人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法与流程

本发明属于力矩检测技术领域，具体涉及人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法。

背景技术：

机器人关节是影响机器人动静态特性的重要部件。申请人设计了一种人工肌群驱动仿生关节，但是其第一人工肌群牵引线的张力及关节力矩的检测存在大大的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法。

所述的人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法，通过控制部分控制机械部分完成，控制部分包括控制板卡及设置在控制板卡上的测量按钮、复位按钮、液晶显示屏及led灯，通过控制板卡实现各部分运动的衔接及数据的读取转换；机械部分包括人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)将人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置安装在人工肌群驱动仿生关节的主关节与第一副关节、第二副关节之间，肌群牵引线06依次穿过左侧绳轮顶部、中间绳轮底部和右侧绳轮顶部的槽上，初始条件下，左侧绳轮、中间绳轮和右侧绳轮的中心在一条直线或者接近一条直线上，对力传感器进行调零，此时肌群牵引线与水平位置形成的夹角α＝0，肌群牵引线的张力为T；

2)按下测量按钮，单片机控制步进电机运动，通过联轴器和丝杠螺母带动动板沿第一导轨和第二导轨向下运动，中间绳轮、检测机构在动板带动下也作相对第二定板向下运动，使中间绳轮和左侧绳轮、右侧绳轮在竖直方向错开一定距离，使第一人工肌群牵引线在左侧绳轮、中间绳轮及右侧绳轮中形成所需的力三角，肌群牵引线与水平位置形成的夹角α满足式：

$tan\mathrm{\α}=\frac{2h}{L}---\left(1\right),$

式中：L为左侧绳轮与右侧绳轮之间的距离，h为中间绳轮向下移动的距离，

根据力学中的力三角关系和力在柔性绳上传力不变的原理，力与夹角关系满足式(2)：

$sin\mathrm{\α}=\frac{F}{T},T=\frac{1}{sin\mathrm{\α}}F---\left(2\right),$

F为肌群牵引线的张力T在竖直方向的分力，

设代入式(1)中，则有式(3)：

$k=\frac{1}{\sin \mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}{{\tan }^2\mathrm{\α}}}=\sqrt{1+\frac{L^2}{4h^2}}---\left(3\right)$

F由力传感器测得，肌群牵引线驱动机器人关节的力臂为r，则其驱动的机器人关节力矩为M＝Tr＝kFr；

3)整个检测机构对力传感器施加扭矩，通过采集力传感器(54)的电信号，经过信号处理和数据转换，得到肌群牵引线的肌群牵引线张紧力分量F；

4)将步骤3)测得的肌群牵引线张紧力分量F代入步骤2)的驱动的机器人关节力矩计算公式M＝Tr＝kFr中，计算得到力矩；

5)步进电机运动到底时，形成所需的力三角关系，led灯点亮，力矩结果在液晶显示屏上显示。

所述的人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法，其特征在于所述的力传感器(54)采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器，其工作原理是：将应变片粘贴到受力力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。将应变片接成由电阻片R1、R2、R3及R4连接成方形的电桥，力引起的每个电阻变化转换为测量电路的电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过换算得到所测量肌群牵引线张紧力分量F，计算过程如下：

桥式测量电路输出电压计算公式如式(4)所示：

$U_{DB}=(\frac{R_3}{R_3+R_4}-\frac{R_2}{R_1+R_2})E---\left(4\right)$

电桥的四个臂上接工作应变片，都参与机械变形，同处一个温度场，温度影响相互抵消，电压输出灵敏度高，当构件变形时，其输出电压计算公式如式(5)所示：

$U_{DB}+{\mathrm{\ΔU}}_{DB}=(\frac{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3+R_4+{\mathrm{\ΔR}}_4}-\frac{R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2})E---\left(5\right)$

