CN220593207U - 一种关节扭矩的信号采集电路、传感装置及其机器人 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例属于传感器技术领域，涉及一种关节扭矩的信号采集电路，包括：全桥应变电路、放大电路、二阶有源巴特沃斯滤波器、模数转换器和电源转换模块；电源转换模块包括：第一稳压单元；全桥应变电路的输出端与放大电路的输入端连接；放大电路的输出端与二阶有源巴特沃斯低通滤波器的输入端连接；二阶有源巴特沃斯低通滤波器的输出端与模数转换器的输入端连接；第一稳压单元的输出端与放大电路的电压入端连接。本申请还涉及一种传感装置及其机器人。本申请提供的技术方案能够提高对采集的微弱信号的测量精度，保证了性能的可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种关节扭矩的信号采集电路、传感装置及其机器人。
背景技术
关节力传感器是柔性机器人的硬件基础和核心之一，目前主流的力传感器的感应器件大多采用应变片或霍尔传感器，其原理均为当力传感器受到外部扭矩作用时，机械结构会发生微弱变化，进而引起感应器件阻值或电压的微弱变化。因此对该微弱信号的精确采集一直是影响力传感器性能的难点和痛点。主要原因有如下几点：
1、因感应器件的电压变化为uV级别，不可避免的在信号采样放大过程中会引起系统的白噪声，从而导致采样精度降低。
2、为解决噪声问题，通常现有技术大多简单的加入无源低通滤波器，该方案可能导致采样数据幅值的降低和信号相位的滞后，从而影响数据采样的准确性和系统的控制的稳定性。
实用新型内容
基于此，本申请实施例提供一种关节扭矩的信号采集电路、传感装置及其机器人，以提高对采集的微弱信号的测量精度，保证了电路性能的可靠性。
第一方面，本申请实施例提供一种关节扭矩的信号采集电路，具体包括以下技术方案：
一种关节扭矩的信号采集电路，用于对机器人的关节扭矩进行信号采集，包括：全桥应变电路、放大电路、二阶有源巴特沃斯滤波器、模数转换器和电源转换模块；所述电源转换模块包括：第二稳压单元；
所述全桥应变电路的输出端与所述放大电路的输入端连接；
所述放大电路的输出端与所述二阶有源巴特沃斯低通滤波器的输入端连接；
所述二阶有源巴特沃斯低通滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接；
所述第二稳压单元的输出端与所述放大电路的电压输入端连接，用于为所述放大电路提供第一稳压。
进一步的，所述二阶有源巴特沃斯低通滤波器包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容；
所述运算放大器的正极输入引脚分别通过所述第一电阻、所述第二电阻与所述放大电路的输出端连接；所述正极输入引脚还通过所述第一电容接地；
所述运算放大器的负极输入引脚与所述运算放大器的输出引脚连接；
所述第二电容的两端分别跨接在所述第二电阻的输入端和所述运算放大器的所述输出引脚。
进一步的，所述第二稳压单元包括：高精度稳压芯片。
进一步的，所述高精度稳压芯片为：LM4040C25FTA、ADR381ARTZ-REEL7或MAX6071BAUT25+T。
进一步的，所述第二稳压单元包括：第二稳压芯片和分压电路；
所述分压电路与所述第二稳压芯片连接，使得基于所述第二稳压单元的输入电压，由所述第二稳压芯片输出所述放大电路所需的偏置电压。
进一步的，所述电源转换模块还包括：第一稳压单元；
所述的第一稳压单元输出端与所述全桥应变电路的电压输入端连接，用于为所述全桥应变电路提供第一稳压。
进一步的，所述第一稳压单元包括：限流电阻、第一稳压芯片、第一电阻和第二电阻；
所述第二稳压芯片的阴极与所述限流电阻串联，以通过所述限流电阻限流；阳极接地；参考极分别连接所述第一电阻的一端和所述第二电阻的一端；
所述第二电阻的另一端接地；所述第一电阻的另一端与所述第二稳压芯片的阴极连接；和/或
所述第一稳压单元包括：高精度稳压芯片。
进一步的，所述全桥应变电路包括四个桥臂；每个桥臂接入一个应变片；或
所述全桥应变电路包括四个桥臂；每个桥臂接入两个应变片；每个桥臂与相邻的两个桥臂的应变片的电阻阻值等大反向，与相对的桥臂的应变片的电阻阻值等大同向。
