一种扭矩的信号采集电路及其机器人

技术领域

本申请涉及机器人技术领域，特别是涉及一种扭矩的信号采集电路及其机器人。

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。

发明内容

基于此，本申请实施例提供一种扭矩的信号采集电路及其机器人，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扭矩的信号采集电路，具体包括一下技术方案：

本申请实施例提供一种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、线性跟踪微分滤波器和模数转换器；

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滤波器的输入端连接；

所述线性跟踪微分滤波器的输出端与所述模数转换器的输入端连接。

进一步的，所述线性跟踪微分滤波器的滤波函数为：

x

x

其中，h为数据处理周期，v为输入的电压信号，x1为滤波后的电压信号，x2为滤波后的电压信号的导数；r为滤波器的固有频率。

进一步的，所述线性跟踪微分滤波器包括：线性微分模块和双极点滤波模块；

所述线性微分模块的输入端与所述放大电路的输出端连接；所述线性微分模块的输出端与所述双极点滤波模块的输入端连接；

所述双极点滤波模块的输出端与所述模数转换电路的输入端连接；

所述线性微分模块基于所述滤波函数x

进一步的，所述线性微分模块包括：第一运算放大器、第一电阻、第二电阻和第一电容；

所述第一运算放大器的正极输入引脚通过所述第一电阻接地；

所述第一运算放大器的负极输入引脚通过所述第一电容与所述放大电路的输出端连接；

所述第二电阻跨接在所述第一运算放大器的负极输入引脚和输出引脚之间。

进一步的，所述双极点滤波模块包括：第二运算放大器、第三电阻、第四电阻、第二电容和第三电容；

所述第二运算放大器的正极输入引脚通过所述第三电阻和所述第四电阻与所述第一运算放大器的输出端连接；所述第二运算放大器的正极输入引脚还通过所述第二电容接地；

所述第二运算放大器的负极输入引脚与所述第二运算放大器的输出引脚连接；

所述第三电容跨接在所述第四电阻的输入引脚和所述第二运算放大器的输出引脚之间。

进一步的，和电源转换模块；所述电源转换模块包括：第一稳压单元；

所述第一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扭矩的信号采集电路。

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；再通过线性跟踪微分滤波器对放大后的电压信号求导，然后对噪声信号进行剔除，可以重新拟合出更接近于真实的电压信号，使得电压信号在保证不发生超调的前提下，最大限度的滤除高频噪声；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是本申请提供的线性跟踪微分滤波器的一个实施例的电路图；

图4是本申请提供的第一稳压单元和放大器的一个实施例的电路图；

图5A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5B是本申请图5A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6A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。

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、线性跟踪微分滤波器13和模数转换器(ADC)14。

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。

放大电路12的输出端与线性跟踪微分滤波器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，因此需要通过线性跟踪微分滤波器13对放大后的电压信号进行滤波，以提高电压信号的采样精度。

线性跟踪微分滤波器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，进而将该数字电压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。

下面对线性跟踪微分滤波器13的工作原理进行进一步详细说明。

线性跟踪微分滤波器13基于函数(1)进行滤波。

其中，r为滤波器的固有频率，ξ为系统阻尼比。当0＜ξ＜1时，系统为欠阻尼系统，其阶跃响应存在超调，即系统震荡收敛，当ξ＝0.707时，该滤波器是一个二阶巴特沃斯滤波器，它是在不产生增益凸峰的前提下衰减速度最快的滤波器；当ξ＝1时，系统将不会产生超调，其是在阶跃响应不产生超调的前提下衰减速度最快的滤波器。

需要说明的是，滤波器既可以对反馈信号进行处理，也可对输入的电压信号进行处理。若当反馈信号处理，需特别关注相角的滞后，因滞后过大将引起系统失调；若当输入的电压信号处理，则更关注信号失真情况，所以需保证阶跃响应没有超调。