当4个应变片的材料、阻值都相同时，U_DB＝0，ΔU_DB的计算公式如式(6)：

${\mathrm{\ΔU}}_{DB}=(\frac{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3+R_4+{\mathrm{\ΔR}}_4}-\frac{R_2+{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2})E=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1-{\mathrm{\ΔR}}_2+{\mathrm{\ΔR}}_3-{\mathrm{\ΔR}}_4}{4R}E---\left(6\right)$

即

${\mathrm{\ΔU}}_{DB}=\frac{EK}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)---\left(7\right)$

式中：K为电阻片灵敏度系数；

ε₁，ε₂，ε₃，ε₄分别为电阻片R1、R2、R3及R4感受到的应变值，

F与ΔU_DB成线性关系，即

$F=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{DB}}{H},$

其中H为常量，它与传感器灵敏度、激励电压、转换模块的信号增益、通道位数相关。

所述的人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法，其特征在于通过限位开关调节左、右两侧绳轮的高度，以适应不同高度待测绳力的测量。

所述的人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法，其特征在于通过步进电机来实现丝杠滑台的准确定位，已完成力三角测量法的运动部分。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器，其工作原理是：将应变片粘贴到受力力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过换算即可得到所测量肌群牵引线张紧力，再乘以力臂就可得到关节力矩，它根据力学中的力三角关系和力在柔性绳上传力不变的原理，发明一种人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法，可以在不释放拉绳张力的情况下,夹持于拉绳的适当位置，测出一定的数值，通过一定的数学运算，换算到拉绳的实际张力和关节力矩，能减少测力装置串入人工肌群驱动机器人关节系统，其结构简单，测试方便，适于推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的另一结构示意图；

图3为本发明的检测机构结构示意图；

图4为本发明的力传感器工作原理图；

图5为本发明的力传感器桥式测量电路图；

图6为本发明的使用状态参考图；

图7为本发明的力三角关系图；

图8为本发明的测力传感器安装示意图。

图中：00-人工肌群，01-散热风扇，02-底座，03-第一副关节，04-第二副关节，05-第二人工肌群牵引线，06-第一人工肌群牵引线，07-关节力矩检测装置，08-主关节，09-主关节运动臂，10-底板，第一定板，12-动板，13-第二定板，14-顶板，15-第一导轨，16-第二导轨，20第一带座直线轴承，21-第二带座直线轴承，22-第一带座滚动轴承，23-第二带座滚动轴承，30-螺杆，31-丝杠螺母，32-联轴器，33-步进电机，40-左侧绳轮，41-中间绳轮，42-右侧绳轮，5-检测机构，50-立板，51-第一立柱，52-第二立柱，53-横板，54-力传感器。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

如图1-8所示，本发明的人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法所用的人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，简称关节力矩检测装置07，设置在人工肌群驱动仿生关节的主关节08与第一副关节03、第二副关节04之间，包括通过第一导轨15和第二导轨16连接的底板10、第二定板13、第一定板11及顶板14，动板12通过第一带座直线轴承20及第二带座直线轴承21与两个导轨连接，丝杠螺母31固定连接在动板12上，螺杆30依次通过第一带座滚动轴承22、第二带座滚动轴承23及联轴器32设置在顶板14、第二定板13及第一定板11上，第二带座滚动轴承23的轴承内圈设有与螺杆30的螺纹槽匹配的锁紧螺钉，第二定板13通过锁紧螺钉和螺纹槽与螺杆30固定连接；丝杠螺母31通过联轴器32与设置在底板10上的步进电机33连接，动板12上设有检测机构5，检测机构5顶部设有中间绳轮41，第二定板13上设有左侧绳轮40及右侧绳轮42，左侧绳轮40及右侧绳轮42位于中间绳轮41的两侧，三个绳轮用于安装第一人工肌群牵引线06。

如图3所示，本发明的检测机构5包括横板53、立板50及力传感器54，横板53与立板50垂直连接，中间绳轮41安装在立板50顶部，力传感器54一端通过第一立柱51连接在横板53一端，力传感器54另一端通过第二立柱52连接在动板12一端。

