的辐条22和仪表梁26不采用复杂、昂贵的薄特征。仪表梁26是不对称的，产生对离轴载荷引起的应变不敏感的位置，从而允许对弯曲扭矩Tx、Ty几乎不敏感的顶表面测量。换能器板12允许大的中心通孔，用于使机器人臂段之间的设施或机械耦合通过。换能器板12的设计、应变计30的放置以及在一个实施例中的四分之一桥电路拓扑允许仅使用四个应变计30直接解析轴向扭矩Tz(如果需要，还允许解析Fz、FyTx耦合和FxTy耦合)。

通常，本文中使用的所有术语应根据其在相关技术领域中的普通含义进行解释，除非明确给出和/或从其使用的背景中暗示了不同的含义。除非另有明确说明，否则对元件、设备、部件、装置、步骤等的所有引用应开放地解释为引用元件、设备或部件、装置或步骤等的至少一个实例。本文公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序执行，除非步骤被明确描述为在另一步骤之后或之前，和/或其中隐含步骤必须在另一步骤之后或之前。在适合的情况下，本文公开的任何实施例的任何特征都可以应用于任何其他实施例。同样，任何实施例的任何优点都可以应用于任何其他实施例，反之亦然。

如本文所用，术语“配置为”是指建立、组织、改编或安排为以特定方式操作；该术语与“设计为”同义。如本文所用，术语“实质上”是指几乎或基本上，但不一定完全；该术语包含并说明机械或部件值公差、测量误差、随机变化和类似的不精确来源。如本文所用，术语“大致圆形”是指具有中心区和与中心大致等距的外围的形状，但不一定限于几何圆。例如，六边形、八边形等是“大致圆形”的多边形。如本文所用，术语“大致平面”是指具有相对的平面表面的形状，但不排除非平面特征，如轮缘(rim)、唇缘(lip)、凸缘(flange)等。

当然，在不偏离本发明的基本特征的情况下，本发明可以以本文中具体阐述的方式以外的其他方式来实施。这些实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等效范围内的所有变化都应包含在其中。

Claims (24)

1.一种扭矩传感器，其被配置为测量第一物体和第二物体之间的轴向扭矩，包括：

大致圆形、大致平面的换能器板，其具有中心区和外围，所述中心区具有垂直的中心轴线z；

一个或多个第一安装孔，其靠近所述中心区并且被配置为附接到所述第一物体；

一个或多个第二安装孔，其靠近所述外围并且被配置为附接到所述第二物体；

在所述中心区和所述外围之间穿过所述换能器板的多个空隙，其中相邻的空隙限定连接所述中心区和所述外围的辐条；

在所述中心区和所述外围之间穿过所述换能器板的一个或多个径向槽，每个径向槽与至少一个空隙相邻，其中在该径向槽和该空隙之间的所述换能器板限定连接所述中心区和所述外围的仪表梁；

附接到所述仪表梁的应变计；以及

应变计电路，其连接到所述应变计并且被配置为输出取决于所述应变计的应变相关电阻的电压。

2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中至少一个空隙是通孔。

3.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中至少一个空隙是弧形槽。

4.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中至少一个径向槽是通孔。

5.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述换能器板在围绕轴线的扭矩Tz下比在任何其他力Fx、Fy、Fz或扭矩Tx、Ty下表现出更大的机械顺应性。

6.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述扭矩传感器包括至少四个应变计，每个应变计附接到单独的仪表梁。

7.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其中所述应变计都附接到它们相应的仪表梁的同一侧。

8.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其中每个应变计附接到其相应的仪表梁的一侧，该侧是径向槽的内侧。

9.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其中有两个力或扭矩是耦合的，使得针对这两个力或扭矩中的一个的应变计响应是针对这两个力或扭矩中的另一个的应变计响应的倍数。

10.根据权利要求9所述的扭矩传感器，其中不同的另外两个力或扭矩是耦合的，使得针对这两个力或扭矩中的一个的应变计响应是针对这两个力或扭矩中的另一个的应变计响应的倍数。

