本发明专利技术提供了一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器，包括：传感器支架法兰；弹性体，一端粘接于柔轮圆周外表面，另一端粘接于支架上，用于将关节所承受的负载力矩对柔轮的剪切应变和波发生器对柔轮的挤压形变通过自身放大转变为弹性应变后传递给应变片；其中，柔轮在波发生器挤压下变形为椭圆；应变片，粘贴在弹性体上，组成桥式电路与信号处理电路连接，用于将弹性应变的机械信号转变为电压信号，发送给信号处理电路；信号处理电路，接收关节模块中的光电编码器在测量到柔轮的椭圆短轴经过支架时的指示信号，将接收到指示信号时接收的电压信号对应的负载电压值转换为负载力矩值。本发明专利技术还提供了一种内嵌扭矩传感装置。能够提高负载力矩测量精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种结构新颖的扭矩传感器及传感装置，确切地说，涉及一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器及传感装置，属于仪器仪表装置中的模块化机器人关节测量的扭矩传感器的
技术介绍
随着机器人技术的不断发展，对模块化机器人(ModularRobot)技术也提出了更高的技术要求，如快速重构，高精度与高响应的速度、智能化等。模块化机器人是通过各个模块化子系统的结构变化和组合，实现强柔性工作任务的机器人系统。模块化机器人具有高柔性、高集成度、开发周期短和易维护等许多特点，在敏捷制造、危险环境、航空航天等方面具有广泛的研究和应用前景。目前，在机器人市场，模块化机器人的部分产品已经得到了成熟的应用，具有代表性的如SCHUNK公司的Powercube、LWA系列模块等。关节模块是构成模块化机器人的基本要素，其性能也决定了机器人重构后的工作能力，具有优异性能的关节模块将极大地提升机器人的工作性能。在执行某些任务时，力的控制是必不可少的环节。以谐波减速器作为输出端的关节模块在测量负载力矩时，内嵌扭矩传感器要比末端力/力矩传感器具有体积小巧、质量轻和无需再求解与计算等许多优势。谐波减速器中包括波发生器、柔轮和钢轮。潘新安等提出了一种纹波消除方法，将应变片粘贴在柔轮端面上，通过测量柔轮端面的剪切应变，用于反应关节的输出负载力矩大小。但是，该结构的重点是在消除纹波，实际动态工作状态下柔轮端面尺寸较小、噪声较大，无法满足动态测量要求。而且，因为柔轮工作时的剪切应变量极小，难以测量精准，所以这种方法最大的缺点是无法保证测量精度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器及传感装置，能够减小扭矩传感器对关节柔性的影响，同时保证测量精度。而且，测量范围广泛，体积小巧，不影响关节的输出特性，还有效降低测量成本。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器，所述关节模块中设置有谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮和钢轮，所述扭矩传感器包括：传感器支架法兰，包括支架和法兰，其中支架固定端与法兰连接，悬空端通过弹性体连接在柔轮外表面，法兰通过螺栓与柔轮连接固定到关节模块上；用于将扭矩传感器和柔轮固定连接到关节模块上；弹性体，一端粘接于柔轮圆周外表面，另一端粘接于支架上，用于将关节所承受的负载力矩对柔轮的剪切应变和波发生器对柔轮的挤压形变通过自身放大转变为弹性应变后传递给应变片；其中，柔轮在波发生器挤压作用下变形为椭圆；应变片，粘贴在弹性体上，组成桥式电路与信号处理电路连接，用于将弹性应变的机械信号转变为电压信号，发送给信号处理电路；信号处理电路，接收关节模块中的光电编码器在测量到柔轮的椭圆短轴经过支架时的指示信号，将接收到指示信号时接收的电压信号对应的负载电压值转换为负载力矩值。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种用于关节模块的内嵌扭矩传感装置，包括所述的内嵌扭矩传感器，还包括位于关节模块中的光电编码器，用于在关节空载和承受负载力矩时，测量到柔轮的椭圆短轴经过支架时，向信号处理电路发送指示信号，指示所述信号处理电路处理当前从应变片接收到的电压信号。本专利技术将谐波减速器柔轮剪切应变通过粘贴在柔轮上的弹性体转化为弹性应变进行测量，由于本专利技术的扭矩传感器内嵌在关节模块上，所以不增加关节柔性，而且本专利技术的内嵌扭矩传感器柔轮工作时的剪切应变通过弹性体放大，转变为弹性应变，大大提高了负载力矩的测量精度。并且，本专利技术用于关节模块的内嵌扭矩传感器，工作方式简单、测量速度快、体积小、有效降低了成本。附图说明图1是本专利技术关节模块内嵌扭矩传感器的结构示意图。图2是谐波减速器的结构示意图。图3是采用有限元方法对建模划分网格的示意图。图4是采用有限元方法得到的柔轮总应变示意图。图5是柔轮背面测量区域示意图。图6是扭矩传感器与柔轮的相对位置示意图。图7是图6中沿线A-A截取的剖面图。图8是图7中的放大示意图。图9是本实施例中应变片组成桥式电路与信号处理电路连接的电路示意图。图10是本专利技术实施例输出负载力矩-电压关系曲线图。部件名称为：静块端盖1、光电编码器2、主轴3、受力轴承右4、电机套筒5、动块外壳6、受力轴承左7、传感器支架法兰8、法兰紧定螺栓9、谐波减速器钢轮10、谐波减速器柔轮11、动块端盖12、钢轮固定螺栓13、谐波减速器波发生器14、传动轴承左15、直流无刷电机16、传动轴承右17、电机端盖18、制动器19、控制器20、静块外壳21、外端连接套22、外端定位套23、右应变片组24、右弹性体25、左弹性体26、左应变片组27。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术作进一步的详细描述。本专利技术已进行测量试验，试验证明，这种新的内嵌扭矩传感器能够达到所述的实际效果。本专利技术的内嵌扭矩传感器测量目标为关节模块，图1是本专利技术关节模块内嵌扭矩传感器的结构示意图。关节模块主要由静块和动块两部分组成，直流无刷电机16通过传动轴承左15和传动轴承右17将转动传至波发生器14，波发生器14挤压柔轮11变形，再由谐波减速器钢轮10输出；谐波减速器采用了柔轮11固定、波发生器14输入、钢轮10输出的布置。光电编码器2、制动器19、控制器20置于静块内，关节受力主要由受力轴承右4和受力轴承左7承担。其中，谐波减速器的结构示意图如图2所示，谐波减速器包括波发生器14、柔轮11和钢轮10，采用柔轮固定、波发生器输入、钢轮输出的形式。柔轮与关节的静块相连，波发生器与主轴相连，钢轮连接关节动块承受负载力矩。关节模块的谐波减速器工作时，波发生器强制柔轮发生挤压形变成为椭圆状，同时，由于钢轮承受负载力矩，然后对柔轮的作用，使得柔轮产生剪切应变。而且，谐波减速器在柔轮固定状态下工作时，柔轮自身不旋转，因此，选择柔轮进行负载力矩的测量。进一步地，本专利技术中，采用有限元方法分析柔轮的应力应变状态，确定柔轮最佳的测量区域。首先，采用Proe软件进行1:1三维建模；然后，采用有限元方法对建模划分网格，在柔轮上形成总应变图。在划分网格时使用了自动划分，网格划分结果如图3所示。由网格划分图可以看出，网格密集的区域集中在齿轮及其附近，这是由于柔轮齿数的关系。然后，按柔轮工作条件添加负载力矩，主要负载力矩来自钢轮对柔轮的作用，柔轮的最大变形受到钢轮齿形的约束，成为柔轮变形的边界条件之一。按工作在400牛米(Nm)时添加约束条件，得到400Nm时的总应变图如图4所示。由总应变图可知，柔轮端面和背面靠近齿轮根部的位置梯度变化最大，适合作为测量负载力矩的圆周截面。端面测量由于柔轮的壁厚较薄，不具备完整的测量特性，会带来振动和噪声等引起误差，故优先选择背面测量，柔轮背面测量区域如图5所示。所以，下面所述支架连接固定在柔轮外表面，以及弹性体一端粘接于柔轮圆周外表面，其中柔轮外表面优先选择柔轮背面。下面详细说明本专利技术提出的一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器，包括：传感器支架法兰，包括支架和法兰，其中支架固定端与法兰连接，悬空端通过弹性体连接在柔轮外表面，法兰通过螺栓与柔轮连接固定到关节模块上；用于将扭矩传感器和柔轮固定连接到关节模块上；弹性体，一端粘接于柔轮圆周外表面，另一端粘本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器，所述关节模块中设置有谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮和钢轮，所述扭矩传感器包括：传感器支架法兰，包括支架和法兰，其中支架固定端与法兰连接，悬空端通过弹性体连接在柔轮外表面，法兰通过螺栓与柔轮连接固定到关节模块上；用于将扭矩传感器和柔轮固定连接到关节模块上；弹性体，一端粘接于柔轮圆周外表面，另一端粘接于支架上，用于将关节所承受的负载力矩对柔轮的剪切应变和波发生器对柔轮的挤压形变通过自身放大转变为弹性应变后传递给应变片；其中，柔轮在波发生器挤压作用下变形为椭圆；应变片，粘贴在弹性体上，组成桥式电路与信号处理电路连接，用于将弹性应变的机械信号转变为电压信号，发送给信号处理电路；信号处理电路，接收关节模块中的光电编码器在测量到柔轮的椭圆短轴经过支架时的指示信号，将接收到指示信号时接收的电压信号对应的负载电压值转换为负载力矩值。
【技术特征摘要】
1.一种用于关节模块的内嵌扭矩传感器，所述关节模块中设置有谐波减速器，所述谐波减速器包括波发生器、柔轮和钢轮，所述扭矩传感器包括：传感器支架法兰，包括支架和法兰，其中支架固定端与法兰连接，悬空端通过弹性体连接在柔轮外表面，法兰通过螺栓与柔轮连接固定到关节模块上；用于将扭矩传感器和柔轮固定连接到关节模块上；弹性体，一端粘接于柔轮圆周外表面，另一端粘接于支架上，用于将关节所承受的负载力矩对柔轮的剪切应变和波发生器对柔轮的挤压形变通过自身放大转变为弹性应变后传递给应变片；其中，柔轮在波发生器挤压作用下变形为椭圆；应变片，粘贴在弹性体上，组成桥式电路与信号处理电路连接，用于将弹性应变的机械信号转变为电压信号，发送给信号处理电路；信号处理电路，接收关节模块中的光电编码器在测量到柔轮的椭圆短轴经过支架时的指示信号，将接收到指示信号时接收的电压信号对应的负载电压值转换为负载力矩值。2.如权利要求1所述的内嵌扭矩传感器，其特征在于，所述信号处理电路，还用于在关节空载时，接收关节模块中的光电编码器在测量到柔轮的椭圆短轴经过支架时的指示信号，记录空载电压值；所述信号处理电路，将负载电压值转换为负载力矩值具体用于，将负载电压值减去空载电压值得到由负载力矩产生的电压变化...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙汉旭，李晓，唐颖雯，廖琳静，宋荆州，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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