CN113203508A - 一种机器人关节的扭矩测量方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人关节的扭矩测量方法，包括：(1)通过第一编码器实时采集电机端的角度值θ₁，通过第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂；(2)判断坐标点(θ₁/G，θ₂)是否落入空载区域中，若是，则直接进行步骤(5)，若否，则进行步骤(3)；(3)计算变化量Δθ₁；(4)判断是否变化量Δθ₁＞0，或者变化量Δθ₁＝0但是上一时刻减速机处于顺时针旋转状态，若是，则根据公式δ＝F_顺(θ₁/G)‑θ₂计算出扭转角δ，若否，则根据公式δ＝F_逆(θ₁/G)‑θ₂计算出扭转角δ；(5)根据公式T＝K·δ计算出扭矩T，K为减速机的刚度系数。上述扭矩测量方法不仅可以减少部件数量、简化结构、降低安装难度以及降低成本，而误差小，测量精度高。

Description

一种机器人关节的扭矩测量方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种机器人关节的扭矩测量方法。

背景技术

对于传统工业机器人，空间要求不高，所以在节省成本的情况下，传统机器人基本上是由很多个上述不同作用的模块直接拼接起来的。而对于协作机器人来说，其对空间要求极高，结构设计要求有利于生产与维修，从成本控制上讲，采用的零部件越少越有优势。

众所周知，对于协作机器人而言，除了控制器外，最关键的就是关节模组，关节模组主要由电机、速度编码器、减速机、位置编码器、驱动器、制动器等构成，性能要求高的关节模组还要加上单轴扭矩传感器。其中，速度编码器用于速度反馈，位置编码器用于减速机输出端的位置反馈，扭矩传感器用于测量减速机的扭矩。但是设置扭矩传感器会导致协作机器人的零部件增加，不利于满足其对安装空间和成本的要求。

中国发明申请CN109500837A公开了一种基于双编码器的机器人关节力矩测量方法，通过安装在谐波减速器输出轴的绝对式编码器和安装在电机端的绝对值编码器即可测量实际输出力矩，无需建立机器人关节的动力学模型；通过该方法可减少安装空间，降低机器人关节的成本，同时省略一般力矩传感器的弹性环节。

然而，上述力矩测量方法存在以下缺陷：

1、误差较大。由于两个编码器时钟本身并不同步，通讯延时也不同，因此控制器收到两个编码器的位置信号差值会在转速变化时产生较大误差。

2、测量的精度低。编码器的分辨率不高会影响力矩测量的分辨率(或者说灵敏度)，轻载谐波减速机的刚度系数量纲为104Nm/rad，如果采用17位分辨率的编码器，其最小力矩输出为0.48Nm，该分辨率远不能满足机器人力控精度要求；如果要达到最小力矩输出为0.0075Nm，就需要采用23位的编码器，然而设置两个如此高分辨率的编码器会大大增加成本。

3、控制器计算负担大。采集比较两个编码器信号差值及拟合力矩输出的计算需要占用比较多资源，上述资源的负担全部都转移给了控制器。

4、数据存储载体不合理。扭矩的相关数据是关于电机和减速机的数据，但是上述方法将数据存储在控制器中，当控制器更换时，则需要重新进行数据标定工作，造成时间和资源的浪费。

发明内容

本发明技术方案是针对上述情况的，为了解决上述问题而提供一种机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：所述扭矩测量方法包括：

(1)将第一编码器设置在电机端，将第二编码器设置在减速机的输出端，通过第一编码器实时采集电机端的角度值θ₁，通过第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂；

(2)标定空载区域，根据实际测得的角度值θ₁和θ₂，判断坐标点(θ₁/G，θ₂)是否落入空载区域中，若是，则判断扭转角δ＝0，并直接进行步骤(5)，若否，则进行步骤(3)；

(3)计算电机端的角度值θ₁的变化量Δθ₁；

(4)判断是否变化量Δθ₁＞0，或者变化量Δθ₁＝0但是上一时刻减速机处于顺时针旋转状态，若是，则根据公式δ＝F_顺(θ₁/G)-θ₂计算出扭转角δ，若否，则根据公式δ＝F_逆(θ₁/G)-θ₂计算出扭转角δ；

