一种机器人关节扭矩传感器及其扭矩测量方法

1.本发明涉及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。


背景技术：

2.协作机器人是机械臂的重要研究方向，通过力控功能，机器人可以与外界进行柔顺安全的接触。对于采用高减速比减速箱的机器人，由于减速器本身的摩擦阻尼影响，不容易精确感知外力，所以在更多的场景中主要采用加装力传感器的方案实现力控。其中采用关节力传感器可以来感知每个关节的扭矩，结合控制算法，可以实现每个关节的柔顺控制和力控功能。
3.力传感器通常通过检测弹性体变形来检测外力，对于刚度较大的力传感器，采用应变测量方式。力传感器会降低关节刚度，同时力传感应用中又要保证较高的灵敏度。刚度和灵敏度通常会是一组矛盾的参数，针对同一种传感器方案，当刚度提升以后，往往会降低灵敏度。此外，关节本身除了受到扭转载荷还会受到其他五个自由度的力和力矩载荷，这些扭矩载荷以外的载荷也可能会使得力传感器输出错误的扭矩信息，称之为串扰。为了降低串扰影响，同时提升关节刚度，通常使用交叉滚子轴承对力传感器进行支撑。但当机器人关节采用谐波减速器以外的其他减速器时，增加额外的交叉滚子轴承，会使得关节结构复杂，重量更重。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种机器人关节扭矩传感器及其扭矩测量方法。
5.实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种机器人关节扭矩传感器，包括关节连接法兰、固定法兰、四个应变梁以及四个v型应变片；所述固定法兰的上端设有四个应变梁，每个所述应变梁均包括应变面以及两个支撑柱，所述应变面固定设置在两个支撑柱之间，且每个应变面上均设有v型应变片，每个所述v型应变片均包括两个竖直对称设置的45
°
方向的应变片，v型应变片用于检测应变梁的应变，实现对扭矩的测量；每相邻两个应变梁的两个支撑柱的顶端之间均设有关节连接法兰；位于同一直径对应的两个应变梁为一组全桥应变梁，位于同一直径对应的两个v型应变片为一个惠斯通全桥电路。
6.本发明的一种机器人关节扭矩传感器的扭矩测量方法，所述方法包括如下步骤：
7.s1：求取两组惠斯通全桥电路的两个输出电压信号以及
8.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da以及db，将两个数字信号da以及db作为输出数据；
9.s3：对传感器进行标定；
10.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：
[0011][0012]
式(9)中：
[0013]mx
为绕x轴的弯矩荷载；
[0014]my
为绕y轴的弯矩荷载；
[0015]mz
为绕z轴的扭矩载荷；
[0016]fx
为沿x轴径向载荷；
[0017]fy
为沿y轴径向载荷；
[0018]fz
为轴向载荷；
[0019]
k为对应的数字信号与对应的荷载的荷载输出系数；
[0020]
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：
[0021][0022]
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km，融合后数据为：
[0023][0024]
对于单独一个方向载荷对应的融合后数据输出分量有：
[0025][0026]
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：
[0027][0028]
取求解得到的融合系数的两个解为：
[0029][0030]
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；
[0031]
s6：求得绕z轴的扭矩载荷，即扭矩如下：
[0032][0033]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0034]
1、本发明针对现有关节力矩传感器存在的问题，设计了一种方便集成到不同类型机器人关节的无轴承扭矩传感器。首先，增设了周向均布的支撑梁提高了传感器抗串扰能力，并提升了弯矩刚度，在无轴承支撑的条件下，从结构上实现高弯矩刚度与低串扰，通过调整周向设置的应变梁与支撑梁，可以调整灵敏度与刚度。其次，采用直接连接到壳体的设计，方便集成到各种类型的机器人关节中，并获得更大的应变梁分布半径，在灵敏度不变的情况下提高扭转刚度。而后，通过使用两组彼此正交的惠斯通全桥电路采集应变信号，并在考虑应变片安装误差以及放大电路误差的基础上，提出实现弯矩串扰两轴均布的两组惠斯通全桥电路扭矩测量方法，进一步降低了串扰。与现有技术的研究中的无轴承方案相比显著降低了串扰，并与采用轴承的支撑的研究相比抗串扰效果接近，可以满足机器人关节柔顺控制需要，有望应用到各种非谐波减速器的机器人关节设计方案中。
