CN102941577A - 一种基于双旋变同轴设计的机器人一体化关节位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双旋变同轴设计的机器人一体化关节位置检测方法。首先，确定两侧旋转变压器绝对零点之间的差值。然后，采用角度增量累计的方法，将电机侧旋转变压器测得角度θ_M和关节侧旋转变压器得到的角度θ_J2在电机旋转过程中的增量累加，再相减得到差值，即为关节实际旋转的角度。同时，在计算角度增量时，需要在跨越零点的时刻进行特殊处理。即根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值，作为判断的临界值。

Description

一种基于双旋变同轴设计的机器人一体化关节位置检测方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种基于双旋变同轴设计的机器人一体化关节位置检测方法。

背景技术

随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低，具有良好的速度控制特性，易于提高系统的快速性。基于永磁交流伺服驱动技术的永磁同步电机可以应用于机器人的关节等部位。

在基于永磁同步电机的机器人关节中，需要有相应的检测元件对永磁同步电机转子位置进行检测，以实现对电机的控制。目前，现有的基于永磁同步电机机器人关节的位置检测元件主要安装方式为：采用一个位置检测元件并安装在电机侧，检测永磁同步电机转子的位置用于电机控制，并利用检测的位置结合减速机构的减速比n计算关节位置。这种方式的关节位置控制为开环，控制精度取决于减速机构的传动精度。

在对现有技术进行研究后，发明人发现：现有技术的永磁同步电机的机器人关节，在求解关节旋转角度时，通常采取的方式为将电机位置，除以减速器的减速比n，得到关节位置，此种求解关节位置的算法精度较低，可靠性差，且对于此种安装方式，当电机侧的检测元件损坏时，将使电机无法控制而导致机器人的关节失效。

本发明中采用的算法基于的一体化关节的位置检测元件安装方式为：将两个检测元件分别安装在电机侧及关节处，电机侧的检测元件采用旋转变压器检测永磁同步电机转子位置用于电机控制，关节侧的检测元件采用旋转变压器，其转子随电机转子同步转动，定子随关节输出端同步转动。此种一体化关节结构体积小，且可以通过算法解算出的关节位置用于伺服闭环控制。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种基于双旋变同轴设计的机器人一体化关节位置检测方法，以解决现有技术的问题。

本发明的技术效果通过以下技术方案得以实现。

一种机器人关节的位置检测方法，所述关节包括电机外壳(1)、电机端旋转变压器定子(2)、电机侧旋转变压器转子(3)、永磁同步电机定子(4)、永磁同步电机转子(5)、关节输出侧外壳(6)、谐波减速器钢轮(7)、谐波减速器波发生器(8)、谐波减速器柔轮(9)、关节输出侧旋转变压器定子(10)和关节输出侧旋转变压器转子(11)、关节右侧档盖(12)、中空轴定位销(13)、电机轴承(14)(18)、轴承安装座(15)(17)和电机主轴(16)，其中，所述永磁同步电机转子(5)、电机侧旋转变压器转子(3)和关节输出侧旋转变压器转子(11)都安装在电机轴上，随电机轴一起转动；电机侧旋转变压器定子(2)固定，关节输出侧旋转变压器定子(10)安装在谐波减速器柔轮(9)上，关节输出侧旋转变压器定子(10)可以随关节一起转动，所述方法包括以下步骤：

首先，确定两侧旋转变压器由于安装时造成的绝对零点之间的差值，检测出电机侧旋转变压器位于绝对零点时，关节输出侧旋转变压器测得的位置量θ_oz，作为两个旋转变压器绝对零点初始差值；

然后，将电机侧旋转变压器测得角度θ_M和关节侧旋转变压器测得的角度θ_J2在电机旋转过程中的增量累加，再相减得到差值，即为关节实际旋转的角度。

优选地，在计算角度增量时，需要在跨越零点的时刻进行判断。

优选地，根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值，作为对跨越零点的时刻的判断的临界值；其中，将根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值记为θ_max；若i时刻电机侧的角度θ_Mi或关节侧的角度θ_J2i在下一时刻与上一时刻的角度差值大于此最大可能值时，即电机的速度不可能使两个相邻时刻的差值出现以上情况，则判定角度过零点，计算出的差值减去或加上360°。

