CN106041924A - 一种使用光电编码器测量关节力矩的方法及关节控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用光电编码器测量关节力矩的方法，以便更简单、精准的测量关节力矩，其包括步骤：S1、通过光电编码器信号采集电路实时采集电机运动过程中，柔轮轴相对于关节输出轴角度位置变化的角度值信号；S2、通过关节控制器接受步骤S1采集到的角度值信号并进行计算处理，具体包括：步骤S21、计算得到弹性单元中每个线性弹簧的力矩T；步骤S22、将弹性单元中各个线性弹簧的力矩T叠加得到关节输出轴的力矩。本发明还涉及机器人关节的控制方法，将测得的力矩值与力矩参考值、关节力矩补偿相此较，得到力矩差值，再将力矩差值经力矩电流环控制模块转换为电机控制信号，最终控制电机的运行，从而实现对关节的更简单、更精准的控制。

Description

一种使用光电编码器测量关节力矩的方法及关节控制方法

技术领域

本发明涉及一种检测关节力矩的方法，尤其是一种使用光电编码器测量关节力矩的方法，主要用于机器人关节上，本发明还涉及基于该测量方法的机器人关节的控制方法。

背景技术

目前，对于机器人关节力矩的测量一般采用力矩传感器，包括非接触式力矩传感器和应变片力矩传感器。

其中，非接触式力矩传感器的输入轴和输出轴由扭杆连接起来，输入轴上的花键与输出轴上的键槽相对应。当扭杆受方向盘的转动力矩作用发生扭转时，输入轴上的花键和输出轴上键槽之间的相对位置就被改变了。花键和键槽的相对位移改变量等于扭转杆的扭转量，使得花键上的磁感强度改变，磁感强度的变化，通过线圈转化为电压信号。

非接触力矩传感器由于采用的是非接触的工作方式，是电池供电，所以只能短期使用，安装到关节内部后，一旦没电只能将关节拆开，后续维修十分麻烦。

应变片传感器力矩测量采用应变片电测技术。在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，需提供±15V电源，当弹性轴受力矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现力矩测量。

应变片力矩传感器电路复杂，在旋转动力传递系统中，旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出，通常的做法是用导电滑环来完成。但导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功。

综上可知，力矩传感器是测量电机输出力矩的主要测量元件，也是目前最为广泛的使用方法，但外接电机轴或负载侧时，存在成本高，结构复杂，体积庞大等问题。当在成本低，安装空间有限，还要保证测量精度时，例如微型机器人控制等，就需要探索一种方案简单、价格低廉的可测量电机输出力矩的新型测量方法。

对此，申请公布号为CN 104198098A的发明专利申请“基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器及测量方法”提出了一种解决方案，但是，由于其需要安装两个光电编码器和弹性环节，使得其存在结构复杂，力矩采集方式冗余等不足。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种使用光电编码器测量关节力矩的方法，其可以仅通过安装在弹性环节与谐波减速器输出轴的光电编码器即可测量实际输出力矩，可以方便地安装在关节内部，可与电机紧密连接，可减少安装空间，也就是说，其外围设备只需要一个光电编码器和配套的弹性环节，便可测量电机运动过程中，关节的输出力矩。本发明还涉及基于该测量方法的机器人关节的控制方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种使用光电编码器测量关节力矩的方法，其包括如下步骤：

