一种谐波减速器扭矩信号的处理电路和处理方法技术

本发明专利技术公开了一种谐波减速器扭矩信号的处理电路和处理方法。所述信号处理电路包括了惠斯通半桥电路模块、信号放大模块、信号叠加模块、滤波模块、ADC信号采集模块、EtherCAT从站通信电路模块和电源模块。其中，惠斯通半桥电路模块由两个互相垂直的电阻式应变片和两个阻值大小相同的电阻组成。惠斯通半桥电路的信号经信号放大模块放大后进入信号叠加模块。在信号叠加模块柔轮产生的周期性纹波信号被剔除而只剩下负载扭矩信号。负载扭矩信号进行滤波处理后再通过ADC采集模块进行模数转换处理得到所需数字信号。所需数字信号通过EtherCAT从站通信模块进行上传下达。本发明专利技术具有直接测量、结构紧凑、空间占比少、不会给谐波减速器和机器人关节带来额外柔性的特点。减速器和机器人关节带来额外柔性的特点。减速器和机器人关节带来额外柔性的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种谐波减速器扭矩信号的处理电路和处理方法


[0001]本专利技术涉及感测技术及协作机器人关节传动领域，特别涉及一种谐波减速器扭矩信号的处理电路和处理方法。

技术介绍

[0002]谐波减速器作为一种大减速比、高精度、小回差、结构紧凑的减速装置在高精密传动特别是新型的协作机器人关节和传统的工业机器人末端关节中得到了广泛的运用。为了实现同外界环境和人的安全交互，增加控制的准确性和易操作性，协作机器人通常需具备力控功能。
[0003]现有的做法通常有三种，一种是通过间接采样电机的电流反馈来进行力矩估算，此种方式成本低但误差较大，通常用于精度要求不太高的场合；另一种方式是在机器人的末端增加一个多维力传感器，负载力矩可以通过一系列复杂的数学解算来转换到各关节进行关节力控，此种方式成本较高，解算复杂，并且如果外力没有施加在末端关节上则无法进行关节解算，所以碰撞检测无法实施，安全性也就大打折扣；最后一种是在每个关节都安装力矩传感器直接读取关节力矩进行力控，此种方式可直接规避复杂的动力学解算和参数识别的难题，也避免了动力学方程中引入的噪音干扰和时间延迟等问题，但在每个关节都安装一个独立的扭矩传感器也无形中会增加一个多余的柔性单元，使得体积增大，关节整体刚性和传动精度都明显下降，成本也随之提高。
[0004]由于谐波减速器是通过柔轮周期性的柔性变形来进行减速和传递动力的，所以，一种减少柔性环节的方式就是利用谐波减速器柔轮的弹性变形来感应负载力矩的大小而使谐波减速器兼具扭矩传感功能。目前通用的方法是在谐波柔轮的端部周向均布多组应变片来实现扭矩信号的感应。在应变片感应到的应变信号中包含了负载扭矩产生的应变信号和柔轮周期性运动产生的大变形信号。其中柔轮周期性产生的应变信号属于纹波噪声必须消除。目前已有多种方式被提出用来消除纹波信号，其中一种是用卡尔曼滤波的方式来滤除杂波而测出负载的扭矩值。此种方法解算比较复杂并且有存在延时的缺陷，不适合用在实时性要求较高的场合。还有一种方式是在柔轮的表面沿其周向均布多个应变片组成半桥电路，应变片间有严格的角度和位置限制。此种方式由于粘贴应变片的数量和位置度要求都比较高，所以无形中就增加了安装成本和干扰噪声的引入，精度也会随着安装精度的降低而大打折扣。
[0005]此外，在扭矩信号的处理中，各种电磁干扰的影响也是一个不可忽略的因素。因此，在协作机器人扭矩传感的选择中，如何提高刚度，减少关节的柔性，如何使整体关节的结构更紧凑，力控更简单和更精确就具有了很好的现实意义。