附图说明

图1是本发明中提供的一种基于永磁同步电机的机器人关节的结构示意图；

图2是本发明中提供的机器人一体化关节的关节位置双余度检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明提出的一种基于永磁同步电机的机器人关节，该关节的内部包括如下部件：电机外壳1；电机侧旋转变压器定子2；电机侧旋转变压器转子3；永磁同步电机定子4；永磁同步电机转子5；关节输出侧外壳6；谐波减速器钢轮7；谐波减速器波发生器8；谐波减速器柔轮9；关节输出侧旋转变压器定子10；关节输出侧旋转变压器转子11；关节右侧档盖12；中空轴定位销13；电机轴承14；轴承安装座15；电机主轴16；轴承安装座17；电机轴承18。

其中，在永磁同步电机的机器人关节中安装一个电机侧旋转变压器和一个关节输出侧旋转变压器；所述关节输出侧的旋转变压器定子10安装在谐波检测器的柔轮9上，可以随关节同步转动；所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器与所述电机同轴，且永磁同步电机定子4、所述电机侧旋转变压器的转子2和关节输出侧旋转变压器的转子11都安装在电机轴上，随所述电机轴同步转动。所述电机侧旋转变压器的定子2固定不动，所述关节输出侧旋转变压器的定子10随关节输出端同步转动。

利用所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器对所述关节输出端的关节位置进行检测；所述关节侧的旋转变压器检测到的所述关节输出端的从动关节转过的角度θ_J，以及所述电机侧旋转变压器检测到的所述电机转子转过的角度θ_M。由于关节输出端的旋转方向与电机的旋转方向相反，所以可以得到以下关系式：

${\mathrm{\θ}}_J={\mathrm{\θ}}_M+\frac{{\mathrm{\θ}}_M}{n},---\left(1\right)$

其中，n为一体化关节中减速器的减速比，在本实施例中为160。

本发明通过关节侧的旋转变压器检测到的角度θ_J和电机侧旋转变压器检测到的电机转子转过的角度θ_M，解算出关节输出端实际转过的角度θ_{J_real}。

具体解算算法如下：首先，需要确定两侧旋转变压器由于安装时造成的绝对零点之间的差值。但是在电机旋转的过程中，两个绝对零点之间的差值是不固定的，因为关节输出侧的旋转变压器定子随关节输出端同步转动，是不固定的。在本发明中，检测出电机侧旋转变压器位于绝对零点时，关节输出侧旋转变压器测得的位置量θ_oz，作为两个旋转变压器绝对零点初始差值。即

${\mathrm{\&theta;}}_{J2}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_J-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{oz}},& {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{oz}}<{\mathrm{\&theta;}}_J\&le;360\\ {\mathrm{\&theta;}}_J+360-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{oz}},& 0\&le;{\mathrm{\&theta;}}_J\&le;{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{oz}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

从而将关节输出侧旋转变压器检测到的角度θ_J与电机侧旋转变压器检测到的角度θ_M的零点对齐，得到θ_J2为零点对其后的关节输出侧旋转变压器检测的角度。

本发明提出的得到关节旋转角度基本的方法为θ_{J_real}＝θ_J2-θ_M。但是，关节旋转的实际角度范围必然是0～360°，但根据此式，减速比为160，得到的关节角位置为0～2.25°，不合常理，不能直接使用。

本发明提出采用增量累计的方法，将电机侧旋转变压器测得角度θ_M和关节侧旋转变压器得到的角度θ_J2在电机旋转过程中的增量累加，再相减得到差值，即为关节实际旋转的角度。如(3)(4)式所示：

${\mathrm{\&theta;}}_{M\_\mathrm{Zeng}}={\mathrm{\&theta;}}_{M0}+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^k({\mathrm{\&theta;}}_{M(i+1)}-{\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{Mi}})---\left(3\right)$

