一种用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置的制作方法

本申请涉及电机的转矩测量装置，属于电机转矩测量领域。具体涉及一种用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置。

背景技术：

电机转矩是驱动电机的一个重要参数，转矩的波动情况将直接关乎驱动电机的运行状态和抖动情况，同时也影响着工业机器人的平稳可靠工作。现有技术中，通常情况下的测量驱动电机转矩采用传统的应变转矩测量仪进行转矩测量，应变片是一种将形变转变为电阻变化的传感器，道题在承受机械变形时其电阻值将产生相应变化，采用应变片进行转矩测量的优点是动态性能较好，可以根据需要实时采集转矩信号，但由于电阻应变片粘贴在旋转轴上与旋转轴一通转动，需要电刷和导电集电环将应变片的接引点引出，电刷和导电集电环之间接触电阻的变化给测量带来较大误差，这是导致可靠性和可维护性不佳的主要原因，因此，传统转矩测量方法采用的导电集电环和外接导线来传递信号的方式，只用于高速旋转和转轴振动较大的场合，用途受限且精度一般。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本申请提供了一种用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置，适用工业机器人的高精度信号场合，可靠性强。

一种用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置，所述驱动电机旋转轴外部设有应变片平衡电桥、导电集电环组和信号采集组件，所述导电集电环包括第一导电集电环和第二导电集电环，所述信号采集组件包括电压发射装置、第一线圈组、第二线圈组和电压接收装置，第一线圈组包括第一发射线圈和第一接收线圈，第二线圈组包括第二发射线圈和第二接收线圈，第一发射线圈和第一接收线圈分别与在第一导电集电环的外壁建立电连接，第二反射线圈和第二接收线圈分别与第二导电集电环的外壁建立电连接，所述应变片平衡电桥的输出端通过电压发射装置连接第一线圈组，第二线圈组连接电压接收装置。

进一步的，所述第一发射线圈和第一接收线圈分别位于第一导电集电环的两侧，第一发射线圈的中轴线、第一导电集电环的中心和第一发射线圈的中轴线共线。

进一步的，所述第二发射线圈和第二接收线圈分别位于第二导电集电环的两侧，第二发射线圈的中轴线、第二导电集电环的中心和第二发射线圈的中轴线共线。

进一步的，所述应变片平衡电桥包括四片应变片，四片应变片粘贴在旋转轴外壁上，所述应变片的延伸方向与旋转轴的中轴线呈45°角布置。

进一步的，所述信号接收装置包括时标振荡器、压差信号采集模块和信号采集模块。

进一步的，所述信号采集模块包括串联连接的共模抑制比放大电路和跟随电路。

进一步的，所述用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置包括数据处理组件，所述数据处理组件包括信号处理模块、主控芯片和显示模块。

进一步的，所述信号处理模块包括依次串联的一级跟随电路、可控放大电路、二级跟随电路、滤波电路和a/d转换电路。

进一步的，所述主控芯片为stm32主控芯片。

进一步的，所述显示模块包括示波器。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：本实用新型能够在不影响驱动电机工作的情况下及时检测不同工作制、运行状态下的变化转矩，具有很强的抗干扰能力；本实用新型采用无线信号传输的原理，取代了以往接触式的应变转矩测量仪，脱离检测区域的尺寸和形状对检测装置的限制，可进行隔空一定距离的转矩检测；且设计了信号的采集、传输和处理电路，适用工业机器人的高精度信号场合，且可靠性强，可进行高精度信号传输、控制和显示。

附图说明

图1是本实用新型具体实施例的结构框图；

图2是本实用新型具体实施例的转矩测量原理图；

图3是本实用新型具体实施例的信号采集模块的结构框图；

图4是本实用新型具体实施例的信号处理电路的电路原理图；

图5是现有技术中传统应变片安装位置附图；

图6是图5的等效电路原理图；

图7是图6的改进等效电路原理图。

具体实施方式

为了详细描述本申请的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型进行详细描述。

本实施例提供了一种用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置，驱动电机旋转轴外部设有应变片平衡电桥、导电集电环组和信号采集组件，如图1所示，本实施例的导电集电环包括第一导电集电环a`b`和第二导弹集电环c`d`；信号采集组件包括第一发射线圈m11、第一接收线圈m12、第二发射线圈m21、第二接收线圈m22、电压发射装置s1、和电压接收装置s2，外部电源接在应变片平衡电桥的输入端，电压发射装置s1的输出端连接发射线圈，接收线圈m2与电压接收装置s2的输入端连接。

本实施例中，所述第一发射线圈m11和第一接收线圈m12分别电连接在第一导电集电环的两侧，且第一发射线圈m11的中轴线、第一导电集电环a`b`的中心和第一发射线圈m12的中轴线共线，所述第二发射线圈m21和第二接收线圈m22分别电连接在第二导电集电环c`d`的两侧，且第二发射线圈m21的中轴线、第二导电集电环c`d`的中心和第二发射线圈m22的中轴线共线。

所述应变片平衡电桥如图5所示，包括四片应变片，四片应变片粘贴在旋转轴外壁上，所述应变片的延伸方向与旋转轴的中轴线呈45°角布置。四个应变盘贴附在转轴外部，因为4个应变片产生相同的变化，它们在电桥输出端之间能自动补偿，所以不受输出信号影响，可以消除温度变化的影响以及轴向拉压时的影响。

如图2所示，本实施例所述的信号接收装置包括时标振荡器、压差信号采集模块和信号采集模块。本实施例中采用可控电压源给机器人手臂驱动电机转动，所述驱动电机带动旋转轴转动；在旋转轴转动过程中进行转矩测量，所述时标振荡器用以在转矩测量时根据实际需要设定信号采集频率；压差信号采集模块用以收集图1中监测点1和监测点2之间的电压。如图3所示，本实施例的信号采集模块包括串联连接的共模抑制比放大电路和跟随电路。

在实际工作过程中，机器人手臂驱动电机的转动轴是旋转的，感应出电压是正弦量，由于工业机器人工作环境中存在复杂的电磁信号和不同波段的无线信号，需要在感应线圈上之后加上整流和滤波电路。针对转矩信号的波形特点，本实施例的用于工业机器人手臂驱动电机的转矩测量装置包括数据处理组件，所述数据处理组件包括信号处理模块、主控芯片和显示模块，用以实现信号的高精度传输。

如图2和图4所示，所述信号处理模块包括依次串联的一级跟随电路、可控放大电路、二级跟随电路、滤波电路和a/d转换电路。

其中，一级跟随模块用于传递电信号；即电路的局部缓冲和信号的隔离，尽可能较少外界谐波干扰，提高精度；可控放大模块用于放大由跟随电路过来的电压信号，实现微弱信号的合理化放大，方便信号的分析计算和转矩参数提取；即分别对电压进行幅值的改变，实现大电压的输出；带通滤波模块滤除环境中的干扰信号，和一些在信号传递过程中的混杂信号；即滤波电路，主要对传输过来的电信号进行滤波操作，降低外界干扰提高精度；二级跟随模块用于传递电压信号；电路的局部缓冲和信号的隔离，尽可能较少外界谐波干扰，提高信号在传递过程中的数值精度；a/d转换电路和控制模块：用于根据所述放大、滤波后获得的电压信号，计算所述微型电机的转矩参数，以及通过对可控放大模块的输出信号进行逻辑判断，对信号放大倍数进行调节和控制，确定更为准确的放大系数及精准的转矩参数；即实现对信号的调控功能和电路的保护，实现电机转矩参数的精准获取，保证电信号的精度化和平稳性。

本实施例的工作过程为：外部电压源以输入u1给图6所述应变片平衡电桥的输入端供电，当转矩为0时，调整所述电桥使其平衡，当机器人手臂驱动电机转动时，其旋转轴旋转后存在转矩，应变片平衡电桥的输出端产生电压u2`，此时第一线圈组通过电压发射装置对外界的电压信号进行接受；第一线圈组的第一发射线圈m11和第一接收线圈m12将接收的电压信号通过第一导电集电环a`b`发送至第二导电集电环c`d`，位于第二导电集电环c`d`上的第二发射线圈m21和第二接收线圈m22通过耦合作用将接收的信号通过电压接收装置将信号送入压差信号采集模块中。

由于信号微弱，需先进行信号的放大环节，在可控放大电路工作过程中，通过主控芯片控制可控放大电路中的电路参数实现放大效果，进而得到合适的放大倍数的信号，之后进行信号的滤波用以去除谐波信号的干扰，所述滤波的效果也受到主控的控制，通过主控来调节滤波电路中的参数来实现滤波效果的控制，最后得到准确的电压信号后输出；具体信号处理模块的电路原理如图4所示。

所述主控芯片为stm32主控芯片，用于接收和处理所采集到的数据，所述显示模块为示波器，示波器作为检测装置，用以事实检测交变磁场的电压信号的变化。

当采用如图5所示的应变片安装位置时，其转矩为t＝0.4gd³ε，其中，g为轴材料的剪切弹性模量，d为贴片处轴的直径，ε为轴的应变。

当采用传统应变转矩测量仪进行测量时，其等效电路如图6所示，设输入端电压与输出端电压满足如下关系：

其中，u1为输入电压，当转轴发生形变时，有：

为简化数据处理，我们通常把4个应电片电阻选取为一致，那么输出电压可以得到：

进而我们可以得到转轴的应变与输出电压关系如下：

那么转矩就可以表示为输入电压，输出电压的关系如下：

其中，k为比例系数。

但由于电阻应变片是粘粘在旋转轴上，向电桥供电和桥路输出信号，都必须经过导电集电环，电刷和导电集电环之间接触电阻的变化会给测量带来较大的误差。则原理电路图变为图7所示。

则真实的输入为：

u1'＝u1-δu1；

其中，δu1为输入电压集电环和电刷压降上的误差电压为：

u1'＝u1-δu1；

那么真实的输出则变为：

u2'＝u2-δu2；

其中，δu2为输入电压集电环和电刷压降上的误差电压。

根据的关系，则变成为u2-δu2＝(u1-δu1)kε；

转矩则变为：因而测量的转矩和实际转矩之间是存在一个误差系数的

此外，电刷和导电集电环之间摩擦，会导致其接触电阻的变化，因而，其误差系数是一个动态变量。因此，由于使用了导电集电环，可见，传统的应变转矩测量仪对于转矩测量精度要求不高的电机适用，而对于本申请所述的机器人手臂驱动电机泽不适用，通过本实施例的结构改进，由于不采用电刷，自然不存在电刷和导电集电环之间的摩擦，上述误差系数是一个定值，通过本实施例的矩阵测量装置可以得到更为精确的电机转矩数值，完全适用于机器人手臂驱动电机领域。

本实用新型的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本实用新型限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本实用新型的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本实用新型。因此，应当理解的是，本实用新型意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。