一种机器人关节扭矩传感器及其扭矩测量方法

技术特征：
1.一种机器人关节扭矩传感器，其特征在于：包括关节连接法兰(1)、固定法兰(3)、四个应变梁(2)以及四个v型应变片(5)；所述固定法兰(3)的上端设有四个应变梁(2)，每个所述应变梁(2)均包括应变面(6)以及两个支撑柱(7)，所述应变面(6)固定设置在两个支撑柱(7)之间，且每个应变面(6)上均设有v型应变片(5)，每个所述v型应变片(5)均包括两个竖直对称设置的45
°
方向的应变片，v型应变片(5)用于检测应变梁(2)的应变，实现对扭矩的测量；每相邻两个应变梁(2)的两个支撑柱(7)的顶端之间均设有关节连接法兰(1)；位于同一直径对应的两个应变梁(2)为一组全桥应变梁，位于同一直径对应的两个v型应变片(5)为一个惠斯通全桥电路。2.根据权利要求1所述的一种机器人关节扭矩传感器，其特征在于：所述关节连接法兰(1)与固定法兰(3)之间沿固定法兰(3)的周向设有四组支撑梁(4)，所述四组支撑梁(4)以及四个应变梁(2)沿固定法兰(3)的周向一一交替设置，每组支撑梁(4)均包括多个彼此之间存有间隙的支撑梁(4)。3.根据权利要求1或2所述的一种机器人关节扭矩传感器，其特征在于：所述应变面(6)的外壁与固定法兰(3)的外壁同径设置。4.根据权利要求2所述的一种机器人关节扭矩传感器，其特征在于：所述支撑柱(7)与对应的支撑梁(4)之间存有间隙。5.根据权利要求2所述的一种机器人关节扭矩传感器，其特征在于：所述v型应变片(5)设置在对应的应变面(6)的内壁或者外壁上。6.一种根据权利要求1-5中任一权利要求所述的机器人关节扭矩传感器的扭矩测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：s1：求取两组惠斯通全桥电路的两个输出电压信号以及s2：将两组惠斯通全桥电路的两个输出电压信号以及进行放大与模数转换，放大倍数与转换分辨率相同，得到两组惠斯通全桥电路输出的两个数字信号d
a
以及d
b
，将两个数字信号d
a
以及d
b
作为输出数据；s3：对传感器进行标定；s4：分别对传感器加载单独的弯矩荷载、轴向载荷或径向载荷，记录两组惠斯通全桥电路对应的输出数据，分别纠正零偏后，拟合出对应的线性系数，即：载荷输出系数k：式(9)中：m
x
为绕x轴的弯矩荷载；m
y
为绕y轴的弯矩荷载；m
z
为绕z轴的扭矩载荷；f
x
为沿x轴径向载荷；
f
y
为沿y轴径向载荷；f
z
为轴向载荷；k为对应的数字信号与对应的荷载的荷载输出系数；由于传感器同时承受六种载荷，故两组惠斯通全桥电路消除零偏后的真实输出数据为：s5：以两轴弯矩串扰平均并最小化为指标的输出数据融合方法，定义融合系数为k
m
，融合后数据为：对于单独一个方向载荷对应的融合后数据输出分量有：用除绕z轴的扭矩载荷以外的其他载荷的载荷系数与绕z轴的扭矩载荷的载荷系数之比评估串扰；定义绕x轴的弯矩荷载以及绕y轴的弯矩荷载的串扰分别为：取求解得到的融合系数的两个解为：将上述两个解分别代入式(13)中，求得两个结果不同的绕x轴的弯矩荷载的串扰，对比两个所述串扰，取求得串扰数值小的融合系数为最终的融合系数；s6：求得绕z轴的扭矩载荷，即扭矩如下：7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述s1包括如下步骤：s101：根据惠斯通全桥电路的输出原理，设定其中一个惠斯通全桥电路的应变片的输出电压信号如下：
式(1)中：e
o
为输出电压信号；e为电源电压；r
n
为惠斯通全桥电路中对应的应变片的电阻，n＝1～4；s102：设置其中一个应变片初始电阻为r
i
，定义每个应变片由于应变导致的电阻增量为r
d
，可得到每个单一应变片的实际电阻r为：r
n
＝r
dn
r
in
，n＝1～4
ꢀꢀꢀꢀ
(2)将式(2)带入式(1)可得输出电压信号为：取r
i1
＝r
i2
＝r
i3
＝r
i4
＝r，可得到输出电压与实际电阻变化的关系：忽略高阶误差，化简得：考虑应变片电阻随应变变化的特性如下：式(6)中：k
s
为应变片的灵敏度系；ε为应变片上产生的应变；进一步得到：式(7)中：ε
n
为对应的应变片上产生的应变，n＝1～4；当加载绕z轴的扭矩载荷m
z
时，存在ε1＝-ε2＝ε3＝-ε4＝ε，此时可得：e
o
＝ek
s
ε
ꢀꢀꢀꢀ
(8)当受到弯矩荷载、轴向载荷或者径向载荷时，e
o
＝0，从而降低串扰。

技术总结
一种机器人关节扭矩传感器及其扭矩测量方法，属于传感器技术领域。固定法兰上有应变梁，应变梁包括应变面及支撑柱，应变面上有V型应变片并设在支撑柱之间，相邻应变梁的支撑柱的顶端间有关节连接法兰；同一直径对应的应变梁为一组全桥应变梁，同一直径对应的V型应变片为一个惠斯通全桥电路。方法如下：求惠斯通全桥电路输出电压信号；将输出电压信号进行放大与模数转换，得到数字信号；对传感器进行标定；拟合出载荷输出系数：求融合系数；求得扭矩。本发明提升了扭矩测量的灵敏度，提升了力传感器整体刚度和强度，降低了传感器串扰误差。差。差。


技术研发人员：杨大鹏 祁乐 曹宝石 李志奇 顾义坤 刘宏
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2022/6/4