第二方面，本申请实施例提供一种传感装置，所述传感装置包括应变片和上面任一项所述的用于传感器阵列的信号采集电路。
第三方面，本申请实施例提供一种机器人，所述机器人包括上面所述的传感装置。
与现有技术相比，本申请实施例主要有以下有益效果：
本申请实施例通过采用全桥应变电路，读取应变电阻变化对应的微弱电压电信号；将该微弱的电压信号经过放大电路进行放大；再通过二阶有源巴特沃斯低通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，使得在保证原始信号数据幅值无变化且相位不滞后的前提下，有效的滤除掉高频成分的噪声信号；再经过ADC模块将该电压模拟信号转换为数字信号，以提高对采集的微弱信号的测量精度，保证了电路性能的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的关节扭矩信号采集电路的一个实施例的框架结构示意图；
图2是本申请提供的关节扭矩信号采集电路的另一个实施例的框架结构示意图；
图3是本申请提供的二阶有源巴特沃斯滤波器的一个实施例的电路图；
图4是本申请提供的第二稳压单元和放大器的一个实施例的电路图；
图5是本申请提供的第一稳压单元的一个实施例的电路图；
图6A是本申请提供的四个应变片布置的一个实施例的结构示意图；
图6B是本申请图6A应变片布置对应的全桥应变电路的一个实施例的框架结构示意图；
图7A是本申请提供的八个应变片布置的一个实施例的结构示意图；
图7B是本申请图7A应变片布置对应的全桥应变电路的一个实施例的框架结构示意图。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，图1是本申请提供的关节扭矩信号采集电路的一个实施例的框架结构示意图。
本申请实施例提供一种关节扭矩的信号采集电路，该电路10包括：全桥应变电路11、放大电路12、二阶有源巴特沃斯滤波器13、模数转换器(ADC)14和电源转换模块15；电源转换模块15包括：第二稳压单元151。
全桥应变电路11，用于采集应变片受力后的电压信号。
通常，附着在关节的扭矩传感器的弹性梁在受到扭转时发生形变，故需要将应变片粘贴在弹性梁的敏感位置，应变片的敏感材料一般为金属细丝，其在受力条件下，电阻值会发生微弱变化。而全桥应变电路11通常包括四个桥臂，根据需要将应变片接入桥臂中，从而基于应变片的电阻值的微弱变化，通过全桥应变电路11输出相应的电压信号，进而后续基于处理模块的分析得到扭矩传感器的受力情况。
全桥应变电路11的输出端与放大电路12的输入端连接，以将全桥应变电路11输出的电压信号经放大电路放大。
由于通常应变片因受力而发生的电阻值变化微弱，相应引起的电压变化也非常微弱，通常电压变化为uV级别，因此需要将该电压信号经过放大电路进行放大。
放大电路12的输出端与二阶有源巴特沃斯低通滤波器13的输入端连接。
基于上面所述，由于电压变化非常微弱，不可避免的在电压信号采样放大过程中会引起系统的白噪声，从而导致电压信号的采样精度降低，因此可以通过二阶有源巴特沃斯低通滤波器13对放大后的电压信号进行滤波。
由于通常系统的噪声信号在频域中为高频信号，通过采用二阶有源巴特沃斯低通滤波器，该滤波器又称作最大平坦滤波器，因此在通频带可以最大限度的保证电压信号幅值保持不变，在阻频带可以快速(比如：40dB/dec)衰减噪声信号，在保证原始信号数据幅值无变化且相位不滞后的前提下，有效的滤除掉高频成分的噪声信号。
如图3所示，图3是本申请提供的二阶有源巴特沃斯滤波器的一个实施例的电路图。在一个实施例中，可以采用如图3所示的二阶有源巴特沃斯滤波器，除此之外，也可以根据需要选择其他二阶有源巴特沃斯滤波器电路。
该二阶有源巴特沃斯滤波器包括：运算放大器U1、第一电阻R11、第二电阻R12、第一电容C1和第二电容C2；
运算放大器U1的正极输入引脚分别通过第一电阻R11、第二电阻R12与放大电路的输出端连接；正极输入引脚还通过第一电容C1接地；
运算放大器U1的负极输入引脚与运算放大器U1的输出引脚连接；
第二电容C2的两端分别跨接在第二电阻R12的输入端和运算放大器U1的输出引脚。
本申请实施例通过采用包括上述电路的二阶有源巴特沃斯低通滤波器，可以实现有源滤波。
二阶有源巴特沃斯低通滤波器13的输出端与ADC14的输入端连接。