[0035]
2、本发明采用立式结构，将应变面设置到远离轴线的位置，提升了扭矩测量的灵敏度。
[0036]
3、本发明提出了在应变面周围设置支撑梁的设计，提升了力传感器整体刚度和强度，可以直接集成到机器人关节中，无需额外支撑结构。
[0037]
4、本发明提出了支撑梁与应变面不接触的设计，降低了传感器串扰误差，可以在无轴承支撑条件下获得高精度的扭矩测量值。
[0038]
5、本发明提出了针对扭矩传感器的信号采集方法与数据处理方法，降低了传感器串扰误差。
[0039]
6、本发明提出了针对扭矩传感器的参数调整方法，可以在设计阶段根据需要调整设计参数，满足不同的刚度和灵敏度设计要求。
附图说明
[0040]
图1是本发明的扭矩传感器的结构示意图；
[0041]
图2是图1的主视图；
[0042]
图3是图1的俯视图；
[0043]
图4是应变梁的结构示意图；
[0044]
图5是惠斯通全桥电路的示意图；
[0045]
图6是本发明受力示意图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
一种机器人关节扭矩传感器及其扭矩测量方法，采用应变测量原理，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和机器人本体连接，从而测量外力对机器人关节的扭矩载荷，固定法兰3的上端沿其周向均布设有四个应变梁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的微小应变，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，通过关节连接法兰1和机器人关节连接；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，如图5所示。设定e为电源电压，eo为输出电压信号，通过对输出电压信号进行放大，经过模数转换电路采集，最终乘以相应系数，可以得到传感器所受扭矩，具体系数与应变片灵敏度系数，与电路放大倍数以及实际标定结果有关。通过惠斯通全桥电路，可以有效降低串扰误差。四组应变梁2，可以组成两组全桥应变，即可以获得两个信号数据，对两组全桥应变分别进行串扰实验，根据实验结果，将两组信号数据的加权平均数作为最终数据。通过两组全桥数据的加权平均，可以进一步降低串扰误差与扭矩波动。
[0048]
所述关节连接法兰1与固定法兰3之间沿固定法兰3的周向均布设有四组支撑梁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，支撑梁4的设置可以提升本发明的刚度和强度，保证在无轴承支撑的条件下具有较好的支撑刚度和强度；此外，由于支撑梁4的变形对扭转载荷更敏感，所以不会影响对扭转的测量，而在非扭转方向提供好的支撑，可进一步保证了低串扰。支撑梁4可以均布也可以不均布。
[0049]
所述应变面6的外壁与固定法兰3的外壁同径设置，由于采用了立式的结构，应变面6距离轴线的距离尽可能远，可以提升灵敏度。
[0050]
所述支撑柱7与对应的支撑梁4之间存有间隙，支撑梁4与应变体2不接触设计，从而降低串扰误差。
[0051]
通过调整应变面6的厚度和支撑梁4的宽度，可以对传感器的灵敏度与刚度进行调整。在支撑梁4总宽度不变的条件下，调整支撑梁4的数量和分布，可以进一步调整灵敏度和刚度的关系。
[0052]
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。
[0053]
本发明的一种机器人关节扭矩传感器的扭矩测量方法，所述方法包括如下步骤：
[0054]
s1：求取两组惠斯通全桥电路的两个输出电压信号以及
[0055]
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：
[0056][0057]
式(1)中：
[0058]eo
为输出电压信号；
[0059]
e为电源电压；
[0060]rn
为惠斯通全桥电路中对应的应变片的电阻，n＝1～4；
[0061]
s102：设置其中一个应变片初始电阻为ri，优选ri＝350ω，定义每个应变片由于应变导致的电阻增量为rd，可得到每个单一应变片的实际电阻r为：
[0062]rn
＝r
dn
r
in
，n＝1～4
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
将式(2)带入式(1)可得输出电压信号为：
[0064][0065]
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：