本发明的左侧绳轮40、中间绳轮41和右侧绳轮42均为带滑槽、滚动轴承及轴的滑轮机构，绳轮通过的轴固定，肌群牵引线06从第一副关节03出来后，依次穿过左侧绳轮40的滑槽顶部、中间绳轮41的滑槽底部和右侧绳轮42的滑槽顶部，再绕到主关节8上。

如图4和图5所示，本发明的力传感器54采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器，其工作原理是：将应变片粘贴到受力力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。将应变片接成如图4所示的电桥，力引起的电阻变化将转换为测量电路的电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过换算即可得到所测量肌群牵引线张紧力，再乘以力臂就可得到关节力矩。

如图6所示，本发明的检测对象是由一系列人工肌肉致动单元经过串并联组合而成的人工肌群00，人工肌群00侧面设有散热风扇01，人工肌群00通过立板安装在底座02上，人工肌群00包括并联的两组，一组连接第一副关节03，另一组连接第二副关节04，两组副关节分别通过第一人工肌群牵引线06和第二人工肌群牵引线05连接到主关节08，通过主关节08带动主关节运动臂09运动，本发明实施例中采用SMA弹簧，人工肌群00经过第一副关节03和第二肌群牵引线06、第一副关节04和第一肌群牵引线05，驱动主关节08旋转，带动关节运动臂09运动，本发明的关节力矩检测装置安装在正、副关节之间，完成对关节力矩的在线检测工作。

如图1-8所示，本发明的人工肌群驱动机器人关节的力矩在线检测方法，它是通过控制部分控制机械部分配合完成，控制部分包括控制板卡及设置在控制板卡上的测量按钮、复位按钮、液晶显示屏及led灯，通过控制板卡实现各部分运动的衔接及数据的读取转换，测量按钮用于开启设置进行测量，复位按钮用于调节左、右两个绳轮的高度，液晶显示屏用于显示结构，led灯用于力三角形成后，亮灯提示；机械部分包括人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)如图1-6所示，将人工肌群驱动仿生关节的力矩检测装置安装在人工肌群驱动仿生关节的主关节08与第一副关节03、第二副关节04之间，肌群牵引线06依次穿过左侧绳轮40顶部、中间绳轮41底部和右侧绳轮42顶部的槽上，初始条件下，左侧绳轮40、中间绳轮41和右侧绳轮42的中心在一条直线或者接近一条直线上，对力传感器54进行调零，此时肌群牵引线06与水平位置形成的夹角α＝0，肌群牵引线06的张力为T；

2)如图7所示，按下测量按钮，单片机控制步进电机33运动，通过联轴器32和丝杠螺母31带动动板12沿第一导轨15和第二导轨16向下运动，中间绳轮41、检测机构5在动板12带动下也作相对第二定板13向下运动，使中间绳轮41和左侧绳轮40、右侧绳轮42在竖直方向错开一定距离，使第一人工肌群牵引线06在左侧绳轮40、中间绳轮41及右侧绳轮42中形成所需的力三角，肌群牵引线06与水平位置形成的夹角α满足式(1)：

$tan\mathrm{\α}=\frac{2h}{L}---\left(1\right),$

式中：L为左侧绳轮40与右侧绳轮42之间的距离，h为中间绳轮(41)向下移动的距离，

根据力学中的力三角关系和力在柔性绳上传力不变的原理，力与夹角关系满足式(2)：

$sin\mathrm{\α}=\frac{F}{T},T=\frac{1}{sin\mathrm{\α}}F---\left(2\right),$

F为肌群牵引线06的张力T在竖直方向的分力，

设代入式(1)中，则有式(3)：

$k=\frac{1}{\sin \mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{1+{\tan }^2\mathrm{\α}}{{\tan }^2\mathrm{\α}}}=\sqrt{1+\frac{L^2}{4h^2}}---\left(3\right)$

