CN110220625A - 一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法，它涉及一种测量方法，测量方法步骤为：在谐波减速器柔轮的表面沿其周向均匀布置有八个应变片；每个应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角相等，且偶数号和奇数号的应变片相间设置；将八个所述应变片按全桥电路进行连接，分别是：第一和第三应变片连接为第一边，第二和第四应变片连接为第二边，第五和第七应变片连接为第三边，第六和第八应变片连接为第四边，八个所述应变片按全桥电路进行连接；根据电压输出计算输出力矩。本发明具有直接测量、计算简便、不会给谐波减速器带来额外柔性的特点。

Description

一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量方法，特别涉及一种谐波减速器柔性输出力矩的测量方法。属于力矩检测技术领域。
背景技术
目前，对于机器人的控制而言，力矩传感器是实现机器人力反馈控制的必要传感器件。目前已有的针对机器人的力矩传感器大多是安装在机器人关节末端，这种测量方式需要对机器人进行复杂的数学建模，需要对机器人进行解算关节力矩才能准确得到关节力矩，使得测量力矩的过程复杂，运算量巨大。这种采用机器人关节末端安装力矩传感器的方式属于间接测量力矩，从而导致机器人力反馈控制的可靠性降低。
发明内容
本发明是为解决现有机器人力反馈控制中存在准确获取关节末端力矩困难，且需对机器人建模进行解算关节力的过程复杂，以及间接测量不准确的问题，而提出一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法。
本发明的技术方案是：
一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法包括以下步骤：
第一步、在谐波减速器柔轮的表面沿其周向均匀布置有八个应变片；每个应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角相等，且偶数号和奇数号的应变片相间设置；
第二步、将八个所述应变片按全桥电路进行连接，分别是：第一和第三应变片连接为第一边，记为AB，第二和第四应变片连接为第二边，记为BC，第五和第七应变片连接为第三边，记为CD，第六和第八应变片连接为第四边，记为DA，AB与CD构成一对桥臂，AD与BC构成另一对桥臂，其中的AC端为电源输入端，BD端为测量电压输出端；
第三步、根据电压输出计算输出力矩。
进一步地，输出力矩的计算方法：第1步、将嵌入式谐波减速器竖直放置，使柔轮达到水平状态，测量柔轮空载时BD端电压值，然后用给定质量的砝码放置在谐波减速器上方作为负载，进而测量带给定质量负载的BD端电压值；
第2步、利用放置给定质量砝码产生的重力除以带给定质量负载时BD端电压值与空载时BD端电压值的差值即能够算出电压值与谐波减速器受力间的转换系数；
第3步、实际测量时，只要测出负载时BD端的电压值，将此电压值减去空载时BD端的电压值，然后乘以第2步得到的电压值与受力间的转换系数就能够得到谐波减速器柔轮所受的力；
第4步、输出力矩与输出端连接的负载有关，只需要测量输出负载的力臂长度，将输出负载的力臂长度乘以第3步得到的谐波减速器柔轮所受的力即能够计算出当前谐波减速器柔轮处的力矩。
进一步地，第一应变片和第五应变片长度方向平行，第二应变片和第六应变片的长度方向平行，第三应变片和第七应变片的长度方向平行，第四应变片和第八应变片的长度方向平行。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
1、采用内嵌式力矩传感器与目前市面上实际使用的在机器人末端附加力矩传感器相比，本发明在机器人关节谐波减速器柔轮处直接配置力矩传感器不需要解算复杂的关节力矩，具有直接测量的优点。
2、谐波减速器的柔轮在工作过程中会产生较大的应变，柔轮可以替代弹性体，采用内嵌式力矩传感器不需要额外安装外置力矩传感器，不会改变关节的结构，不会带来额外的柔性。具有直接测量和计算简便的特点。
下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为谐波减速器柔轮粘贴有的应变片整体图；
图2为应变片电气连接逻辑图；
图3为柔轮外侧应变片电气连接板示意图；
图中，1为谐波减速器柔轮，第一应变片R1，第二应变片R2，第三应变片R3，第四应变片R4，第五应变片R5，第六应变片R6，第七应变片R7，第八应变片R8，4为电源输入端，5为电压输出端，6为应变片胶基焊点，7为应变片放置区域。
具体实施方式
参见图1-图2说明，一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法包括以下步骤：
第一步、在谐波减速器柔轮的表面沿其周向均匀布置有八个应变片；每个应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角相等，且偶数号和奇数号的应变片相间设置；
进一步地，应变片的按柔轮逆时针转向依次布置为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八应变片；从第一应变片到第八应变片，奇数号的应变片的长度方向和与各自应变片上径向线相切的切线所夹锐角的开口朝向逆着柔轮的转向设置；偶数号的应变片的长度方向和与各自应变片上径向线相切的切线所夹锐角的开口朝向顺着柔轮的转向设置；
第一应变片和第五应变片的长度方向平行，第二应变片和第六应变片的长度方向平行，第三应变片和第七应变片的长度方向平行，第四应变片和第八应变片的长度方向平行。
每个应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角均为45°。
第二步、将八个所述应变片按全桥电路进行连接，分别是：第一和第三应变片连接为第一边，记为AB，第二和第四应变片连接为第二边，记为BC，第五和第七应变片连接为第三边，记为CD，第六和第八应变片连接为第四边，记为DA，AB与CD构成一对桥臂，AD与BC构成另一对桥臂，其中的AC端为电源输入端，BD端为测量电压输出端；