S1、通过光电编码器信号采集电路实时采集电机运动过程中，柔轮轴相对于关节输出轴角度位置变化的角度值θ；

S2、通过关节控制器接受步骤S1采集到的角度值信号并进行计算处理，得到关节输出轴的力矩，其中，将光电编码器的角度值θ转化为力矩值的方法如下：

S21、根据式(1)计算得到弹性单元中每个弹性元件的力矩T，

T＝K·θ 式(1)，

其中，K为弹性元件的刚度系数；

S22、将弹性单元中各个弹性元件的力矩T叠加得到关节输出轴的力矩τ_sxt。

本发明的一个优选实施例中，当弹性元件为弹簧时，其力矩T按式(2)计算：

其中，R是弹簧安装轴线到关节中心轴线的距离，r_s为弹簧的半径。

本发明的一个优选实施例中，当弹性单元中弹性元件为对称设置的四个弹簧时，关节输出轴的力矩按式(3)计算：

当相对转角较大时，式(3)的结果存在偏差增大的可能，为了始终能够获得较佳的结果，本发明的一个优选实施例中，当弹性单元中弹性元件为弹簧时，其力矩T按式(4)计算：

其中，R是弹簧安装轴线到关节中心轴线的距离，r_s为弹簧的半径。

上述任一实施例中，为了得到更准确的结果，较佳的，弹性元件的刚度系数K为计算得到的等效刚度k₁或经试验得到的等效刚度k₂。

更进一步的，在角度值θ的通常可能范围之内，为了获得更加切合实际的结果，可以采用式(6)计算得到等效刚度k₁：

其中，K是刚度系数，k₁是等效刚度，θ是相对转角，α+β＝1。

由于实际加工过程中不能保证每个线性弹簧的刚度特性都是一样的，再加上安装时存在装配误差，可能导致间隙的存在，同时当关节受到外力时，其内部一些结构较小、刚度较小的元件也可能发生弹性变形，这些因素都会最终导致所测量的力矩与实际的力矩存在偏差，本发明为了消除或减少该种偏差，还对弹性单元中的弹性元件进行刚度标定。

在本发明的一个优选实施例中，等效刚度k₂为根据式(5)标定得到的：

τ＝k₂·θ 式(5)，

其中，k₂是等效刚度，θ是相对转角，τ是测量的力矩。

实际使用时，弹性单元中的弹性元件为2n个线性弹簧，即偶数个线性弹簧，优选为对称分布；弹性单元中还可以采用由4n个线性弹簧组成的2n个等效扭簧来代替2n个线性弹簧，即偶数个等效扭簧(每个等效扭簧由两个线性弹簧组成)，优选为对称分布。

一种机器人关节的控制方法，其包括如下步骤：

步骤一、采用上述任一种使用光电编码器测量关节力矩的方法测量关节力矩；

步骤二、设定力矩参考值，将步骤一中测得的力矩值作为电机的实际输出力矩值，与力矩参考值、关节力矩补偿相比较，得到力矩差值；

步骤三、将力矩差值经由力矩电流环控制模块转换为电机控制信号，控制电机的运行，实现对机器人关节的控制。

其中，电机控制信号为PWM占空比控制信号。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的使用光电编码器测量关节力矩的方法，由于采用常见的光电编码器即可测量关节输出力矩，能够在保证控制精度的情况下，具有结构简单，成本低，安装方便等优点。且由于其不需要提供力矩传感器，避免了力矩传感器的不足，例如，传统力矩传感器供电电压为15V，输出信号电压为5V，故需要进行专门的电压供电。而光电编码器供电和信号输出均为5V或3.3V，使得其可以直接与控制芯片引脚相连，无需电平转换，硬件连接简单。

另外，由于其可以采用与一般的光电编码器一样的测量软件，还具有程序简单、通用的特点，只需要将测量后的位置旋转角度乘以等效扭簧的刚度，即可转化为力矩值，即其还具有通用性强、测量方便、计算简单、结果准确等优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例所适用的机器人关节的关节控制器与外部信号采集、电机接口连接示意图；

图2为本发明一个实施例所适用的机器人关节的关节力矩采集控制系统的组成示意图；

图3为本发明一个实施例的机器人关节控制方法中测量关节力矩后控制电机的方法示意图；

图4为本发明一个实施例的测量方法中关节受到的力与变形量之间的关系示意图。其中，图4(a)示出的为弹性单元整体，图4(b)示出的为其中的一个线性弹簧。

【附图标记说明】

1：关节控制器；

2：关节外壳；

3：无框直流无刷电机；

4：电机轴；

5：柔轮轴；

6：扭转弹性单元；

7：光电编码器；

8：关节输出轴。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参见图1，本发明一个实施例的使用光电编码器测量关节力矩的方法所适用的机器人关节，其包括：

关节控制器1，其中设有主控制芯片；

关节外壳2；

无框直流无刷电机3；

电机轴4；

柔轮轴5；

扭转弹性单元6；

光电编码器7；以及

关节输出轴8。

其中，光电编码器7(例如力矩光电编码器)安装在弹性环节(即扭转弹性单元6)与谐波减速器输出轴(即关节输出轴8)之间，通过上述结构的设置，使得其力矩测量模块，可以通过光电编码器7，测量柔轮轴5相对作为关节负载轴的关节输出轴8的角度值，将该角度值送入关节控制器1的主控制芯片，进行负载轴角度变化数据采集，再根据采集到的负载轴角度数据的变化，根据公式计算出理论值，并通过实验补偿刚度值，达到通过测量电机角度位移值，计算出负载力矩值的效果。