(5)根据公式T＝K·δ计算出扭矩T，K为减速机的刚度系数。

进一步，所述第一编码器与第二编码器通过信号线连接，在步骤(1)中，将第一编码器采集的电机端的角度值θ₁和第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂都存储在第二编码器中，在步骤(2)～(5)中的判断操作和计算操作都通过第二编码器进行。

进一步，所述第二编码器具有24位寄存器，将空载区域标定在24位寄存器中，在步骤(1)中，将第一编码器采集的电机端的角度值θ₁和第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂都存储在24为寄存器中，在步骤(2)～(5)中的判断操作和计算操作都通过24位寄存器进行。

进一步，在步骤(2)中，空载区域通过以下步骤进行标定：

(2.1)确保机器人关节处于空载状态；

(2.2)控制机器人关节顺时针匀速旋转，旋转幅度为两个极限角度值之间，通过第一编码器采集多个电机端的角度值θ₁，同时通过第二编码器采集多个减速机输出端的角度值θ₂；

(2.3)控制机器人关节逆时针匀速旋转，旋转幅度为两个极限角度值之间，通过第一编码器采集多个电机端的角度值θ₁，同时通过第二编码器采集多个减速机输出端的角度值θ₂；

(2.4)根据步骤(2.2)采集的多个角度值θ₁和多个减速机输出端的角度值θ₂形成多个坐标点(θ₁/G，θ₂)，将多个坐标点(θ₁/G，θ₂)连线形成顺时针角度曲线AB；根据步骤(2.3)采集的多个角度值θ₁和多个减速机输出端的角度值θ₂形成多个坐标点(θ₁/G，θ₂)，将多个坐标点(θ₁/G，θ₂)连线形成逆时针角度曲线CD；

(2.5)以顺时针角度曲线AB、逆时针角度曲线CD和两个极限角度值为边界，标定空载区域。

进一步，在步骤(2.2)和步骤(2.3)中，机器人关节旋转的速度为1rpm。

进一步，在步骤(2.2)和步骤(2.3)中，机器人关节的两个极限角度值分别为-180°和180°。

根据权利要求1所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：在步骤(5)中，刚度系数K通过以下步骤进行标定：

(5.1)对机器人关节施加顺时针或逆时针的负载，负载为最大扭矩T_n，测得扭转角的绝对值为|δ_100％|；

(5.2)对机器人关节施加顺时针的负载，负载为最大扭矩T_n的20％，测得扭转角为δ_20％，根据以下公式计算第一刚度系数：K₁＝0.4T_n/(δ_20％－δ_-20％)；

(5.3)对机器人关节施加逆时针的负载，负载为最大扭矩T_n的20％，测得扭转角为δ_-20％，根据以下公式计算第二刚度系数：K₂＝0.8T_n/(|δ_100％|－δ_20％)；

(5.4)当扭转角的绝对值|δ|＜δ_20％时，K＝K₁，否则(即当δ20％≤|δ|≤|δ100％|时)，K＝K₂。

采用上述技术方案后，本发明的效果是：

1、节省空间。不必在机器人关节中设置扭矩传感器即可满足扭矩等反馈的要求，可以减少部件数量、简化结构、降低安装难度以及降低成本。

2、误差小。通过标定空载区域可以避免空载误差，减小误差值。此外，通过第二编码器中的24位寄存器进行运算，可以避免通讯延时，从而进一步减小误差值。

3、测量分辨率高。在第二编码器中设置24位寄存器，用于实现对扭矩的高精度测量，满足机器人力控精度要求，并且不会大大增加成本。

4、减轻控制器计算负担。力矩测量方法中的判断和技术操作都通过24为寄存器进行，不必依赖控制器，可以为控制器节省大量的资源。

5、数据存储载体更加合理。电机、减速机、第一编码器和第二编码器之间的位置关系相对稳定，基本不会进行更换，将空载区域标定在24位寄存器中，可以在更换控制器时保留数据，不必重新标定，省时省力。

附图说明

图1为本发明涉及的机器人关节的原理图；

图2为本发明涉及的第二编码器的空载角度曲线图；

图3为本发明涉及的扭矩测量方法的流程图；

图4为本发明涉及的机器人关节的扭转角曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明技术方案作进一步的描述：