第三步、根据BD端电压输出计算输出力矩。
所述输出力矩计算方法为：
第1步、将嵌入式谐波减速器竖直放置，使柔轮达到水平状态，测量柔轮空载时BD端电压值，然后用给定质量的砝码放置在谐波减速器上方作为负载，进而测量带给定质量负载的BD端电压值；
第2步、利用放置给定质量砝码产生的重力除以带给定质量负载时BD端电压值与空载时BD端电压值的差值即能够算出电压值与谐波减速器受力间的转换系数；
第3步、实际测量时，只要测出负载时BD端的电压值，将此电压值减去空载时BD端的电压值，然后乘以第2步得到的电压值与受力间的转换系数就能够得到谐波减速器柔轮所受的力；
第4步、输出力矩与输出端连接的负载有关，只需要测量输出负载的力臂长度，将输出负载的力臂长度乘以第3步得到的谐波减速器柔轮所受的力即能够计算出当前谐波减速器柔轮处的力矩。
本方案在谐波减速器柔轮表面均布8个应变片，以一定的角度与序号排列，按照全桥电路进行连接，形成的4条边分别构成两对桥臂，其中的AC端施加电源输入即可在全桥电路BD端测量电压输出。进一步将BD端电压输出转化为谐波减速器柔轮处输出力矩的办法，即可得到谐波减速器柔轮处的输出力矩。
实施例
在图1中包含谐波减速器柔轮1和应变片；在图2中包含电源输入端4，电压输出端5；在图3中包含应变片胶基焊点6，应变片放置区域7。图2中电源输入端4与电压输出端5在图3中得到体现。
原理：通过将八个应变片粘贴在谐波减速器柔轮外壁1上，用应变片直接感知并测量柔轮上的力矩。八个应变片以图1的排列方式粘贴在柔轮1的外壁上，其中应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角均为45度，八个应变片的引线均焊接在应变片电气连接板胶基焊点6上，应变片电气连接逻辑关系如图2所示为全桥电路，其中第一应变片R1和第三应变片R3连接为第一边，记为AB，第二应变片R2和第四应变片R4连接为第二边，记为BC，第五应变片R5和第七应变片R7连接为第三边，记为CD，第六应变片R6和第八应变片R8连接为第四边，记为DA，AB与CD构成一对桥臂，AD与BC构成另一对桥臂，其中的AC端为电源输入端4，BD端为测量电压输出端5。对电源输入端4施加电压，应变片构成的电桥即可得到当前测量的力矩，并通过电压输出端5输出。
实际实验测量结果：
首先将谐波减速器竖直放置，使柔轮达到水平状态，测量谐波减速器柔轮空载时BD端输出电压值，然后使用一个长方形条状负载上依次放置三个量程的砝码(使总重量分别为50g、100g和500g)，将砝码放置于负载上方作为负载的一部分，测量BD端输出电压值，实验测量数据如表1所示，负载长度0.2m，即力臂为0.2m。
表1实验测量数据
验证测量结果的方法：
在机器人关节末端处安装一个高精度的力矩传感器来衡量采用本实施例提出的办法进行实验得到的测量结果是否准确。
表2实验测量与高精度传感器对比
从表2可以看出，总重量50g时，实验得到的输出力矩与精密力矩传感器得到的力矩值相差1.3％，100g时相差0.9％，500g时相差1.4％。本实施例测量出的力矩值与高精度力矩传感器所得到的力矩值误差均在2％以内，从实例说明本发明申请具有可行性，并达到了预期效果，可用于机器人末端力矩的直接测量。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法，其特征在于：所述测量方法包括以下步骤：
第一步、在谐波减速器柔轮的表面沿其周向均匀布置有八个应变片；每个应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角相等，且偶数号和奇数号的应变片相间设置；
第二步、将八个所述应变片按全桥电路进行连接，分别是：第一和第三应变片连接为第一边，记为AB，第二和第四应变片连接为第二边，记为BC，第五和第七应变片连接为第三边，记为CD，第六和第八应变片连接为第四边，记为DA，AB与CD构成一对桥臂，AD与BC构成另一对桥臂，其中的AC端为电源输入端，BD端为测量电压输出端；
第三步、根据电压输出计算输出力矩。
2.一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法，其特征在于：所述输出力矩计算方法为：
第1步、将嵌入式谐波减速器竖直放置，使柔轮达到水平状态，测量柔轮空载时BD端电压值，然后用给定质量的砝码放置在谐波减速器上方作为负载，进而测量带给定质量负载的BD端电压值；
第2步、利用放置给定质量砝码产生的重力除以带给定质量负载时BD端电压值与空载时BD端电压值的差值即能够算出电压值与谐波减速器受力间的转换系数；
第3步、实际测量时，只要测出负载时BD端的电压值，将此电压值减去空载时BD端的电压值，然后乘以第2步得到的电压值与受力间的转换系数就能够得到谐波减速器柔轮所受的力；
第4步、输出力矩与输出端连接的负载有关，只需要测量输出负载的力臂长度，将输出负载的力臂长度乘以第3步得到的谐波减速器柔轮所受的力即能够计算出当前谐波减速器柔轮处的力矩。
3.根据权利要求1或2所述一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法，其特征在于：第一应变片和第五应变片长度方向平行，第二应变片和第六应变片的长度方向平行，第三应变片和第七应变片的长度方向平行，第四应变片和第八应变片的长度方向平行。
4.根据权利要求1或2所述一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法，其特征在于：第一步中，应变片的按柔轮逆时针转向依次布置为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七和第八应变片；从第一应变片到第八应变片，奇数号的应变片的长度方向和与各自应变片上径向线相切的切线所夹锐角的开口朝向逆着柔轮的转向设置；偶数号的应变片的长度方向和与各自应变片上径向线相切的切线所夹锐角的开口朝向顺着柔轮的转向设置。
5.根据权利要求4所述一种谐波减速器柔轮输出力矩的测量方法，其特征在于：每个应变片长度方向与过该应变片中心的柔轮上径向线夹角的锐角均为45°。
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