技术实现思路

[0006]针对现有方法的不足和协作机器人扭矩传感的实际需求，本专利技术提供了一种结构简单、紧凑、应变贴装方便、响应及时、测量简便精确的兼具扭矩传感功能的帽型谐波减速
器。
[0007]为实现上述目的，本专利技术首先提供了一种谐波减速器扭矩信号的处理方法，其包括如下步骤：
[0008]1)提供一种兼具扭矩传感功能的谐波减速器，所述谐波减速器的柔轮为帽型柔轮，所述帽型柔轮的帽沿底部粘贴2N+1组应变片以利用柔轮的变形测量输出扭矩，N大于等于1的整数；所述应变片的信号线穿过谐波减速器壳体端盖的槽口接到信号处理电路板；每组应变片由两个互相垂直的应变片单元组成，所述应变片单元的长边或短边与柔轮半径方向垂直；
[0009]2)两个互相垂直的应变片单元的信号从谐波柔轮引出后接入信号处理电路板并与两个阻值大小相同的电阻组成惠斯通半桥电路以感应负载力矩信号和柔轮产生的纹波信号；
[0010]负载力矩信号和柔轮纹波信号经信号放大模块放大，之后进入信号叠加模块；信号叠加模块包括经数字电位计调定的调节电阻和运放加法电路；所述的调节电阻用来调节信号幅值的大小，使得矢量叠加后的输出信号峰值最小；信号叠加模块通过硬件电路的方式去除纹波信号；
[0011]所述的通过硬件电路的方式去除纹波信号的实现过程具体为：谐波减速器空载状态下，任选一组应变片信号作为基准信号，然后将另两组应变片信号作为比较信号，通过高精度数字电位计调节信号增益使得合成矢量与基准信号矢量叠加后的矢量和趋近于零；通过高精度数字电位计调节信号的增益可确定三矢量叠加和为零时应接入的调节电阻的电阻值；然后从电阻标准库中选配对应电阻值的电阻作为信号叠加模块的调节电阻；运放加法电路采用四反向负反馈输入，将三路应变片信号通过对应的基准电阻或调节电阻同时连接到运算放大器反向端，第四路是加入偏置电压，使得电压在需要的区间，从而实现通过硬件电路的方式去除纹波信号；一旦确定标准电阻后，在有负载情况下，信号叠加模块也能自行滤除纹波信号，所得信号即为所要负载扭矩信号；
[0012]3)在空载情况下去除纹波信号后剩下的信号由于电噪声或其他噪声的干扰还需进入滤波模块进行滤波处理；然后ADC采集模块将采集滤波后的信号进行模数转换处理得到数字信号；
[0013]4)EtherCAT从站通信模块将数字信号传输给下一级EtherCAT从站通信模块或上位机作为力矩传感信号使用。
[0014]作为本专利技术的可选方案，所述的应变片选择为三组，三组应变片在周向位置保持120度的间隔；每组应变片为一互相垂直的应变花结构。
[0015]本专利技术还提供了一种谐波减速器扭矩信号的处理电路，其包括：
[0016]惠斯通半桥电路模块，将从谐波减速器引出后的每组应变片信号接入信号处理电路板并与两个阻值大小相同的电阻组成惠斯通半桥电路以感应负载力矩信号和柔轮产生的纹波信号；
[0017]信号放大模块，用于放大上述负载力矩信号和柔轮纹波信号；
[0018]信号叠加模块，包括经数字电位计调定的调节电阻和运放加法电路；所述的调节电阻用来调节信号幅值的大小，使得矢量叠加后的输出信号峰值最小；信号叠加模块通过硬件电路的方式去除柔轮纹波信号；所述信号叠加模块通过硬件电路的方式去除纹波信号
的实现过程具体为：谐波减速器空载状态下，任选一组应变片信号作为基准信号，然后将另两组应变片信号作为比较信号，通过高精度数字电位计调节信号增益使得合成矢量与基准信号矢量叠加后的矢量和趋近于零；高精度数字电位计调节信号的增益并确定三矢量叠加和为零时应接入的电阻值；然后从电阻标准库中选配对应电阻值的电阻作为调节电阻；运放加法电路采用四反向负反馈输入，将三路应变片信号通过对应的基准电阻或调节电阻同时连接到运算放大器反向端，第四路是加入偏置电压，使得电压在需要的区间，从而实现通过硬件电路的方式去除纹波信号；一旦确定标准电阻后，在有负载情况下，信号叠加模块也能自行滤除纹波信号，所得信号即为所要负载扭矩信号，从而实现通过硬件电路的方式去除纹波信号；