F由力传感器54测得，肌群牵引线驱动机器人关节的力臂为r，则其驱动的机器人关节力矩为M＝Tr＝kFr；

3)整个检测机构5对力传感器54施加扭矩，通过采集力传感器54的电信号，经过信号处理和数据转换，得到肌群牵引线06的肌群牵引线张紧力分量F；

4)将步骤3)测得的肌群牵引线张紧力分量F代入步骤2)的驱动的机器人关节力矩计算公式M＝Tr＝kFr中，计算得到力矩；

5)步进电机33运动到底时，形成所需的力三角关系，led灯点亮，力矩结果在液晶显示屏上显示。

如图4、图5所示，本发明的力传感器54采用双孔悬臂平行梁应变式力传感器，其工作原理是：将应变片粘贴到受力力敏型弹性元件上，当弹性元件受力产生变形时，应变片产生相应的应变，转化成电阻变化。将应变片接成由电阻R1、R2、R3及R4连接成方形的电桥，如图5所示，力引起的每个电阻变化转换为测量电路的电压变化，通过测量输出电压的数值，再通过换算得到所测量肌群牵引线张紧力分量F，计算过程如下：

桥式测量电路输出电压计算公式如式(4)所示：

$U_{DB}=(\frac{R_3}{R_3+R_4}-\frac{R_2}{R_1+R_2})E---\left(4\right)$

电桥的四个臂上接工作应变片，都参与机械变形，同处一个温度场，温度影响相互抵消，电压输出灵敏度高，当构件变形时，其输出电压计算公式如式(5)所示：

$U_{DB}+{\mathrm{\ΔU}}_{DB}=(\frac{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3+R_4+{\mathrm{\ΔR}}_4}-\frac{R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2})E---\left(5\right)$

当4个应变片的材料、阻值都相同时，U_DB＝0，ΔU_DB的计算公式如式(6)：

${\mathrm{\ΔU}}_{DB}=(\frac{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3+{\mathrm{\ΔR}}_3+R_4+{\mathrm{\ΔR}}_4}-\frac{R_2+{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1+{\mathrm{\ΔR}}_1+R_2+{\mathrm{\ΔR}}_2})E=\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1-{\mathrm{\ΔR}}_2+{\mathrm{\ΔR}}_3-{\mathrm{\ΔR}}_4}{4R}E---\left(6\right)$

即

${\mathrm{\ΔU}}_{DB}=\frac{EK}{4}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_4)---\left(7\right)$

式中：K为电阻片灵敏度系数；

ε₁，ε₂，ε₃，ε₄分别为电阻片R1、R2、R3及R4感受到的应变值，

如图8所示，本发明的按悬臂梁方式安装，F与ΔU_DB成线性关系，即

$F=\frac{{\mathrm{\ΔU}}_{DB}}{H},$

其中H为常量，它与传感器灵敏度和激励电压相关，本发明实施例中：以750gf的传感器数据转换为例，说明如下：

满量程输出电压＝激励电压x灵敏度＝4.3v x 1.0mv/v＝4.3mv，相当于有750g重力产生时，产生4.3mV的电压。

由于桥式传感器输出的信号较小，HX711模块A通道带有128倍信号增益，可以将4.3mV电压放大128倍，最大电压为4.3mV x 128＝550.4mV。然后采样输出24bitA/D(模拟量/数字量)转换的值，经过AD转换后输出的24bit数字值最大为550.4mV x 224/4.3V＝2147483。单片机通过指定时序将24bit数据读出。

假设力F为x g，测量出来的值ΔU_DB值为y。传感器(750g)输出，发送给AD模块的电压为

$\frac{xg\×4.3mV}{750g}=0.00573xmV$

经过128倍增益后为

128×0.00573xmV＝0.73387xmV

转换为24bit数字信号为

0.73387xmV×2²⁴÷4.3V＝2863.3115x

即，

即，H＝28.6

本发明在检测过程中，通过限位开关调节左、右两侧绳轮的高度，以适应不同高度待测绳力的测量，步进电机33来实现丝杠滑台的准确定位，已完成力三角测量法的运动部分，整个检测过程通过单片机编程实现各部分运动的衔接及数据的读取转换。