具体的，关节控制器采集光电编码器7的信号，通过关节控制器把采集到的信号计算处理后，得到关节输出轴的力矩。

其中，机器人关节中的关节力矩采集控制系统由光电编码器信号采集电路、控制电路组成(参见图2)。

光电编码器信号采集电路的功能是实时采集电机运动过程中，柔轮轴相对关节输出轴角度位置变化的信号。并可以将该信号直接连接到控制电路上进行信号采集。

其中，可以按如下方法将光电编码器的角度值转化为力矩值：

整体而言，通过检测光电编码器的角度值，测量弹性单元的变形量，再通过计算出来的等效刚度或者是通过实验得到的等效刚度，即可得到负载力矩。

理论上来说，如图4所示，在弹性单元的简化模型中，也是假定电机轴为固定的情况下。当关节受到外力时，中间的十字幅会产生一定的偏转角度，假设为θ，由于对称性，取4对线性弹簧中的一对出来进行受力分析：

假设弹簧的原长为x，在弹性单元组装时，需要有一定的预紧力，这样弹簧初始平衡点假设为A点，弹簧这时候的长度为x_AB，当受到外力后，弹簧由A点变化到C点，弹簧这时候的长度为x_BC，则从状态A到状态C中，弹簧的变形量为：

Δx＝x_BA-x_BC≈R·sinθ。

这时候弹簧受到的力的变化量为：

F_x1＝K·Δx，

其中，K是线性弹簧的刚度系数，R是弹簧安装轴线到关节中心轴线的距离。

同理，可以算出这一对弹簧中另一弹簧受到的力为：

F_x2＝K·(-Δx)。

所以，可以算出这一对弹簧所受到合力为：

F_x＝F_x1-F_x2＝2K·Δx＝2KR sinθ。

从图4可以看到，该力的方向到中心点的距离为：

1≈R·cosθ，

所以，在不考虑弹簧直径下，折算到十字幅的力矩为：

T＝F_x·1＝2KR sinθ·R cosθ＝KR²sin(2θ)。

在实际的情况中，弹簧的直径比较大，约为15mm，和中心距离R相差不大，故不能直接忽略，但在受到外力时，弹簧的变形不是线性的，是带有弯矩，因此不容易得到很精确的数学模型，但是可以经过一定的数学处理，得到相对准确的表达式，这里采用类似数据处理中的积分平均方法：

$T=\frac{1}{2r_s}{\∫}_{R-r_s}^{R+r_s}{\mathrm{KR}}^2\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)dR=K\·(R^2+\frac{r_s^2}{3})\·\sin \left(2\mathrm{\θ}\right),$

其中，r_s为弹簧的半径。

由于对称性，可以得到整个十字幅所受到的外力矩为：

${\mathrm{\τ}}_{ext}=4K\·(R^2+\frac{r_s^2}{3})\·\sin \left(2\mathrm{\θ}\right),$

当变形角度θ较小时，上式可近似为：

${\mathrm{\τ}}_{ext}\≈4K\·(R^2+\frac{r_s^2}{3})\·2\mathrm{\θ}\≈8K\mathrm{\θ}(R^2+\frac{r_s^2}{3}).$

通过上式可以得到外力矩与变形产生的旋转角度之间的关系，另外，实际加工过程中，由于弹簧加工误差，不能保证每个线性弹簧的刚度特性都是一样的，再加上安装时存在装配误差，可能导致间隙的存在，会造成刚度系数K的不准确，同时当关节受到外力时，其内部一些结构较小、刚度较小的元件也可能发生弹性变形，这些因素都会最终导致所测量的力矩与实验的力矩存在偏差，所以必须进行弹性元件的刚度标定。