如图1所示，本发明的机器人关节包括：控制器、电机、第一编码器、减速机和第二编码器，控制器与电机通过动力线连接，电机的电机轴与减速机的输入端形成固定连接，第一编码器设置在减速机的输入端(即电机端)，第二编码器设置在减速机的输出端，第一编码器与第二编码器通过信号线连接，第二编码器与控制器通过信号线连接，控制器通过信号线与机器人的总线连接。

基于上述结构，通过第一编码器可以实时采集电机端的角度值θ₁，通过第二编码器可以实时采集减速机输出端的角度值θ₂。

需要指出的是，在空载(即无负载)的情况下，减速机会存在背隙(或者说空程)，当减速机发生旋转时，输入和输出的角度关系是非线性的，而且顺时钟和逆时针方向旋转时二者的角度关系也不相同。因此，本发明在扭矩测量之前，需要对第二编码器的空载角度进行标定。

如图2所示，在空载状态下，顺时针角度曲线AB是当减速机顺时针旋转时，减速机输出端的角度值θ₂与电机端的角度值θ₁除以减速比G后的关系曲线F_顺(θ₁/G)，在该关系曲线上，θ₂＝F_顺(θ₁/G)；逆时针角度曲线CD是当减速机逆时针旋转时，减速机输出端的角度值θ₂与电机端的角度值θ1除以减速比G后的关系变化曲线F_逆(θ₁/G)，在该关系曲线上，θ₂＝F_逆(θ₁/G)。点A、B、C、D之间形成了空载区域，根据实际测得的角度值θ₁和θ₂，当坐标点(θ₁/G，θ₂)落入空载区域中时，即可判断减速机处于空载状态，其扭转角δ为0。

本发明提供一种机器人关节的扭矩测量方法，如图3所示，包括：

(1)将第一编码器设置在电机端，将第二编码器设置在减速机的输出端，通过第一编码器实时采集电机端的角度值θ₁，通过第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂；

(2)标定空载区域，根据实际测得的角度值θ₁和θ₂，判断坐标点(θ₁/G，θ₂)是否落入空载区域中，若是，则判断扭转角δ＝0，并直接进行步骤(5)，若否，则进行步骤(3)；

(3)计算电机端的角度值θ₁的变化量Δθ₁；

(4)判断是否变化量Δθ₁＞0，或者变化量Δθ₁＝0但是上一时刻减速机处于顺时针旋转状态，若是，则根据公式δ＝F_顺(θ₁/G)-θ₂计算出扭转角δ，若否，则根据公式δ＝F_逆(θ₁/G)-θ₂计算出扭转角δ；

(5)根据公式T＝K·δ计算出扭矩T，K为减速机的刚度系数。

需要指出的是：

在步骤(3)中，将当前测得的角度值θ₁与上一时刻测得的角度值θ₁相减，即可得出变化量Δθ₁。

在步骤(4)中，当变化量Δθ₁＞0，变化量Δθ₁＝0但是上一时刻减速机处于顺时针旋转状态(比如：出现负载太重，超过最大扭矩而无法继续旋转的情况)，都可以认为减速机处于顺时针旋转状态；当变化量Δθ₁＜0，变化量Δθ₁＝0但是上一时刻减速机处于逆时针旋转状态，都可以认为减速机处于逆时针旋转状态。

具体地，第一编码器与第二编码器通过信号线连接，在步骤(1)中，将第一编码器采集的电机端的角度值θ₁和第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂都存储在第二编码器中，在步骤(2)～(5)中的判断操作和计算操作都通过第二编码器进行。

更具体地，第二编码器具有24位寄存器，将空载区域标定在24位寄存器中，在步骤(1)中，将第一编码器采集的电机端的角度值θ₁和第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂都存储在24为寄存器中，在步骤(2)～(5)中的判断操作和计算操作都通过24位寄存器进行。与传统的编码器相比，本发明的第二编码器设置有24位寄存器，不仅能够满足扭矩测量对分辨率的要求，还可以直接在第二编码器中实现数据运算，而不必依赖于控制器。