将经过滤波后的电压信号发送给ADC14，从而可以将模拟电压信号转换为数字电压信号，进而将该数字电子信号发送给后端处理模块，后端处理模块基于预先的标定结果，根据该电压信号得到相应的扭矩值。
第二稳压单元151的输出端与放大电路的电压输入端连接，用于为放大电路提供第二稳压。
通过采用第二稳压单元，可以将输出给放大电路11的电压稳定在固定基准值，有利于提高本申请实施例所述的信号采集电路的采集精度。
本申请实施例通过采用全桥应变电路，读取应变电阻变化对应的微弱电压电信号；将该微弱的电压信号经过放大电路进行放大；再通过二阶有源巴特沃斯低通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，使得在保证原始信号数据幅值无变化且相位不滞后的前提下，有效的滤除掉高频成分的噪声信号；再经过ADC模块将该电压模拟信号转换为数字信号，以提高对采集的微弱信号的测量精度，保证了电路性能的可靠性。
在一个实施例中，第二稳压单元151可以包括第二稳压芯片，通过采用第二稳压芯片，可以使得整体电路结构更加简单。
具体地，第二稳压芯片可以但不限于是：LM4040C25FTA、ADR381ARTZ-REEL7、MAX6071BAUT25+T等高精度稳压芯片。
通过采用高精度稳压芯片，可以将输出给放大电路11的电压稳定在固定基准值，有利于提高本申请实施例的信号采集电路的采集精度。
如图4所示，图4是本申请提供的第二稳压单元和放大器的一个实施例的电路原理图。
在一个实施例中，第二稳压单元151，用于为放大电路12输入偏置稳压。
由于全桥应变电路11输出的电压为交流信号，但是整个采样系统是直流供电，为了保证信号不失真，故需将交流信号转化为直流信号。在一个实施例中，一个比较便捷的方法就是给信号增加一个偏置，比如：放大电路的供电电压为5V,因此通过增加一路2.5V的偏置电压在放大电路11上，以确保放大电路输出的电压信号为正。
其中，放大电路的输出电压公式为：
VOUT＝G×(VIN+-VIN-)+VREF (2)
此处设Vref为2.5V，G为电压增益，(VIN+)-(VIN-)为电桥输出电压。因此该第二稳压单元可以使得放大电路输出电压不受外部干扰影响，输出电压能体现输入电压的变化。
在一个实施例中，第二稳压单元151包括：第二稳压芯片和分压电路。
分压电路与第二稳压芯片连接，使得第二稳压单元基于输入的外部电源电压(比如：5V)，由第二稳压芯片输出所述放大电路的偏置电压(比如：2.5V)。
示例性的，如图5所示，以第二稳压单元包括稳压芯片ADR03ARZ为例，则上述经过第二稳压芯片和分压电路分压后可以输出2.5V的稳压偏置电压给放大电路12。
如图2所示，图2是本申请提供的关节扭矩信号采集电路的另一个实施例的框架结构示意图。
在一个实施例中，电源转换模块15还包括：第一稳压单元152。第一稳压单元152的输出端与全桥应变电路11的电压输入端连接，用于为全桥应变电路11提供第一稳压。
在一个实施例中，第一稳压单元152的输入端与外部电源连接，将外部输入的电源经稳压后为全桥应变电路11供电。
通常外部输入电源往往因受到外部噪声干扰而不稳定，基于后面实施例所述的公式(1)可知，若输入电压波动，则电桥输出也随之波动，电压输出的变化不能反应应变片受到扭矩的真实情况，通过设置第一稳压单元，给定全桥应变电路一个固定的电压基准，以保证输入给全桥应变电路的电压固定稳定。
申请实施例通过设置第一稳压单元，以保证提供给全桥应变电路的电源不受外界干扰的影响，有利于提高本申请实施例所述的信号采集电路的采集精度。
进一步，在一个实施例中，第一稳压单元152可以包括第二稳压芯片，通过采用第一稳压芯片，可以使得整体电路结构更加简单。
具体地，第一稳压芯片可以但不限于是：LMV431BIMFX、LMV431IM5、LMV431AIZ等高精度稳压芯片。
本申请实施例通过采用上述可调式电压基准芯片，可以将输出给全桥应变电路11的电压稳定在预设值(比如：25V)，电压精度更高。
如图5所示，图5是本申请提供的第一稳压单元的一个实施例的电路图。
在一个实施例中，第一稳压单元152包括：分流电阻R31、第一稳压芯片U1、第三电阻R32和第四电阻R33。
稳压芯片U2的阴极与分流电阻R31串联，以通过电阻R31限流；阳极接地；参考极分别连接第四电阻R33的一端和第三电阻R32的一端。