进行标定实验时，在关节的输出端施加不同的负载，此负载是可以计算的，同时可以通过传感器的测量得到力矩信息，可以对比两者之间的差别。

标定时所测量得到的力矩：

τ＝k₂·θ，

其中，k₂是等效扭簧的刚度，θ是相对转角，τ是测量的力矩。

另外，如果所设计的串联柔性关节的弹性元件是采用由8个线性弹簧组成的等效扭簧，也需要对等效扭簧的刚度进行标定。

举例来说，本发明一个实施例的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其包括如下步骤：

S1、通过光电编码器信号采集电路实时采集电机运动过程中，柔轮轴相对于关节输出轴角度位置变化的角度值θ信号；

S2、通过关节控制器接受步骤S1采集到的角度值信号并进行计算处理，得到关节输出轴的力矩，其中，将光电编码器的角度值θ转化为力矩值的方法如下：

S21、根据式(1)计算得到弹性单元中每个弹性元件的力矩T，

T＝K·θ 式(1)，

其中，K为弹性元件的刚度系数；

S22、将弹性单元中各个弹性元件的力矩T叠加得到关节输出轴的力矩τ_sxt。

本发明的一个优选实施例中，当弹性元件为弹簧时，其力矩T按式(2)计算：

其中，R是弹簧安装轴线到关节中心轴线的距离，r_s为弹簧的半径。

本发明的一个优选实施例中，当弹性单元中弹性元件为对称设置的四个弹簧时，关节输出轴的力矩按式(3)计算：

当相对转角较大时，式(3)的结果存在偏差增大的可能，为了始终能够获得较佳的结果，本发明的一个优选实施例中，当弹性单元中弹性元件为弹簧时，其力矩T按式(4)计算：

上述任一实施例中，为了得到更准确的结果，较佳的，弹性元件的刚度系数K为计算得到的等效刚度k₁或经试验得到的等效刚度k₂。

由于实际加工过程中不能保证每个线性弹簧的刚度特性都是一样的，再加上安装时存在装配误差，可能导致间隙的存在，同时当关节受到外力时，其内部一些结构较小、刚度较小的元件也可能发生弹性变形，这些因素都会最终导致所测量的力矩与实际的力矩存在偏差，本发明为了消除或减少该种偏差，还对弹性单元中的弹性元件进行刚度标定。

在本发明的一个优选实施例中，等效刚度k₂为根据式(5)标定得到的：

τ＝k₂·θ 式(5)，

其中，k₂是等效刚度，θ是相对转角，τ是测量的力矩。

更进一步的，在θ的通常可能范围之内(一般不超过8°，例如6°或更小)，为了获得更加切合实际的结果，可以采用式(6)计算得到等效刚度k₁(解方程时需排除明显不合理的四个伪数，并将另四个数的绝对值取均值)：

其中，K是刚度系数，k₁是等效刚度，θ是相对转角，α+β＝1。

较佳的，0.1≤α≤0.9，0.1≤β≤0.9。

例如：弹簧的刚度系数为K＝118.34N/mm，θ＝6°，R＝30mm，r_s＝6.5mm，α＝0.53，β＝0.47，计算得到等效刚度k₁＝118.339N/mm。

例如：弹簧的刚度系数为K＝118.34N/mm，θ＝6°，R＝30mm，r_s＝6.5mm，α＝0.1，β＝0.9，计算得到等效刚度k₁＝118.340N/mm。

例如：弹簧的刚度系数为K＝118.34N/mm，θ＝6°，R＝30mm，r_s＝6.5mm，α＝0.9，β＝0.1，计算得到等效刚度k₁＝118.335N/mm。

由上可知，当相对转角θ为6°时，依据式(6)计算得到的结果与实际结果相一致，而且，由于相对转角θ越大时，计算误差越大(当θ＝0°时，K＝k₁)，因此，当相对转角θ小于6°时，式(6)依然可以得到准确的计算结果。而采用式(6)直接计算出等效刚度k₁，不仅可以获得准确的结果，而且，相较于式(5)的标定而言，其还具有速度快、简单易行、通用性强的优点。

实际使用时，弹性单元中的弹性元件为2n个线性弹簧，即偶数个线性弹簧，优选为对称分布；弹性单元中还可以采用由4n个线性弹簧组成的2n个等效扭簧来代替2n个线性弹簧，即偶数个等效扭簧(每个等效扭簧由两个线性弹簧组成)，优选为对称分布。

进一步的，基于上述力矩测量方法或结果，还可以配合关节控制器的算法，使电机实现期望的运动。

具体的，参见图3，可以先设定力矩参考值，通过实时检测光电编码器检测到的角度位移量，经过弹性单元刚度系数，转换成直流无刷电机此时的实际输出力矩值，与力矩参考值、关节力矩补偿相比较，得到力矩差值。力矩差值经力矩电流环控制模块转换为电机控制信号，最终控制电机的运行。

