一种用于机器人关节的扭矩传感器的制作方法

本申请涉及机器人关节力感知，具体涉及一种用于机器人关节的扭矩传感器。

背景技术：

1、随着协作机器人、精密装配机器人的快速普及，关节端的高精度扭矩感知已经成为机器人实现力控打磨、精密装配、人机协作等功能的核心基础部件。当前主流的机器人关节扭矩传感器大多采用单一全桥应变测量方案，仅能对单一轴向扭矩进行检测，在机器人关节实际运行过程中，不可避免会受到径向倾覆力矩、切向附加力矩的干扰，这类串扰力矩会直接叠加在主扭矩的测量结果中，导致测量误差高，严重影响机器人的力控精度。

2、现有技术中为了抑制串扰，通常采用增加额外独立检测传感器、加厚弹性体结构的方式，这不仅会大幅增加传感器的轴向与径向体积，难以适配机器人关节紧凑的中空走线安装空间，还会提升整体结构的复杂度与制造成本。同时，传统的应变片大多采用胶水粘贴的方式固定，在机器人关节长期往复运动、温度波动的工况下，容易出现应变片脱粘、蠕变加剧的问题，进一步降低测量的长期稳定性。

3、此外，常规的扭矩传感器解算方案大多采用固定的响应系数矩阵进行运算，无法适配弹性体在大量程、变载荷工况下的非线性响应特性，当传感器长期承受交变载荷后，固定系数的解算方式会出现明显的测量漂移，难以满足工业级机器人长期稳定运行的精度要求。因此，开发一种结构紧凑、可同步解耦主扭矩与串扰力矩、长期稳定性优异的机器人关节专用扭矩传感器，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有机器人扭矩传感器存在的上述不足，本申请提供一种用于机器人关节的扭矩传感器。该扭矩传感器采用梯度刚度分区的非等厚中空圆环形弹性主体，采用玻璃微融技术将特制的半导体硅基应变片烧结固定在中空圆环形弹性主体外壁的应变槽环中，通过将半导体硅基应变片上感应单元的设置和连接关系，配合相应的解算方法精确地解算出扭矩和相应的串扰力矩，实现机器人关节力矩的高精度、多维度同步检测。

2、本申请提供的用于机器人关节的扭矩传感器包括中空圆环形主体和柔性pcb模块。所述中空圆环形主体的一端设有受力安装螺纹，其外壁上开设有应变槽环。所述应变槽环在周向均匀设置有至少六个应变感应区。每个应变感应区通过玻璃微融烧结有两组/两个相同的半导体硅基应变片，所述两组/两个半导体硅基应变片与中空圆环形主体的轴向对称设置，每组半导体硅基应变片串联。

3、优选地，弹性体的受力安装螺纹采用细牙m系列规格，螺纹段的长度设置为传感器总轴向长度的1/4，螺纹牙底额外做圆角过渡处理，避免螺纹根部应力集中导致的长期交变载荷下的结构断裂。螺纹段的端面还加工有一圈0.2mm深的定位止口，可直接与机器人关节的输出法兰实现无间隙同轴定位，装配时无需额外加装定位垫片，完全消除装配偏心带来的附加力矩干扰。

4、所述柔性pcb模块设置所述中空圆环形主体外侧、呈弧形或环形。每个应变感应区的两个/两组半导体硅基应变片通过所述柔性pcb模块连成惠斯通电桥一对相邻桥臂，所述中空圆环形主体同一直径上的两个应变感应区上、设置方向相同的两个/两组半导体硅基应变片构成同一个惠斯通电桥的两组对臂，六个应变感应区中的半导体硅基应变片构成三个独立的惠斯通全桥。由于需要解算出扭矩、串扰项（径向力矩）、(切向力矩)，因为需要三个独立的惠斯通电桥以构建三个独立的方程组。

5、柔性pcb模块上设置有解算单元，所述解算单元基于每个惠斯通电桥的输出信号，解算出扭矩、串扰项、；为所述中空圆环形主体的径向力矩，为所述中空圆环形主体的切向力矩。

6、进一步地，所述应变槽环上相邻的两个应变感应区之间设有u形（或倒u形）挖孔，以增强半导体硅基应变片所在位置处的形变量。

7、进一步地，所述解算单元解算出扭矩、串扰项、，包括：基于检测到的三个惠斯通电桥的输出值、、，基于预存的自变量为、、，因变量为的拟合多项式解算出当前系数矩阵a,然后通过下面的矩阵运算得到扭矩、串扰项、：

8、；

9、；

10、；

11、；

12、其中,i、j为自然数且，，j为1、2、3时，为第i惠斯通电桥感应输出信号分别对力矩、、的响应系数，为第i个惠斯通电桥的感应输出。

13、在一个实施例中，所述拟合多项式通过以下方式得到：基于、、的预设量程，通过分段折线解析方法以及正负扭矩对称性原理得到的一系列求解值，对所述求解值得到相应的分段折线进行拟合得到。

14、优选地，上述三个独立的惠斯通全桥采用完全独立的供电与信号采集通道，每个桥路都配备独立的恒压源供电电路，避免多个桥路共用电源带来的信号串扰。

15、本申请提供的上述扭矩传感器，综合特殊感应主体设计、感应片的安装方式和电性连接关系以及动态更新系数的解算方式，可自动补偿弹性体在大载荷下的非线性形变特性，相比传统固定系数矩阵的解算方案，全量程范围内的非线性误差大大降低，无需在出厂时进行全量程数百个点的逐点标定，量产标定效率提升5倍以上，大幅降低批量生产的时间与人力成本。

1.一种用于机器人关节的扭矩传感器，其特征在于，所述扭矩传感器包括中空圆环形主体和柔性pcb模块；

2.如权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述应变槽环上相邻的两个应变感应区之间设有u形挖孔。

3.如权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，所述解算单元解算出扭矩、串扰项、，包括：基于检测到的三个惠斯通电桥的输出值、、，基于预存的自变量为、、，因变量为的拟合多项式解算出当前系数矩阵a,然后通过下面的矩阵运算得到扭矩、串扰项、：

4.如权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，所述拟合多项式通过以下方式得到：基于、、的预设量程，通过分段折线解析方法以及正负扭矩对称性原理得到的一系列求解值，对所述求解值得到相应的分段折线进行拟合得到。

5.如权利要求1-4中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述柔性pcb模块设置所述中空圆环形主体外侧、呈弧形或环形。