第四电阻R33的另一端接地；第三电阻R32的另一端与稳压芯片U2的阴极连接。
Vout＝Vref(1+R31/R32)+Iref/R1
由此，基于调整第三电阻R31和第四电阻R32的阻值，可以在预设范围内调整第一稳压单元输出的稳压值Vout。
进一步，在一个实施例中，基于前面实施例所述，为使得输入第一稳压单元电压为30V，而输出的稳压为25V,可以设定电阻的阻值如下：
Vka＝25V，R31＝100，Input＝30V，R32＝11K，R33＝1K。
通过上面实施例所述的电路结构的第一稳压单元U1，可以对输入的电压进行稳压处理。
如图6A和6B所示，图6A是本申请提供的四个应变片布置的一个实施例的结构示意图；图6B是本申请图6A应变片布置对应的全桥应变电路的一个实施例的框架结构示意图。
在一个实施例中，全桥应变电路包括四个桥臂；每个桥臂接入一应变片；所述四个桥臂首尾相连。当应变片受力时，各个桥臂连接的应变片的电阻值会发生微弱变化，基于公式(1)，从而输出相应的电压信号。
当应变片不受外力时，电桥平衡，U’＝0V。
在一个实施例中，四组应变片S1、S2、S3、S4可以按照图6A所示意的方式均匀分布在弹性梁。
因此，该应变片对应的全桥应变电路如图6B所示，其中，S1应变片变形产生的可变电阻为R1，S2应变片变形产生的可变电阻为R2，S3应变片变形产生的可变电阻为R3，S4应变片变形产生的可变电阻为R4。因此，基于公式(1)可以输出相应的电压信号，后续基于预先对应变片构成的传感器的标定结果，基于电压值可以得到相应的力矩大小。
如图7A和7B所示，图7A是本申请提供的八个应变片布置的一个实施例的结构示意图；图7B是本申请图7A应变片布置对应的全桥应变电路的一个实施例的框架结构示意图。
在一个实施例中，全桥应变电路包括四个桥臂；每个桥臂接入两个应变片；每个桥臂与相邻的两个桥臂的应变片的电阻阻值等大反向，与相对的桥臂的的应变片的电阻阻值等大同向。
示例性的，八组应变片S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8可以按照图7A所示意的方式均匀分布在弹性梁。
因此，该应变片对应的全桥应变电路如图7B所示，通过每个桥臂接入两个应变片，使得电桥倍增设计，桥路相邻两桥臂上的应变片若变化异号等大，相对的两臂上应变片的阻值同号等大，使得全桥应变电路的输出端电压、灵敏度均为半桥单臂的4倍。
本申请实施例基于公式(1)，如果将电桥的供电电压升高，则在应变片发生相同形变的条件下，可以极大的改善采集到的真实信号质量。比如：在应变片阻值变化不变的情况下，可以将输入外部电源升高6倍，则电桥的输出也将增大6倍，这样可以极大的改善真实信号质量不被噪声掩盖，将信号的信噪比同样也提升了6倍。
在一个实施例中，放大电路12可以为仪表放大器。仪表放大器是一种精密差分电压放大器，具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低漂移等特点，同时可通过外部电阻设置电压增益，因此很适合在本申请的信号采集电路中使用；除此之外，也可以根据需要采用任意需要的放大电路。
基于上面实施例所述的关节扭矩信号采集电路，本申请实施例还提供一种传感装置，该传感装置包括上面实施例所述的关节扭矩信号采集电路。
本申请实施例通过采用全桥应变电路，读取应变电阻变化对应的微弱电压电信号；将该微弱的电压信号经过放大电路进行放大；再通过二阶有源巴特沃斯低通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，使得在保证原始信号数据幅值无变化且相位不滞后的前提下，有效的滤除掉高频成分的噪声信号；再经过ADC模块将该电压模拟信号转换为数字信号，从而提高应变反馈信号采集的精度。
基于上面实施例所述的传感装置，本申请实施例还提供一种机器人，机器人包括多个关节和用于测量每个关节扭矩的传感装置。
具体地，传感装置的弹性梁贴附在关节表面。
上述机器人包括但不限于：人形机器人或工业机器人、医疗康复/护理机器人。