举例来说，本发明一个实施例的机器人关节的控制方法，其包括如下步骤：

步骤一、采用上述任一种使用光电编码器测量关节力矩的方法测量关节力矩；

步骤二、设定力矩参考值，将步骤一中测得的力矩值作为电机的实际输出力矩值，与力矩参考值、关节力矩补偿相比较，得到力矩差值；

步骤三、将力矩差值经由力矩电流环控制模块转换为电机控制信号，来控制电机的运行，来实现对机器人关节的控制。

其中，电机控制信号为PWM占空比控制信号。

综上所述，本发明通过采用光电编码器，测量柔轮轴相对关节负载轴的角度值，将该角度值送入主控制芯片，进行负载轴角度变化数据采集等在硬件上的改进；并通过弹性环节力矩的测量计算的方法改进，通过采集到的负载轴角度数据的变化，根据公式计算出理论值，并通过实验补偿刚度值，实现通过测量电机角度位移值，计算出负载力矩值。使得本发明不需要提供力矩传感器，避免了力矩传感器的不足，例如传统力矩传感器供电电压为15V，输出信号电压为5V，需要进行专门的电压供电。而本发明采用常见的光电编码器即可测量关节输出力矩，而由于光电编码器供电和信号输出均为5V或3.3V可以直接与控制芯片引脚相连，无需电平转换，硬件连接简单，使得本发明可以在保证控制精度的情况下，结构简单，成本低，安装方便。另外，本发明的测量软件与一般的光电编码器一样，程序简单通用，只需要将测量后的位置旋转角度乘以等效扭簧的刚度，即可转化为力矩值。

Claims (10)

1.一种使用光电编码器测量关节力矩的方法，其包括如下步骤：

S1、通过光电编码器信号采集电路实时采集电机运动过程中，柔轮轴相对于关节输出轴角度位置变化的角度值θ；

S2、通过关节控制器接受步骤S1采集到的角度值信号并进行计算处理，得到关节输出轴的力矩，其中，将光电编码器的角度值θ转化为力矩值的方法如下：

S21、根据式(1)计算得到弹性单元中每个弹性元件的力矩T，

T＝K·θ 式(1)

其中，K为弹性元件的刚度系数；

S22、将弹性单元中各个弹性元件的力矩T叠加得到关节输出轴的力矩

2.如权利要求1所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于，弹性单元中弹性元件为弹簧时，其力矩T按式(2)计算：

其中，R是弹簧安装轴线到关节中心轴线的距离，r_s为弹簧的半径。

3.如权利要求2所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于，弹性单元中弹性元件为对称设置的四个弹簧时，关节输出轴的力矩按式(3)计算：

4.如权利要求1所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于，弹性单元中弹性元件为弹簧时，其力矩T按式(4)计算：

其中，R是弹簧安装轴线到关节中心轴线的距离，r_s为弹簧的半径。

5.如权利要求1所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于：弹性元件的刚度系数K为计算得到的等效刚度k₁或经试验得到的等效刚度k₂。

6.如权利要求5所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于，等效刚度k₂为根据式(5)标定得到的：

τ＝k₂·θ 式(5)，

其中，k₂是等效刚度，θ是相对转角，τ是测量的力矩。

7.如权利要求5所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于，等效刚度k₁为采用式(6)计算得到的：

其中，K是刚度系数，k₁是等效刚度，θ是相对转角，α+β＝1。

8.如权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法，其特征在于：弹性单元中的弹性元件为2n个线性弹簧或采用由4n个线性弹簧组成的2n个等效扭簧来代替2n个线性弹簧，n为自然数。

9.一种机器人关节的控制方法，其包括如下步骤：

步骤一、采用权利要求1-8中任一项所述的使用光电编码器测量关节力矩的方法测量关节力矩；

步骤二、设定力矩参考值，将步骤一中测得的力矩值作为电机的实际输出力矩值，与力矩参考值、关节力矩补偿相比较，得到力矩差值；

步骤三、将力矩差值经由力矩电流环控制模块转换为电机控制信号，控制电机的运行，实现对机器人关节的控制。

10.如权利要求9所述的机器人关节的控制方法，其特征在于：电机控制信号为PWM占空比控制信号。