力矩传感器、机械指、机器人系统的制作方法

本发明涉及对力矩的计量，尤其涉及一种力矩传感器、机械指、机器人系统。

背景技术：

1、目前，经大量检索发现，电容式六维力传感器均采用平行板电容原理感测xyz三维力以及xyz三维力矩，传感器的精确测量、保持一致性需要平行板表面的加工精度非常高来感测平行板两个相对面上任意点的距离变化；同时，还需确保组装的每个平行板的两个相对面均保持平行，安装要求非常高；并且，基于平行板电容的电容式六维力传感器，弹性梁呈整体，不管哪里受力/力矩，对于其他方向都有影响，六维力的解耦算法需要非常复杂，任意变化将导致算法里面的很多参数都要关联修正。

2、以上种种原因共同导致：1、电容式六维力传感器万元起步的高昂售价，而机器人关键关节均有力矩测量需求，一个机器人身上就需要几十个力矩传感器，高昂的传感器成本成为高端机器人发展难以接受的经济阻碍；2、电容式六维力传感器外形的整体体积难以做到更加小型化，六维力传感器外形为柱状体，目前已知最小尺寸为日本制造的传感器，尺寸做到φ9.6x9mm,以往电容式六维力传感器应用于工业机械臂关节，机械臂关节中具有足够空间允许容纳大尺寸传感器同时动力传输走线，机器人系统需要感知力对关节产生的力矩影响，传感器装于节段的关节部，当前六维力传感器尺寸近乎将关节截面堵满，对节段与节段之间的动力传输走线造成干涉，应用机器人系统的传感器希望越小越好。

3、本公司之前申请202411542130.8号专利，出于检测表面触觉目的提出一种柔性电极力学传感器结构，可以测量力和力矩，中心采用弹簧变形，变形量大，传感器体积下限难以突破。

4、另一方面，机器人系统当前的普遍共识是必须具备表面触觉能力，机器人系统自身通过表面触觉已然具备三维力感知功能，传感器在机器人的应用上不必然如工业机械臂要求六维感知，传感器可以仅检测力矩搭配机器人表面触觉共同形成力与力矩的系统感测。对于仅需测量力矩的需求而言，传感器体积具有进一步缩小空间。

技术实现思路

1、为改善现有技术中的不足，本发明拟提供一种仅测量力矩的传感器。

2、作为解决方案，本发明的力矩传感器，包括基座、检测部件、电容数字转换电路、处理模块；检测部件至少包括构成传感器检测连接端的固定块和自固定块底部朝法向延伸的支撑柱，固定块用于物理连接至外部受力组件从而构建两者之间的力学耦合，支撑柱顶部连接固定块，底部固定至基座，支撑柱作为阻止固定块法向压合变形的第一限位件；基座与固定块之间设置至少两个变换单元，各个变换单元绕支撑柱点对称或轴对称布置，变换单元相对于基座的投影面积小于固定块相对于基座的投影面积，变换单元与固定块之间具有力学耦合；变换单元相对基座的表面具有动电极，每个动电极下方设置位于基座的至少一个静电极，动电极相对静电极的投影至少覆盖对应的每个静电极的部分面积，动电极与静电极绝缘，静电极的表面精度大于固定块表面和/或基座表面的非静电极所在区域的表面精度，动电极与静电极的表面精度差异小于设定阈值，固定块受力带动变换单元至多产生动电极与静电极之间的微米级的间距变化；电容数字转换电路耦合对应电极以获取动电极与静电极之间的电容；处理模块耦合电容数字转换电路，用于依据电容之间的差异输出表征力矩的电信号。

3、本发明提供的力矩传感器，还包括以下附属方案：

4、其中，变换单元固定至基座和/或固定块，包括经由弹性导体形成的至少一个弯曲电极，弯曲电极作为动电极，经由弯曲产生对对应静电极的预压，固定块受力带动变换单元改变动电极与静电极之间的间距和间接接触面积；变换单元中的弯曲电极以及对应的静电极沿静电极长度方向的静电极相对动电极投影面积的几何中心线形成对称结构。

5、其中，以支撑柱延伸方向作为z向，基座与固定块之间设置第一变换单元、第二变换单元、第三变换单元、第四变换单元；第一变换单元、第三变换单元沿x轴分布，第二变换单元、第四变换单元沿y轴分布。

6、其中，处理模块依据第一变换单元、第三变换单元对应的电容之差输出表征x轴力矩的电信号，和/或依据第二变换单元、第四变换单元对应的电容之差输出表征y轴力矩的电信号。

7、其中，每个变换单元下方设置第一静电极、第二静电极，第一静电极、第二静电极沿几何中心线对称。

8、其中，以支撑柱延伸方向作为z向，处理模块依据第一静电极、第二静电极的电容之差输出表征z轴力矩的电信号。

9、其中，变换单元为一个弯曲电极，弯曲电极为圆环电极或椭圆环电极。

10、其中，弯曲电极的顶部和/或底部经由弯折形成第一嵌入部，基座和/或固定块开设供第一嵌入部安装的嵌位孔；或者，基座和/或固定块朝弯曲电极凸出延伸形成第一嵌入部，弯曲电极开设供第一嵌入部安装的嵌位孔。

11、其中，变换单元的旁侧或中间设置有第二限位件，第二限位件作为对应方向力矩的过载保护部件用于在变换单元受压变形超过最大量程后形成阻碍。

12、其中，第二限位件为自基座和固定块中的其中一者向另一者延伸的限位柱，限位柱与另一者之间具有对应最大量程的间隙。

13、其中，变换单元采用不锈钢带制成。

14、其中，变换单元相对于基座的投影面积小于固定块相对于基座的投影面积的20％。

15、其中，固定块与支撑柱一体成型。

16、其中，固定块侧壁开设用于锁紧至受力组件的装配孔；和/或固定块作为受力组件的非受力面的壳体组成部分。

17、其中，基座为pcb板，pcb板中部开孔；支撑柱下部形成外径缩小的镶嵌部，镶嵌部嵌入pcb板中部孔位，镶嵌部与支撑柱其余部位的交界处具有用于卡接基座顶面的阶梯。

18、其中，基座和/或固定块表面开设有用于穿线的过道。

19、还提供一种机械指，机械指的指节设置有用于表面接触的受力组件以及上述的力矩传感器。

20、还提供一种机器人系统，包括上述的机械指。

21、本发明的力矩传感器具有体积小、结构紧凑、成本低、加工容易、精加工面积及要求降低、精度可控、抗干扰等优势。

1.力矩传感器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的力矩传感器，其特征在于：

5.根据权利要求2、3或4所述的力矩传感器，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的力矩传感器，其特征在于：

7.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于：变换单元为一个弯曲电极，和/或变换单元为圆环电极或椭圆环电极。

8.根据权利要求7所述的力矩传感器，其特征在于：

9.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于：变换单元的旁侧或中间设置有第二限位件，第二限位件作为对应方向力矩的过载保护部件用于在变换单元受压变形超过最大量程后形成阻碍。

10.根据权利要求9所述的力矩传感器，其特征在于：第二限位件为自基座和固定块中的其中一者向另一者延伸的限位柱，限位柱与所述另一者之间具有对应所述最大量程的间隙。

11.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于：变换单元采用不锈钢带制成。

12.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：变换单元相对于基座的投影面积小于固定块相对于基座的投影面积的20％。

13.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：固定块与支撑柱一体成型。

14.根据权利要求13所述的力矩传感器，其特征在于：固定块侧壁开设用于锁紧至受力组件的装配孔；和/或固定块作为受力组件的非受力面的壳体组成部分。

15.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：

16.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：基座和/或固定块表面开设有用于穿线的过道。

17.机械指，其特征在于，所述机械指的指节设置有用于表面接触的受力组件以及如权利要求1-16任一项所述的力矩传感器。

18.机器人系统，其特征在于，包括如权利要求17所述的机械指。