本申请实施例通过采用全桥应变电路，读取应变电阻变化对应的微弱电压电信号；将该微弱的电压信号经过放大电路进行放大；再通过二阶有源巴特沃斯低通滤波器对放大后的电压信号进行滤波，使得在保证原始信号数据幅值无变化且相位不滞后的前提下，有效的滤除掉高频成分的噪声信号；再经过ADC模块将该电压模拟信号转换为数字信号，从而提高应变反馈信号采集的精度。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种关节扭矩的信号采集电路，用于对机器人的关节扭矩进行信号采集，其特征在于，包括：全桥应变电路、放大电路、二阶有源巴特沃斯滤波器、模数转换器和电源转换模块；所述电源转换模块包括：第二稳压单元；
所述全桥应变电路的输出端与所述放大电路的输入端连接；
所述放大电路的输出端与所述二阶有源巴特沃斯低通滤波器的输入端连接；
所述二阶有源巴特沃斯低通滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接；
所述第二稳压单元的输出端与所述放大电路的电压输入端连接，用于为所述放大电路提供第二稳压。
2.根据权利要求1所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述二阶有源巴特沃斯低通滤波器包括：运算放大器、第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容；
所述运算放大器的正极输入引脚分别通过所述第一电阻、所述第二电阻与所述放大电路的输出端连接；所述正极输入引脚还通过所述第一电容接地；
所述运算放大器的负极输入引脚与所述运算放大器的输出引脚连接；
所述第二电容的两端分别跨接在所述第二电阻的输入端和所述运算放大器的所述输出引脚。
3.根据权利要求1或2所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述第二稳压单元包括：高精度稳压芯片。
4.根据权利要求3所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述高精度稳压芯片为：LM4040C25FTA、ADR381ARTZ-REEL7或MAX6071 BAUT25+T。
5.根据权利要求1或2所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述第二稳压单元包括：第二稳压芯片和分压电路；
所述分压电路与所述第二稳压芯片连接，使得基于所述第二稳压单元的输入电压，由所述第二稳压芯片输出所述放大电路所需的偏置电压。
6.根据权利要求5所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述电源转换模块还包括：第一稳压单元；
所述的第一稳压单元输出端与所述全桥应变电路的电压输入端连接，用于为所述全桥应变电路提供第一稳压。
7.根据权利要求6所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述第一稳压单元包括：限流电阻、第一稳压芯片、第三电阻和第四电阻；
所述第一稳压芯片的阴极与所述限流电阻串联，以通过所述限流电阻限流；阳极接地；参考极分别连接所述第三电阻的一端和所述第四电阻的一端；
所述第四电阻的另一端接地；所述第三电阻的另一端与所述第二稳压芯片的阴极连接；和/或
所述第一稳压单元包括：高精度稳压芯片。
8.根据权利要求1或2所述的关节扭矩的信号采集电路，其特征在于，所述全桥应变电路包括四个桥臂；每个桥臂接入一个应变片；或
所述全桥应变电路包括四个桥臂；每个桥臂接入两个应变片；每个桥臂与相邻的两个桥臂的应变片的电阻阻值等大反向，与相对的桥臂的应变片的电阻阻值等大同向。
9.一种传感装置，其特征在于，所述传感装置包括应变片和权利要求1-8中任一项所述的关节扭矩的信号采集电路。
10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括权利要求9所述的传感装置。
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2023
- 2023-03-25 CN CN202320626931.7U patent/CN220593207U/zh active Active
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |