Изобретение относится к устройствам измерения крутящего момента, в частности, к датчикам крутящего момента, которые могут использоваться в различных областях техники, в том числе робототехнике.

В патенте Германии DE102013013634 описано устройство для измерения крутящего момента, содержащее первое трубчатое тело деформации кручения, имеющее два устройства торцевого крепления, второе тело деформации кручения, имеющее два устройства торцевого крепления, коаксиально расположенные в указанном первом теле деформации кручения. Второе тело деформации кручения прямо или косвенно связано своими двумя концевыми частями с двумя концевыми частями первого трубчатого тела. Для измерения момента устройство содержит первый торсион и второй торсион.

Наличие торсионов существенно усложняет конструкцию известного устройства для измерения крутящего момента и увеличивает его массогабариты, что критично для использования в робототехнике, в частности, в роботизированных манипуляторах.

В патенте США US7424829 раскрывается датчик крутящего момента, чувствительные элементы которого выдают выходной сигнал биполярного типа, тем самым уменьшая влияние эксцентриситета вала на выходной сигнал. В датчике крутящего момента первый и второй вращающиеся валы расположены на общей оси, и эти вращающиеся валы соединены посредством торсионной штанги для определения крутящего момента, передаваемого между вращающимися валами. Датчик снабжен средством генерирования магнитного поля в радиальном направлении, центрируемым по оси, средством изменения магнитного поля для изменения направления и величины магнитного потока, идущего от средства генерации вдоль осевой линии в соответствии с относительным вращением между вращающимися валами, и магнитным сенсором для обнаружения магнитного потока. Магнитный сенсор генерирует выходной сигнал, полярность которого изменяется в зависимости от направления обнаруженного магнитного потока, а величина изменяется в зависимости от размера обнаруженного магнитного потока.

Другими известными датчиками момента с магнитными сенсорами являются устройства, описанные в патентах США US8418570, US9234811 и т.д.

Общим недостатком указанных датчиков является то, что магнитный сенсор подвержен наводкам от внешних устройств (например, электродвигателей), что влияет на точность и стабильность измерений. Кроме того, конструкция самого датчика достаточно сложная, что обусловлено использованием именно магнитных сенсоров.

Статья Jong-In Kim, Hyeong-Seok Jeon, Yong-Jun Jeong and Yong-Jae Kim. HIGH STIFFNESS CAPACITIVE TYPE TORQUE SENSOR WITH FLEXURE STRUCTURE FOR COOPERATIVE INDUSTRIAL ROBOTS. 201714th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). June 28 - July 1, 2017 описывает датчик крутящего момента для роботов-манипуляторов с чувствительными элементами емкостного типа. Датчик изготовлен высокочувствительным и жестким, состоит из внутреннего и внешнего колец, и гибких ребер сложной формы, обеспечивающих прогиб для повышения чувствительности и поддержания жесткости между входом и выходом. В качестве чувствительных элементов используются емкости, одна пластина которых размещается на одном ребре, а вторая - на ответном, противолежащем втором ребре. Симметрично размещенные четыре сдвоенных жестких ребра могут компенсировать крутящий момент и поглощать нежелательные внеосевые моменты.

Известный датчик позволяет измерять моменты большой величины, однако для обеспечения высокой точности измерений потребуется использование соответствующей высокочувствительной схемы обработки сигналов с емкостных датчиков, которая подвержена наводкам со стороны устройств, в которых может использоваться данный датчик. Кроме того, регулирование чувствительности (точности) измерений датчика нельзя осуществить простой заменой чувствительных элементов, если такое регулирование в данном датчике вообще возможно.

Патент РФ RU108139 раскрывает датчик крутящего момента, представляющий из себя фланец алюминиевого сплава дискообразной формы, содержащий внешний обод, к которому приложен момент внешней нагрузки, внутренний обод, закрепляемый на выходном валу двигателя или редуктора, и четыре радиальные элементы (спицы), соединяющие внутренний и внешний обода. Радиальные элементы представляют собой основные упругие элементы с закрепленными на них восемью тензорезисторами, расположенными в местах выемки сквозных пазов, играющих роль вспомогательных упругих элементов. Датчик крутящего момента также содержит распорки, установленные между внутренними выступами обода фланца и спицами. К лицевой стороне фланца крепится печатная плата с электрической схемой, осуществляющей измерение крутящего момента. Путем изменения конструкции спиц (выемка пазов в спицах и установка распорок) возможна регулировка точности датчика, максимально допустимого крутящего момента на шарнире.