具体地，在步骤(2)中，空载区域通过以下步骤进行标定：

(2.1)确保机器人关节处于空载状态；

(2.2)控制机器人关节顺时针匀速旋转，旋转幅度为两个极限角度值之间，通过第一编码器采集多个电机端的角度值θ₁，同时通过第二编码器采集多个减速机输出端的角度值θ₂；

(2.3)控制机器人关节逆时针匀速旋转，旋转幅度为两个极限角度值之间，通过第一编码器采集多个电机端的角度值θ₁，同时通过第二编码器采集多个减速机输出端的角度值θ₂；

(2.4)根据步骤(2.2)采集的多个角度值θ₁和多个减速机输出端的角度值θ₂形成多个坐标点(θ₁/G，θ₂)，将多个坐标点(θ₁/G，θ₂)连线形成顺时针角度曲线AB；根据步骤(2.3)采集的多个角度值θ₁和多个减速机输出端的角度值θ₂形成多个坐标点(θ₁/G，θ₂)，将多个坐标点(θ₁/G，θ₂)连线形成逆时针角度曲线CD；

(2.5)以顺时针角度曲线AB、逆时针角度曲线CD和两个极限角度值为边界，标定空载区域。

更具体地，在步骤(2.2)和步骤(2.3)中，机器人关节旋转的速度为1rpm。

更具体地，在步骤(2.2)和步骤(2.3)中，机器人关节的两个极限角度值分别为-180°和180°。即机器人关节可实现360°的旋转，标定空载区域时，可以从-180°旋转至180°，也可以从180°旋转至-180°。

值得一提的是，扭矩T与扭转角δ之间通常成非线性关系，但机器人关节顺时针和逆时针旋转时二者都有相对固定的对应关系，因此可以通过测量扭转角推算出扭矩大小。如图4所示，当扭矩|T|＜20％T_n时，刚度系数K＝K₁；当扭矩20％T_n＜|T|＜100％T_n时，刚度系数K＝K₂。其中，T_n为最大扭矩。

具体地，在步骤(5)中，刚度系数K通过以下步骤进行标定：

(5.1)对机器人关节施加顺时针或逆时针的负载，负载为最大扭矩T_n，测得扭转角的绝对值为|δ_100％|；

(5.2)对机器人关节施加顺时针的负载，负载为最大扭矩T_n的20％，测得扭转角为δ_20％，根据以下公式计算第一刚度系数：K₁＝0.4T_n/(δ_20％－δ_-20％)；

(5.3)对机器人关节施加逆时针的负载，负载为最大扭矩T_n的20％，测得扭转角为δ_-20％，根据以下公式计算第二刚度系数：K₂＝0.8T_n/(|δ_100％|－δ_20％)；

(5.4)当扭转角的绝对值|δ|＜δ_20％时，K＝K₁，否则(即当δ20％≤|δ|≤|δ100％|时)，K＝K₂。

值得一提的是，目前有的减速机生产商会提供减速机的刚度系数曲线，在已知刚度系数曲线的情况下，可以直接从上述曲线上寻找扭矩为20％T_n时的扭转角，即δ_20％和δ_-20％，设定扭转角范围δ_20％～δ_-20％，确认在上述扭转角范围内对应的刚度系数K₁，在上述扭转角范围外对应的刚度系数K₂，从而在计算扭矩时直接选用合适的刚度系数K。

可见，通过上述扭矩测量方法对机器人关节的扭矩进行测量，具备以下优势：

1、节省空间。不必在机器人关节中设置扭矩传感器即可满足扭矩等反馈的要求，可以减少部件数量、简化结构、降低安装难度以及降低成本。

2、误差小。通过标定空载区域可以避免空载误差，减小误差值。此外，通过第二编码器中的24位寄存器进行运算，可以避免通讯延时，从而进一步减小误差值。

3、测量分辨率高。在第二编码器中设置24位寄存器，用于实现对扭矩的高精度测量，满足机器人力控精度要求，并且不会大大增加成本。

4、减轻控制器计算负担。力矩测量方法中的判断和技术操作都通过24为寄存器进行，不必依赖控制器，可以为控制器节省大量的资源。

5、数据存储载体更加合理。电机、减速机、第一编码器和第二编码器之间的位置关系相对稳定，基本不会进行更换，将空载区域标定在24位寄存器中，可以在更换控制器时保留数据，不必重新标定，省时省力。