[0019]滤波模块，对信号叠加模块处理后的信号进行滤波处理；
[0020]ADC采集模块，将滤波后的信号进行模数转换处理得到数字信号；
[0021]EtherCAT从站通信模块，将ADC采集模块得到的数字信号传输给下一级EtherCAT从站通信模块或上位机作为力矩传感信号使用；以及
[0022]电源模块，为各模块提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐波减速器扭矩信号的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供一种兼具扭矩传感功能的谐波减速器，所述谐波减速器的柔轮为帽型柔轮，所述帽型柔轮的帽沿底部粘贴2N+1组应变片以利用柔轮的变形测量输出扭矩，N大于等于1的整数；所述应变片的信号线穿过谐波减速器壳体端盖的槽口接到信号处理电路板；每组应变片由两个互相垂直的应变片单元组成，所述应变片单元的长边或短边与柔轮半径方向垂直；2)两个互相垂直的应变片单元的信号从谐波柔轮引出后接入信号处理电路板并与两个阻值大小相同的电阻组成惠斯通半桥电路以感应负载力矩信号和柔轮产生的纹波信号；负载力矩信号和柔轮纹波信号经信号放大模块放大，之后进入信号叠加模块；信号叠加模块包括经数字电位计调定的调节电阻和运放加法电路；所述的调节电阻用来调节信号幅值的大小，使得矢量叠加后的输出信号峰值最小；信号叠加模块通过硬件电路的方式去除纹波信号；所述的通过硬件电路的方式去除纹波信号的实现过程具体为：谐波减速器空载状态下，任选一组应变片信号作为基准信号，然后将另两组应变片信号作为比较信号，通过高精度数字电位计调节信号增益使得合成矢量与基准信号矢量叠加后的矢量和趋近于零；通过高精度数字电位计调节信号的增益可确定三矢量叠加和为零时应接入的调节电阻的电阻值；然后从电阻标准库中选配对应电阻值的电阻作为信号叠加模块的调节电阻；运放加法电路采用四反向负反馈输入，将三路应变片信号通过对应的基准电阻或调节电阻同时连接到运算放大器反向端，第四路是加入偏置电压，使得电压在需要的区间，从而实现通过硬件电路的方式去除纹波信号；一旦确定标准电阻后，在有负载情况下，信号叠加模块也能自行滤除纹波信号，所得信号即为所要负载扭矩信号；3)在空载情况下去除纹波信号后剩下的信号由于电噪声或其他噪声的干扰还需进入滤波模块进行滤波处理；然后ADC采集模块将采集滤波后的信号进行模数转换处理得到数字信号；4)EtherCAT从站通信模块将数字信号传输给下一级EtherCAT从站通信模块或上位机作为力矩传感信号使用。2.根据权利要求1所述的谐波减速器扭矩信号的处理方法，其特征在于，所述的应变片选择为三组，三组应变片在周向位置保持120度的间隔；每组应变片为一互相垂直的应变花结构。3.一种谐波减速器扭矩信号的处理电路，其特征在于，包括：惠斯通半桥电路模块，将从谐波减速器引出后的每组应变片信号接入信号处理电路板并与两个阻值大小相同的电阻组成惠斯通半桥电路以感应负载力矩信号和柔轮产生的纹波信号；信号放大模块，用于放大上述负载力矩信...

【专利技术属性】
技术研发人员：王永波，张靖，张兴宇，谢发祥，
申请(专利权)人：浙江环动机器人关节科技有限公司，
类型：发明
国别省市：