一种谐波减速器扭矩信号的处理电路和处理方法与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.针对现有方法的不足和协作机器人扭矩传感的实际需求，本发明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。
7.为实现上述目的，本发明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：
8.1)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；
9.2)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；
10.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；
11.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；
12.3)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；
13.4)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。
14.作为本发明的可选方案，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。
15.本发明还提供了一种谐波减速器扭矩信号的处理电路，其包括：
16.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；
17.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；
18.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；
19.滤波模块，对信号叠加模块处理后的信号进行滤波处理；
20.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；
21.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
22.电源模块，为各模块提供电源，所述的电源模块能够提供-5伏、3.3伏和5伏的电源。
23.作为本发明的优选方案，所述的信号放大模块包括信号差分输入电路和信号放大电路；所述的信号差分输入电路确保输入信号的稳定；所述的信号放大电路将信号放大至伏级。
24.作为本发明的优选方案，所述的信号叠加模块的运放加法电路采用反向比例加法器。
25.作为本发明的优选方案，所述的滤波模块由十阶低通滤波器和跟随器组成；所述的十阶低通滤波器对前级输出信号进行低通滤波；所述的跟随器用来提高电路的输出阻抗。
26.作为本发明的优选方案，所述的adc信号采集模块采用24位微功率工频抑制adc对信号进行模数转换并采集。
27.作为本发明的优选方案，所述的ethercat从站通信模块与adc采集模块进行通信连接，并将最终的信号通过以太网传输给下一级ethercat从站通信模块或上位机进行处理。
28.本发明与现有技术相比具有如下优点：
29.直接利用谐波减速器柔轮的柔性作为力矩检测的载体，不用增加额外的柔性单元，不需要解算复杂的关节力矩，具有直接测量的优点。并且结构也更简单紧凑，体积更小，更便于与电机等其他部件集成。由于只有一个柔性单元，扭矩测量也不存在耦合问题，所以测量精度也会随之提高。此外，由于采用了硬件去纹波方式，信号可得到实时处理，从而避免了软件处理信号带来的延时问题。另外对应变片的粘贴位置和角度要求也会大大降低，粘贴时只要将应变片放在一个大概的位置和角度即可。这样可以大大减少人为的影响因素并节约粘贴应变片的人力成本，使得应变片的贴装更简单，信号采集也更简单精确。
附图说明
30.图1为本发明谐波减速器柔轮粘贴有应变片和输入输出轴的整体结构图；
31.图2为本发明应变片组在柔轮上的布置示意图；
32.图3为本发明应变片组粘贴位置的轴测视图；
33.图4为本发明扭矩信号处理方案图；
34.图5为信号放大模块电路图；
35.图6为信号叠加模块电路图；
36.图7为滤波模块及跟随器电路图；
37.图8a为电源模块电路图一；
38.图8b为电源模块电路图二。
39.1-一体式波发生器及输入轴，2-壳体端盖，3-应变片，4-柔轮，5-交叉滚子轴承内圈，6-刚轮，7-输出法兰，8-柔性轴承，9-交叉滚子轴承外圈。
具体实施方式
40.下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
41.如图1-3所示，为一种兼具扭矩传感功能的谐波减速器，包括刚轮6、柔轮4、波发生器、交叉滚子轴承、输入输出组件和应变片3；所述的柔轮为帽型柔轮，帽型柔轮的外齿圈置于所述刚轮腔体内并与所述刚轮的内齿圈实现内啮合传动；所述帽型柔轮的帽沿部通过螺栓与交叉滚子轴承外圈9及壳体端盖2固定，并且帽沿底部贴应变片3以利用柔轮的变形测量输出扭矩；所述应变片的信号线穿过壳体端盖的槽口接到信号处理电路板；所述应变片为专门用于测扭矩的金属箔式应变片，实际应用中其具体位置和数量可根据相应的精度补偿算法进行适当增减。所述刚轮与输出法兰7及交叉滚子轴承内圈5通过螺栓连接输出动力；所述波发生器和输入轴为一体化设计，一体式波发生器及输入轴1置于所述柔轮中由电机带动旋转使所述柔轮发生周期性的挠曲变形。所述波发生器的凸轮为标准的椭圆结构，所述的波发生器的凸轮通过柔性轴承与帽型柔轮的内圈转动连接。
42.本发明还提供如下应变片粘贴方案：所述应变片为专门用于测扭矩的金属箔式应变片，每组应变片为一互相垂直的应变花结构。在柔轮帽沿端部的环形面上粘贴至少3组应变片。3组应变片在周向位置保持大概120度的间隔。应变片的长边或短边与柔轮半径方向垂直。
43.如图4所示，本实施例提供了一种谐波减速器扭矩信号的处理电路，其包括：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。各模块的功能如下：
44.惠斯通半桥电路模块，将从谐波减速器引出后的每个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；
45.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；
46.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；
