[發明專利]基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置

在審

• 申請號: 201810367931.3
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108548622A
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發明（設計）人: 王靜;王雷;唐鈺璇
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L3/10
• 分類號: G01L3/10;G01L5/00
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 陳潤明

1.基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置，其特征在于：所述機器人關節扭矩的輸出軸(1)上涂敷有超磁致伸縮材料涂層條(2)，所述超磁致伸縮材料涂層條(2)分為正超磁致伸縮材料涂層條(2a)和負超磁致伸縮材料涂層條(2b)，所述正超磁致伸縮材料涂層條(2a)和負超磁致伸縮材料涂層條(2b)等間隔沿軸向左右對稱傾斜涂敷在輸出軸(1)上；所述輸出軸(1)上于超磁致伸縮材料涂層條(2)的外側套設有套筒(3)，所述套筒(3)的內壁上裝配有激勵線圈(4)，所述激勵線圈(4)的內壁上沿軸向并排裝配有相同規格的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)；

測量過程為：

步驟a、將正弦激勵信號通入激勵線圈(4)，用于提供正弦激勵磁場，使兩個規格相同的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)在正弦交變磁場的作用下，產生大小相同的感應電動勢；

步驟b、將這兩個規格相同的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)反向串聯，用于傳感測量的調零；

步驟c、涂敷有超磁致伸縮材料涂層條(2)的輸出軸(1)在扭矩的作用下發生應變，使超磁致伸縮材料涂層條(2)的內部磁化狀態改變，導致兩個規格相同的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)中的磁場發生變化，輸出差動感應電壓U_o，所述輸出差動感應電壓U_o計算方式為：

式中：μ表示超磁致伸縮材料的磁導率，λ_s表示超磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮系數，f表示激勵信號的頻率，N₂表示測量線圈的匝數，H表示磁場強度，S表示超磁致伸縮材料涂層條的截面積，B_s表示超磁致伸縮材料的飽和磁感應強度，W_p表示輸出軸的抗截面系數，T表示扭矩。

步驟d、根據輸出差動電壓U_o與扭矩呈正比例關系，獲得扭矩值。

2.如權利要求1所述的基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置，其特征在于：所述正超磁致伸縮材料涂層條(2a)沿軸向傾斜﹢45°涂敷在輸出軸(1)上，所述負超磁致伸縮材料涂層條(2b)沿軸向傾斜﹣45°涂敷在輸出軸(1)上。

3.如權利要求1所述的基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置，其特征在于：所述左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)沿軸線的長度均為1/2激勵線圈(4)沿軸線的長度。

4.如權利要求1所述的基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置，其特征在于：所述超磁致伸縮材料涂層(2)采用的材料是鋱鏑鐵。

5.如權利要求1所述的基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置，其特征在于：所述超磁致伸縮材料涂層條(2)采用磁控濺射、真空蒸發、脈沖激光濺射或噴涂中的任意一種工藝制備而成。

6.一種如權利要求1-5的任意一項所述的基于逆磁致伸縮效應的非接觸式機器人關節扭矩測量裝置的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟a、將正弦激勵信號通入激勵線圈(4)，用于提供正弦激勵磁場，使兩個規格相同的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)在正弦交變磁場的作用下，產生大小相同的感應電動勢；

步驟b、將這兩個規格相同的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)反向串聯，用于傳感測量的調零；

步驟c、涂敷有超磁致伸縮材料涂層條(2)的輸出軸(1)在扭矩的作用下發生應變，使超磁致伸縮材料涂層條(2)的內部磁化狀態改變，導致兩個規格相同的左測量線圈(5a)和右測量線圈(5b)中的磁場發生變化，輸出差動感應電壓U_o，所述輸出差動感應電壓U_o計算方式為：

式中：μ表示超磁致伸縮材料的磁導率，λ_s表示超磁致伸縮材料的飽和磁致伸縮系數，f表示激勵信號的頻率，N₂表示測量線圈的匝數，H表示磁場強度，S表示超磁致伸縮材料涂層條的截面積，B_s表示超磁致伸縮材料的飽和磁感應強度，W_p表示輸出軸的抗截面系數，T表示扭矩。

步驟d、根據輸出差動電壓U_o與扭矩呈正比例關系，獲得扭矩值。