${\mathrm{\&theta;}}_{J2\_\mathrm{Zeng}}={\mathrm{\&theta;}}_{J20}+{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=0}^k({\mathrm{\&theta;}}_{J2(i+1)}-{\mathrm{\&theta;}}_{J2i})---\left(4\right)$

其中，θ_M0、θ_J20为第0个时刻得到的角度值；θ_Mi、θ_J2i为第i个时刻得到的角度值；θ_M(i+1)、θ_J2(i+1)为第i+1个时刻得到的角度值。

θ_{M_Zeng}、θ_{J2_Zeng}即为电机侧与关节输出侧旋转变压器测得的角度增量累计，则关节实际旋转角度为：

θ_{J_real}＝θ_{J2_Zeng}-θ_{M_Zeng}                        (5)

此为机器人一体化关节的关节输出端实际旋转角度，应将此角度限制在0～360°的范围内。

在进行增量累计得到θ_{M_Zeng}和θ_{J2_Zeng}时，θ_Mi或θ_J2i角度值的范围为0～360°。当角度值达到360°时，下一时刻将从0°开始累计，所以在计算角度增量时，需要在跨越零点的时刻特殊处理。

本发明提出一种过零点判断法：根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值，作为判断的临界值。其中，将根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值，记为θ_max。若θ_Mi或θ_J2i在下一时刻与上一时刻的角度差值大于此最大可能值时，即电机的速度不可能使两个相邻时刻的差值出现以上情况，则判定角度过零点，计算出的差值减去或加上360°，如式(6)所示：

θ_Z＝θ_i+1-θ_i；

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{zeng}}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_Z-360;& {\mathrm{\&theta;}}_Z>{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\\ {\mathrm{\&theta;}}_Z+360;& {\mathrm{\&theta;}}_Z<-{\mathrm{\&theta;}}_{\max }\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，θ_Z为第i+1个时刻与第i个时刻的角度增量，θ_zeng为经过过零点判断法判断的两个相邻时刻的绝对角度增量。式(6)应用于θ_M与θ_J2的增量累加计算中。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机器人关节的位置检测方法，所述关节包括电机外壳(1)、电机端旋转变压器定子(2)、电机侧旋转变压器转子(3)、永磁同步电机定子(4)、永磁同步电机转子(5)、关节输出侧外壳(6)、谐波减速器钢轮(7)、谐波减速器波发生器(8)、谐波减速器柔轮(9)、关节输出侧旋转变压器定子(10)和关节输出侧旋转变压器转子(11)、关节右侧档盖(12)、中空轴定位销(13)、电机轴承(14)和(18)、轴承安装座(15)和(17)和电机主轴(16)，其中，所述永磁同步电机转子(5)、电机侧旋转变压器转子(3)和关节输出侧旋转变压器转子(11)都安装在电机轴上，随电机轴一起转动；电机侧旋转变压器定子(2)固定，关节输出侧旋转变压器定子(10)安装在谐波减速器柔轮(9)上，关节输出侧旋转变压器定子(10)可以随关节一起转动，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

首先，确定两侧旋转变压器由于安装时造成的绝对零点之间的差值，检测出电机侧旋转变压器位于绝对零点时，关节输出侧旋转变压器测得的位置量θ_oz，作为两个旋转变压器绝对零点初始差值；

然后，将电机侧旋转变压器测得角度θ_M和关节侧旋转变压器得到的角度θ_J2在电机旋转过程中的增量累加，再相减得到差值，即为关节实际旋转的角度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在计算角度增量时，需要在跨越零点的时刻进行判断。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值，作为对跨越零点的时刻的判断的临界值；其中，将根据电机的最大转速和旋转变压器解算角度的时间差值，得到电机在下一时刻与上一时刻角度差值的最大可能值记为θ_max；若i时刻电机侧的角度θ_Mi或关节侧的角度θ_J2i在下一时刻与上一时刻的角度差值大于此最大可能值时，即电机的速度不可能使两个相邻时刻的差值出现以上情况，则判定角度过零点，计算出的差值减去或加上360°。

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