[0066][0067]
忽略高阶误差，化简得：
[0068][0069]
考虑应变片电阻随应变变化的特性如下：
[0070][0071]
式(6)中：
[0072]ks
为应变片的灵敏度系；
[0073]
ε为应变片上产生的应变；
[0074]
进一步得到：
[0075][0076]
式(7)中：
[0077]
εn为对应的应变片上产生的应变，n＝1～4；
[0078]
当加载绕z轴的扭矩载荷mz时，存在ε1＝-ε2＝ε3＝-ε4＝ε，此时可得：
[0079]eo
＝eksε
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0080]
当受到弯矩荷载、轴向载荷或者径向载荷时，eo＝0，从而降低串扰。
[0081]
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da以及db，将两个数字信号da以及db作为输出数据；
[0082]
实际上，惠斯通全桥电路的输出数据并不能完美消除串扰影响，由于安装不对称、应变片电阻误差等原因，两组惠斯通全桥电路的输出数据中仍然包含了串扰载荷导致的分量，为了描述这种影响，可以将输出数据分解为六个分量，每种载荷对应的输出数据与载荷之间存在线性关系。
[0083]
s3：对传感器进行标定；
[0084]
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)为两组惠斯通全桥电路的输出数据对应六种载荷的线性系数：
[0085][0086]
式(9)中：
[0087]mx
为绕x轴的弯矩荷载；
[0088]my
为绕y轴的弯矩荷载；
[0089]mz
为绕z轴的扭矩载荷；
[0090]fx
为沿x轴径向载荷；
[0091]fy
为沿y轴径向载荷；
[0092]fz
为轴向载荷；
[0093]
k为对应的数字信号与对应的荷载的荷载输出系数；
[0094]
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：
[0095][0096]
如果两个惠斯通全桥电路只有绕z轴的扭矩载荷有数据，其他均为0，则两个惠斯通全桥电路的输出数据da与db就是待测的扭矩数据。在理想状态下，除了绕z轴的扭矩载荷输出系数以外的其他荷载输出系数均接近0，远小于绕z轴的扭矩载荷输出系数的大小，且两个惠斯通全桥电路的两个绕z轴的扭矩载荷输出系数相等。然而，实际上，由于安装误差、放大电路倍数误差、结构应变误差等误差，除了绕z轴的扭矩载荷输出系数以外的其他载荷输出系数不为0，两个惠斯通全桥电路的两个绕z轴的扭矩载荷输出系数不相等。
[0097]
所以，实际中由于仅有da和db数据，和预先标定出的各个载荷系数，不知道具体载荷中各种载荷的情况，需要从da和db中得到尽可能准确的扭矩测量数据。
[0098]
s5：为得到最终的传感器测量数据，现有技术中通常直接取两个惠斯通全桥电路的输出数据的平均值为融合后数据，即而本发明为了降低最终输出的融合后数据的串扰，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km，融合后数据为：
[0099][0100]
为了求得km，需要利用标定中获得的载荷输出系数，这些载荷输出系数均为单独一个方向载荷下测得的系数。
[0101]
对于单独一个方向载荷对应的融合后数据输出分量有：
[0102][0103]
上式系数本身就代表了两个惠斯通全桥电路各自单独对各载荷的敏感程度，我们希望km可以使得两个惠斯通全桥电路融合后的数据对串扰载荷的敏感程度更低，同时最好让两个弯矩方向的敏感程度一样，这样可以避免敏感程度不同导致的对控制的影响。
[0104]
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；考虑实际应用中由于力载荷导致的应变远小于弯矩荷载导致的应变，故在后续评估串扰中，主要考虑弯矩荷载导致的串扰。定义两个弯矩荷载的串扰分别为：
[0105][0106]
取求解得到的融合系数的两个解为：
[0107][0108]
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；
[0109]
故标定扭矩传感器的过程中，分别单独加载获得两个惠斯通全桥电路输对应数据六种载荷的线性系数，并使用上述融合方法，求得融合系数km。
[0110]
s6：标定后的扭矩传感器通过下式求得绕z轴的扭矩载荷，即扭矩如下：
[0111][0112]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0113]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。