Использование четырех радиальных элементов с размещенными на них тензорезисторами требует, с одной стороны, достаточной гибкости этих элементов, чтобы вообще было возможно определять момент (для чего в них даже выполняют пазы), а с другой - жесткости для обеспечения жесткости всей конструкции датчика. Кроме того, такое исполнение радиальных элементов приводит к тому, что датчик подвержен изгибам, и это будет приводить к погрешностям измерения момента.

Еще один измеритель крутящего момента описан в патенте РФ RU2326357. Он включает в себя эластичный элемент, помещенный в канал передачи мощности и деформируемый под действием измеряемого крутящего момента, и средство для регистрации крутящего момента по деформации эластичного элемента. Эластичный элемент содержит первую фиксируемую часть (входную часть), закрепленную на основании вращающего привода, вторую фиксируемую часть (выходную часть), закрепленную на фиксированной части вращающего привода, и деформируемую часть, расположенную между первой фиксируемой частью и второй фиксируемой частью. Деформируемая часть снабжена восемью прорезанными частями, и соединения прорезанных частей поочередно состоят из элемента крутящего момента для восприятия крутящего момента, приложенного к эластичному элементу, и нагрузочного элемента, имеющегося независимо от элемента крутящего момента, для поддержки нагрузки эластичного элемента. Технический результат заключается в возможности регистрации только крутящего момента, исключая влияние различных посторонних нагрузок. Однако данный измеритель крутящего момента характеризуется невысокой точностью, определяемой, прежде всего, местами размещения средств регистрации крутящего момента на элементах крутящего момента. При этом авторы данного измерителя отмечают, что средство регистрации крутящего момента может быть смонтировано даже на участке, отличном от элемента крутящего момента, или только на одном из элементов крутящего момента.

Таким образом, существует задача создания такого датчика крутящего момента, который обеспечивает высокую точность измерений, при этом является компактным и обладает простой конструкцией, а также не подвержен влиянию наводок от внешних магнитных полей.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение точности и стабильности измерения величины крутящего момента, снижение массы и габаритов устройства, повышение устойчивости к поперечным деформациям.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в датчике крутящего момента, который содержит корпус, множество тензорезисторов и модуль регистрации и обработки сигнала для осуществления регистрации и обработки сигналов от тензорезисторов. Корпус включает обод и ступицу, размещенную концентрично с ободом, а также множество ребер, соединяющих обод и ступицу. Ребра включают жесткие ребра и гибкие ребра, причем между двумя соседними жесткими ребрами размещены два гибких ребра. Тензорезисторы размещены на боковых сторонах гибких ребер, обращенных друг к другу.

Согласно изобретению, тензорезисторы размещаются на боковых сторонах гибких ребер, т.е. в местах максимальной деформации боковых ребер, которые являются концентраторами деформационных напряжений, а не на внешних сторонах, как в известных аналогах. При этом тензорезисторы размещаются на обращенных друг другу боковых сторонах, что позволяет существенно повысить точность, поскольку при возникновении деформации одни ребра будут сжиматься или изгибаться в сторону установленного на нем тензорезистора, а противоположные им ребра - растягиваться или изгибаться в сторону от установленного на нем тензорезистора. В совокупности с этим, использование тензорезисторов в качестве чувствительного элемента позволило сделать простую, компактную и надежную конструкцию всего устройства, обеспечивающую точное измерение крутящего момента и при этом не подверженную внешним наводкам, например, от электродвигателя.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в также предпочтительных вариантах исполнения изобретения, согласно одному из которых датчик крутящего момента дополнительно содержит изоляционную прокладку между фланцем и платой печатной модуля регистрации и обработки сигнала для обеспечения электрической изоляции между указанными компонентами устройства.

Модуль регистрации и обработки сигнала может содержать установленные на плате печатной усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь для осуществления по крайней мере первичной обработки полученного сигнала, такой как усиление, оцифровывание и фильтрация сигнала. При этом предпочтительно выполнить модуль регистрации и обработки сигнала по ратиометрической схеме для снижения требования к питающему источнику.

В частном варианте исполнения датчика крутящего момента он содержит четыре жестких ребра и, следовательно, восемь гибких ребер и восемь тензорезисторов. При этом является предпочтительным, чтобы первые четыре тензорезистора, расположенные друг напротив друга по направлению оси, образуют первую мостовую схему, а вторые четыре тензорезистора образуют вторую мостовую схему, и обе мостовые схемы подключены к модулю регистрации и обработки сигнала. Заявленный датчик может содержать дополнительные восемь тензорезисторов, каждый из которых размещен рядом с соответствующим тензорезистором из указанных первых четырех и вторых четырех тензорезисторов и образует сдвоенный тензорезистор, а все вместе - четыре мостовые схемы, подключенные к модулю регистрации и обработки сигнала.