以上所述实施例，只是本发明的较佳实例，并非来限制本发明的实施范围，故凡依本发明申请专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明专利申请范围内。

Claims (7)

1.一种机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：所述扭矩测量方法包括：

(1)将第一编码器设置在电机端，将第二编码器设置在减速机的输出端，通过第一编码器实时采集电机端的角度值θ₁，通过第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂；

(2)标定空载区域，根据实际测得的角度值θ₁和θ₂，判断坐标点(θ₁/G，θ₂)是否落入空载区域中，若是，则判断扭转角δ＝0，并直接进行步骤(5)，若否，则进行步骤(3)；

(3)计算电机端的角度值θ₁的变化量Δθ₁；

(4)判断是否变化量Δθ₁＞0，或者变化量Δθ₁＝0但是上一时刻减速机处于顺时针旋转状态，若是，则根据公式δ＝F_顺(θ₁/G)-θ₂计算出扭转角δ，若否，则根据公式δ＝F_逆(θ₁/G)-θ₂计算出扭转角δ；

(5)根据公式T＝K·δ计算出扭矩T，K为减速机的刚度系数。

2.根据权利要求1所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：所述第一编码器与第二编码器通过信号线连接，在步骤(1)中，将第一编码器采集的电机端的角度值θ₁和第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ₂都存储在第二编码器中，在步骤(2)～(5)中的判断操作和计算操作都通过第二编码器进行。

3.根据权利要求2所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：所述第二编码器具有24位寄存器，将空载区域标定在24位寄存器中，在步骤(1)中，将第一编码器采集的电机端的角度值θ1和第二编码器实时采集减速机输出端的角度值θ2都存储在24为寄存器中，在步骤(2)～(5)中的判断操作和计算操作都通过24位寄存器进行。

4.根据权利要求3所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：在步骤(2)中，空载区域通过以下步骤进行标定：

(2.1)确保机器人关节处于空载状态；

(2.2)控制机器人关节顺时针匀速旋转，旋转幅度为两个极限角度值之间，通过第一编码器采集多个电机端的角度值θ₁，同时通过第二编码器采集多个减速机输出端的角度值θ₂；

(2.3)控制机器人关节逆时针匀速旋转，旋转幅度为两个极限角度值之间，通过第一编码器采集多个电机端的角度值θ₁，同时通过第二编码器采集多个减速机输出端的角度值θ₂；

(2.4)根据步骤(2.2)采集的多个角度值θ₁和多个减速机输出端的角度值θ₂形成多个坐标点(θ₁/G，θ₂)，将多个坐标点(θ₁/G，θ₂)连线形成顺时针角度曲线；根据步骤(2.3)采集的多个角度值θ₁和多个减速机输出端的角度值θ₂形成多个坐标点(θ₁/G，θ₂)，将多个坐标点(θ₁/G，θ₂)连线形成逆时针角度曲线；

(2.5)以顺时针角度曲线、逆时针角度曲线和两个极限角度值为边界，标定空载区域。

5.根据权利要求4所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：在步骤(2.2)和步骤(2.3)中，机器人关节旋转的速度为1rpm。

6.根据权利要求4所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：在步骤(2.2)和步骤(2.3)中，机器人关节的两个极限角度值分别为-180°和180°。

7.根据权利要求1所述的机器人关节的扭矩测量方法，其特征在于：在步骤(5)中，刚度系数K通过以下步骤进行标定：

(5.1)对机器人关节施加顺时针或逆时针的负载，负载为最大扭矩T_n，测得扭转角的绝对值为|δ_100％|；

(5.2)对机器人关节施加顺时针的负载，负载为最大扭矩T_n的20％，测得扭转角为δ_20％，根据以下公式计算第一刚度系数：K₁＝0.4T_n/(δ_20％－δ_-20％)；

(5.3)对机器人关节施加逆时针的负载，负载为最大扭矩T_n的20％，测得扭转角为δ_-20％，根据以下公式计算第二刚度系数：K₂＝0.8T_n/(|δ_100％|－δ_20％)；

(5.4)当扭转角的绝对值|δ|＜δ_20％时，K＝K₁，否则(即当δ20％≤|δ|≤|δ100％|时)，K＝K₂。

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