[发明专利]一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器，其特征在于：包括顺序连接的直流稳压模块、测量模块、加法器和信号采集模块；

所述测量模块为多个，每个测量模块用于测量谐波齿轮传动的柔轮应变，接入直流稳压模块输出的电压，输出电压信号至加法器；所述测量模块包括顺序连接的惠斯通半桥电路和可调信号放大电路；

所述高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器测量方法包括以下步骤：所述加法器用于将多个测量模块输出的电压信号进行相加后输出至信号采集模块；

1)调整各个测量模块中惠斯通半桥电路的第一可调电阻，使各测量模块输出电压为0，并对各个可调信号放大电路设置同样的放大系数K₀，即将各个可调信号放大电路的第二可调电阻设为相同值；

2)令谐波齿轮传动在空载下匀速转动设定时间，并同步采集各测量模块的输出电压；

3)对采集到的电压进行最小二乘拟合得到拟合参数；

所述对采集到的电压进行最小二乘拟合通过下式实现

式中，V_i为第i个测量模块的电压输出值，测量模块的序号按对应直角应变花在柔轮底部的位置顺时针排序，β为谐波齿轮传动的转角，a、b₁、b₂、c_i、和m_i为拟合的参数；

4)根据拟合参数计算调节系数K_i；

5)根据拟合参数中m_i的拟合结果改变第i个测量模块中惠斯通半桥电路的第一可调电阻，使m_i为0；根据调节系数K_i改变第i个测量模块中可调信号放大电路的第二可调电阻，使其放大系数变为K_iK₀；

6)此时由加法器输出的电压信号即为力矩信号；

所述根据拟合参数计算调节系数K_i通过下式得到

其中K₁＝1，V_i和m_i为最小二乘拟合的结果。

2.按权利要求1所述的一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器，其特征在于所述惠斯通半桥电路包括直角应变花和第一可调电阻；所述直角应变花的正负电源端接入直流稳压模块输出的正负电压，两个输出端连接后、作为惠斯通半桥电路的负输出端；第一可调电阻两端接入直流稳压模块输出的正负电压，可调端作为惠斯通半桥电路的正输出端。

3.按权利要求2所述的一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器，其特征在于所述直角应变花与其他直角应变花均匀粘贴在柔轮的底部表面。

4.按权利要求2所述的一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器，其特征在于所述直角应变花长轴的轴线通过柔轮底部圆盘中心。

5.按权利要求1所述的一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器，其特征在于所述可调信号放大电路采用增益可调的放大器；所述放大器的反向输入端、正向输入端之间连有电容，且分别与惠斯通半桥电路的负输出端、正输出端连接；放大器的正、负电压端分别接入直流稳压模块输出的正、负电压；放大器的两个增益设置端分别与第二可调电阻的一端、可调端连接，第二可调电阻另一端悬空；放大器的输出端与加法器连接。

6.根据权利要求1所述的一种高精度的谐波齿轮传动内置力矩传感器的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)首先调整各个测量模块中惠斯通半桥电路的第一可调电阻，使各测量模块输出电压为0，并对各个可调信号放大电路设置同样的放大系数K₀，即将各个可调信号放大电路的第二可调电阻设为相同值；

2)然后令谐波齿轮传动在空载下匀速转动设定时间，并同步采集各测量模块的输出电压；

3)接着对采集到的电压进行最小二乘拟合得到拟合参数；

所述对采集到的电压进行最小二乘拟合通过下式实现

式中，V_i为第i个测量模块的电压输出值，测量模块的序号按对应直角应变花在柔轮底部的位置顺时针排序，β为谐波齿轮传动的转角，a、b₁、b₂、c_i、和m_i为拟合的参数；

4)根据拟合参数计算调节系数K_i；

5)根据拟合参数中m_i的拟合结果改变第i个测量模块中惠斯通半桥电路的第一可调电阻，使m_i为0；根据调节系数K_i改变第i个测量模块中可调信号放大电路的第二可调电阻，使其放大系数变为K_iK₀；

6)此时由加法器输出的电压信号即为力矩信号；

所述根据拟合参数计算调节系数K_i通过下式得到

其中K₁＝1，V_i和m_i为最小二乘拟合的结果。