Также предпочтительно, чтобы угол между соседними гибкими ребрами составлял более 90°, что позволяет увеличить площадь тензорезисторов (а значит, повысить их чувствительность) и удобство их монтажа.

Далее изобретение и некоторые возможные варианты его осуществления более подробно поясняются со ссылками на фигуры, на которых показаны: на фиг. 1 - общий вид заявленного датчика крутящего момента; на фиг. 2 - датчик крутящего момента в частично разобранном виде; на фиг. 3 - вид сверху на первый вариант датчика крутящего момента; на фиг. 4 - вариант схемы измерения сигналов от тензорезисторов согласно первому варианту датчика крутящего момента (фиг. 5а); на фиг. 5а - вариант исполнения датчика крутящего момента с одним тензорезистором на ребре; на фиг. 5Ь - вариант исполнения датчика крутящего момента с двумя тензорезисторами на ребре; на фиг. 6 - вариант схемы измерения сигналов от тензорезисторов согласно второму варианту датчика крутящего момента (фиг. 5Ь).

На фигурах ссылочными позициями отмечены:

1 - датчик крутящего момента;

2 - корпус;

3 - модуль регистрации и обработки сигнала;

4 - плата печатная;

5 - усилитель;

6 - аналого-цифровой преобразователь;

7 - изоляционная прокладка;

8 - обод;

8.1, 8.2 - крепежные отверстия обода;

9 - ступица;

9.1 - крепежное отверстие ступицы;

9.2 - проточка ступицы;

10.1 - жесткое ребро;

10.2 - гибкое ребро;

11 - тензорезистор.

R 1...R8, R’1...R’8- тензорезисторы на вариантах исполнения датчика крутящего момента (фиг. 5а, 5Ь) и схемах измерения сигналов от тензорезисторов (фиг. 4, 6);

+U, -U - напряжение питания на схемах измерения сигналов от тензорезисторов. На фиг. 1 приведен общий вид датчика 1 крутящего момента согласно настоящему изобретению. Датчик 1 выполнен в форме диска, что упрощает его использование и обеспечивает его компактность.

Датчик 1 состоит из корпуса 2, являющимся измерительным элементом заявленного устройства и содержащим для этих целей чувствительные элементы, и модуля 3 регистрации и обработки сигнала, содержащего плату 4 печатную, на которой размещаются элементы обработки сигналов, поступающих с чувствительных элементов (фиг. 2). Указанными элементами обработки сигналов могут являться, в частности, усилитель 5 сигнала и аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП) (фиг. 4, 6), например, разрядностью от 24 бит. Усилитель 5 сигнала и АЦП 6 могут быть выполнены как единое устройство в составе модуля 3 регистрации и обработки сигнала, например виде АЦП с встроенным усилителем, или представлять собой отдельные элементы обработки сигналов, как показано на фиг. 4, 6.

Корпус 2 выполнен в форме диска и по сути определяет геометрические размеры датчика 1; его толщина может составлять от 7 до 25 мм. Корпус 2 может быть изготовлен, например, посредствам технологии фрезерования из алюминия, или алюминиево-магниевых сплавов, или дюралюминиев, или сталей и сплавов на их основе.

Плата 4 печатная, предпочтительно, выполнена в виде кольца из стеклотекстолита, поверх которого нанесен слой меди в диапазоне от 18 до 75 мкм. Элементы обработки сигналов монтируются на плату 4 печатную посредством технологии поверхностного монтажа.

Между корпусом 2 и платой 4 печатной может быть дополнительно размещена изоляционная прокладка 7 для обеспечения требуемого диэлектрического зазора между указанными элементами датчика 1. Изоляционная прокладка 7 изготавливается из стеклотекстолита, гетинакса, трансформаторной бумаги, пластика, другого подходящего материала посредством фрезерования, механического или лазерного гравирования, другого подходящего способа. Толщина изоляционной прокладки 7 выбирается из необходимости задания под нее посадочного места и предпочтительно варьируется в пределах от 0,2 до 1,5 мм. Корпус 2 состоит из обода 8, концентрически расположенной в нем ступицы 9 и множества ребер, которые соединяют обод 8 и ступицу 9 и на некоторых из которых размещаются чувствительные элементы (фиг. 3). В ободе 8 могут быть выполнены крепежные отверстия 8.1, 8.2 обода (фиг. 2, 3) для удобства его монтажа, например, на статоре электродвигателя или другом устройстве, а в ступице 9 - крепежные отверстия 9.1 ступицы для удобства ее монтажа, например, на редукторе. В ступице 9 также может быть выполнена проточка 9.2 ступицы (фиг. 2) для установки в ней подшипника.