47.滤波模块，对信号叠加模块处理后的信号进行滤波处理；
48.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；
49.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
50.电源模块，为各模块提供电源，所述的电源模块能够提供-5伏、3.3伏和5伏的电源。
51.在本发明的一个优选实施例中，所述的信号放大模块包括信号差分输入电路和信号放大电路；所述的信号差分输入电路确保输入信号的稳定；所述的信号放大电路将信号放大至伏级。图5为实施例示例的一种信号放大模块电路，电阻应变片信号经过r6、r7差分输入到该模块，经过前端处理和信号放大由u1的out引脚输出信号；r6、r7为输入电阻，消除输入信号瞬时电压脉冲；c1、c2、c3、c4为y电容，主要用于滤除信号差模干扰；c5为x电容，主要用于滤除共模干扰；电感l1为共模电感，可以滤除高频率共模干扰信号；u1为精密仪表放大器，以其为核心构成信号放大电路；r8为增益电阻，根据输入信号大小调节信号放大倍数，c7用于稳定放大倍数，使信号不易波动；c6、c8为u1正负电源滤波电容；r9给信号提供参考并提供通路。
52.图6为信号叠加模块电路，将三组应变片信号放大后的信号进行相加，得到所需要的力矩信号；r10为固定增益电阻提供直流偏置，用于将叠加信号调整为正电平，便于后续信号采集；r11、r12、r13为三组应变片信号对应的增益调节电阻，可选任一组作为基准信号电阻。本实施例选r11作为应变片放大信号的基准信号电阻，并与反馈电阻r14的阻值相同，为后续其他两路提供计算基准，然后在谐波减速器空载状态下调节第二组和第三组应变片放大信号增益调节电阻，即r12、r13的电阻值，通过与第一路应变片基准信号电阻r11做相应比较计算即可求出所需要的r12、r13固定阻值，从电阻标准库中选配对应电阻值的电阻作为r12和r13焊接到图6所示电路中。。c10为反馈电容，增加信号的平滑度，使信号更加稳定；r15为信号提供供参考并提供通路；r16为输出电阻，连接滤波模块输入端。运放加法电路采用四反向负反馈输入，将三路信号通过对应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，使得电压在自己需要的区间，从而实现通过硬件电路的方式去除纹波信号。一旦确定r11、r12和r13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。
53.图6所示电路滤除的纹波信号为低阶纹波信号，特别指谐波减速器波发生器产生的周期性纹波信号；如果要去除更高阶的周期性纹波信号，比如减速器内外齿啮合时产生
的纹波信号，则需要五组或更多组应变片，其硬件电路处理方式与三组应变片时类似，其方法也是调增益使纹波信号矢量和叠加为零。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。
54.在本发明的一个优选实施例中，所述的滤波模块由十阶低通滤波器和跟随器组成；所述的十阶低通滤波器对前级输出信号进行低通滤波；所述的跟随器用来提高电路的输出阻抗。图7为实施例示例的一种滤波模块及跟随器电路图，用于对叠加信号进行低通滤波，因为信号频率较低，所以采用低通滤波，滤波后接入adc采集模块；u3为低通滤波器，采用单电源供电模式，r16和r17为分压电阻，通过分压得到gnd引脚的参考电压；c12、c13为电源滤波电容，以确保输入电压质量；r18设置滤波器频率，根本所需截止频率根据公式提供合适大小的电阻；c11连接负输入与地之间；r19为输出电阻，连接跟随器；u4为运算放大器，在此作为跟随器，单电源供电，为后级信号进入adc采集增加输入阻抗；r20为信号提供参考电压及提供通路；r21为输出电阻，连接后级adc采集模块。
55.在本发明的一个优选实施例中，所述的adc信号采集模块采用24位微功率工频抑制adc对信号进行模数转换并采集。
56.在本发明的一个优选实施例中，所述的ethercat从站通信模块与adc采集模块进行通信连接，并将最终的信号通过以太网传输给下一级ethercat从站通信模块或上位机进行处理。
57.图8a和图8b分别示意了电源模块的其中两部分电路，其中图8a为电源模块的其中一部分电路；该部分电路用于将正电源信号转换输出为负电源信号，为信号放大模块提供负参考电压；其中，u5为电压反转器；c14、c15为电压反转器的外接电容；c16、c17为输出信号滤波电容。
58.图8b为为电源模块的其中一部分电路，该部分电路用于将5伏电源转成3.3伏电源，为后续的adc采集模块提供参考电压和为ethercat模块供电；u6为ldo线性稳压器提供固定输出电压；c18、c19为输入滤波电容；c20、c21为输出滤波电容。
59.在本发明中，电源模块能够提供-5伏、3.3伏和5伏的电源，为各模块供电。
60.参照图4，本发明还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：
61.1)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至少3组应变片以利用柔轮的变形测量输出扭矩；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；所述应变片的长边或短边与柔轮半径方向垂直；
62.2)每组应变片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；
63.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；
64.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；
65.3)剩下的信号由于噪声的存在还需进入滤波模块进行滤波处理；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；
66.4)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。
67.本发明采用了硬件去纹波方式，信号可得到实时处理，从而避免了软件处理信号带来的延时问题。另外对应变片的粘贴位置和角度要求也会大大降低，粘贴时只要将应变片放在一个大概的位置和角度即可。这样可以大大减少人为的影响因素并节约粘贴应变片的人力成本，使得应变片的贴装更简单，信号采集也更简单精确。
68.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。