11.根据权利要求10所述的扭矩传感器，其中这四个应变计响应以及单独的和耦合的载荷包括四乘四线性系统，并且其中围绕轴线的扭矩Tz直接由所述四个应变计响应和解耦矩阵确定。

12.根据权利要求11所述的扭矩传感器，其中平行于轴线的力Fz也直接由所述四个应变计响应和所述解耦矩阵确定。

13.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其中所述扭矩传感器是机器人关节扭矩传感器，并且其中所述第一物体是机器人臂的两段之间的关节的致动器，并且所述第二物体刚性地附接到所述两段之一。

14.一种扭矩传感器，包括：

换能器板，其具有轴线并且被配置为附接在第一物体和第二物体之间；和

附接到所述换能器板的四个应变计，每个应变计连接到一个应变计电路；

其中所述换能器板的配置、应变计的放置和应变计电路使得针对两个不同的力和扭矩对中的每一对的应变计响应是线性相关的，其中针对每对中的力的应变计响应与针对该对中的扭矩的应变计响应相差数倍，并且这四个应变计响应包括四乘四线性系统，其中至少围绕所述轴线的扭矩由这些应变计响应和解耦矩阵直接确定。

15.根据权利要求14所述的扭矩传感器，其中应变计响应是相应的应变计电路在无载荷状态和施加载荷状态的输出电压的差值。

16.根据权利要求14所述的扭矩传感器，其中所述换能器板在轴向扭矩下表现出顺应性，但在离轴载荷下表现出刚性。

17.根据权利要求14所述的扭矩传感器，其中每个应变计附接到将所述换能器板的中心区连接到所述换能器板的外围的不对称仪表梁的同一侧。

18.根据权利要求17所述的扭矩传感器，其中每个仪表梁的附接有应变计的表面包括在一侧的直边和在相对侧的凹弧形边。

19.根据权利要求17所述的扭矩传感器，其中应变计附接到仪表梁的位置是经历由所施加的轴向扭矩引起的应变但对所施加的离轴载荷很少或没有应变的位置。

20.根据权利要求14所述的扭矩传感器，其中线性相关的力和扭矩对是Fx和Ty，以及Fy和Tx。

21.一种制造扭矩传感器的方法，包括：

提供大致圆形、大致平面的换能器板，该换能器板具有中心区和外围，所述中心区具有垂直的中心轴线z；

靠近所述中心区形成一个或多个第一安装孔，所述第一安装孔被配置为附接到第一物体；

靠近所述外围形成一个或多个第二安装孔，所述第二安装孔被配置为附接到第二物体；

在所述中心区和所述外围之间穿过所述换能器板形成多个空隙，其中相邻的空隙限定连接所述中心区和所述外围的辐条；

在所述中心区和所述外围之间穿过所述换能器板形成一个或多个径向槽，每个径向槽与至少一个空隙相邻，其中该径向槽和该空隙之间的所述换能器板限定连接所述中心区和所述外围的仪表梁；

将应变计附接到所述仪表梁；和

将所述应变计连接到应变计电路，所述应变计电路输出取决于所述应变计的应变相关电阻的电压。

22.根据权利要求21所述的制造扭矩传感器的方法，其中穿过所述换能器板形成第一多个空隙包括钻出第一多个通孔。

23.根据权利要求21所述的制造扭矩传感器的方法，其中将应变计附接到仪表梁包括将四个应变计中的每一个附接到不同仪表梁的同一表面。

24.根据权利要求23所述的制造扭矩传感器的方法，其中所述空隙和所述径向槽的位置、所述应变计的放置以及所述应变计电路的配置使得针对两个不同的力和扭矩对的应变计响应是线性相关的，其中针对每对中的力的应变计响应与针对该对中的扭矩的应变计响应相差数倍，并且四个应变计响应包括四乘四线性系统，其中至少围绕所述轴线的扭矩由这些应变计响应和解耦矩阵直接确定。