Множество указанных ребер включает жесткие ребра 10.1 и гибкие ребра 10.2. При этом является предпочтительным, чтобы между двумя соседними жесткими ребрами 10.1 размещались два гибких ребра 10.2, а количество жестких ребер 10.1 составляло четыре (следовательно, количество гибких ребер 10.2 составляет восемь), как это показано на фигурах.

Жесткие ребра 10.1 служат для придания жесткости конструкции датчика 1, а также уменьшения влияния поперечных сил, прилагаемых к корпусу 2.

Гибкие ребра 10.2 предназначены для ослабления продольных напряжений и являются концентраторами деформационных напряжений. В местах их максимальной деформации размещают чувствительные элементы, в качестве которых были выбраны тензорезисторы 11. Гибкие ребра 10.2, предпочтительно, имеют некоторый наклон по отношению к жестким ребрам 10.1, так что угол между двумя соседними гибкими ребрами 10.2 составляет более 90°, что позволяет сместить область концентрации деформаций и повысить удобство монтажа тензорезисторов 11.

Тензорезисторы 11 изменяют собственное сопротивление в соответствии со своей деформацией. Они хорошо известны специалисту в области техники и могут быть изготовлены на любой доступной основе, в том числе бумаге, ткани, стеклоткани, других материалах. Чувствительным материалом тензорезистора 11 может быть металл или полупроводник.

Тензорезисторы 11 могут крепиться на обращенных друг к другу боковых сторонах соседних гибких ребер 10.2 средствами клеевой технологии или любой другой подходящей технологии. Как было указано выше, модуль 3 регистрации и обработки сигнала содержит установленные на плате 4 печатной элементы обработки сигналов, поступающих с чувствительных элементов, в частности, тензорезисторов 11. При этом предпочтительно, если выводы тензорезисторов 11 монтируются в плату 4 печатную.

Модуль 3 регистрации и обработки сигнала может дополнительно включать коммутатор для подключения через него тензорезисторов 11 к элементам обработки сигналов, в частности, к усилителю 5 сигнала и АЦП 6, а не напрямую.

Является предпочтительным, если модуль 3 регистрации и обработки сигнала выполнен по ратиометрической схеме. Данное решение позволяет понизить требования к питающему источнику для первичного преобразователя. Главной особенностью ратиометрического сигнала, который формируется на выходе, является зависимость его значения от питающего напряжения.

В первом, основном варианте исполнения заявленного детектора 1 на каждом гибком ребре 10.2 монтируется по одному тензорезистору 11, как показано на фиг. 3 и фиг. 5а. В частности, при использовании в составе детектора 1 восьми тензорезисторов 11, обозначенных для удобства понимания последующего описания как Rl, R2,..R8, первые четыре тензорезистора Rl, R2, R3 и R4, расположенные друг напротив друга по направлению оси, объединяют в мостовую схему. Вторая мостовая схема образуется оставшимися вторыми четырьмя тензорезисторами R5, R6, R7 и R8, расположенными на перпендикулярной оси. Обе указанные мостовые схемы подключаются к элементам обработки сигналов как показано на фиг. 4.

Для повышения устойчивости детектора 1 к температурным перепадам, а также для снижения искажений в начале шкалы измерений момента, возникающих из-за продольных деформаций изгиба, могут использоваться дополнительные восемь тензорезисторов 11, отмеченных на фиг. 5Ь и 6 как Rl ’, R2’,..R8 каждый из тензорезисторов Ri ’ размещен рядом с соответствующим ему тензорезистором Ri на том же гибком ребре 10.2 (фиг. 5Ь), таким образом формируя сдвоенный тензорезистор, включающий два чувствительных элемента. В этом случае все тензорезисторы 11 формируют четыре мостовые схемы, которые подключаются к элементам обработки сигналов как показано на фиг. 6. Преимуществом заявленного датчика крутящего момента является отсутствие торсиона, устойчивость к переменному и постоянному магнитному полю, которое может быть создано электродвигателем. При наличии восьми сдвоенных тензорезисторов повышается устойчивость к поперечным деформациям и точность измерения.