故基于上面所述，在一个实施例中，取ξ＝1，因此线性跟踪滤波器的数学模型为函数(3)：

将上式改写成微分方程形式，可得：

其中，可今x

设输入的电压信号为v，将线性跟踪微分器离散化，可知：

x

x

其中，h为数据处理周期，v为输入的电压信号，x1为跟踪信号(也即滤波后的电压信号)，x2为跟踪信号的导数；r为滤波器的固有频率。

本申请实施例的线性跟踪微分滤波器采用上述滤波函数(5)和(5)，通过在滤波器中增加零点，相位滞后会明显小于纯双极点滤波器，因为增加的零点即可认为是微分环节，在幅频特性曲线中，其具有相角超前的作用，从而基于函数(5)可以对电压信号进行求导，从而求出电压信号的斜率；再通过函数(6)对上面求得的函数的导数做滤波，从而对噪声信号进行剔除(因为通常噪声信号斜率会较电压信号斜率更大)，以重新拟合出更接近于真实的电压信号，使得电压信号在保证不发生超调的前提下，最大限度的滤除高频噪声。

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；再通过线性跟踪微分滤波器对放大后的电压信号求导，然后对噪声信号进行剔除，可以重新拟合出更接近于真实的电压信号，使得电压信号在保证不发生超调的前提下，最大限度的滤除高频噪声；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。

如图3所示，图3是本申请提供的线性跟踪微分滤波器的一个实施例的电路图。

在一个实施例中，线性跟踪微分滤波器13包括：线性微分模块131和双极点滤波模块132。

线性微分模块131的输入端与放大电路12的输出端连接；线性微分模块131的输出端与双极点滤波模块132的输入端连接；

双极点滤波模块132的输出端与ADC14的输入端连接。

本申请实施例通过线性微分模块131基于函数(5)对经放大电路放大后的电压信号进行微分求导，从而求出电压信号的斜率；再通过双极点滤波模块132基于函数(6)对噪声信号进行剔除(因为通常噪声信号斜率会较电压信号斜率更大)，以重新拟合出更接近于真实的电压信号。

进一步，在一个实施例中，线性微分模块11包括第一运算放大器A1、第一电容C1、第一电阻R11和第二电阻R12。

第一运算放大器A1的正极输入引脚通过第一电阻R11接地；

第一运算放大器A1的负极输入引脚通过第一电容C1与放大电路的输出端连接；

第二电阻R12跨接在第一运算放大器A1的负极输入引脚和输出引脚之间。

进一步，在一个实施例中，双极点滤波模块12包括第二运算放大器A2、第三电阻R13、第四电阻R14、第二电容C2和第三电容C3。

第二运算放大器A2的正极输入引脚分别通过第三电阻R13、第四电阻R14与第一运算放大器A1的输出端连接；正极输入引脚还通过第二电容C2接地；

第二运算放大器A2的负极输入引脚与第二运算放大器A2的输出引脚连接；

第三电容C3跨接在第四电阻R14的输入引脚和第二运算放大器A2的输出引脚之间。

除此之外，线性跟踪微分滤波器也可以根据需要采用其他电路，只要能实现本申请实施例所述的功能，都属于本申请保护的范围。

如图2所示，图2为本申请提供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，扭矩信号采集电路还包括：电源转换模块15；电源转换模块15包括：第一稳压单元151。

第一稳压单元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一稳压。

通过采用第一稳压单元，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。

在一个实施例中，第一稳压单元151可以包括第一稳压芯片，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：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是本申请提供的第一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，第一稳压单元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：

V

此处可以设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，第一稳压单元151包括：第一稳压芯片和分压电路。

分压电路与第一稳压芯片连接，使得第一稳压单元基于输入的外部电源电压(比如：5V)，由第一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4所示，以第一稳压单元包括稳压芯片ADR03ARZ为例，则上述经过第一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5A和5B所示，图5A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5B是本申请图5A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5A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5B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6A和6B所示，图6A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。

示例性的，八组应变片S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8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，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。

基于上面实施例所述的扭矩的信号采集电路，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扭矩的信号采集电路。

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；再通过线性跟踪微分滤波器对放大后的电压信号求导，然后对噪声信号进行剔除，可以重新拟合出更接近于真实的电压信号，使得电压信号在保证不发生超调的前提下，最大限度的滤除高频噪声；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，提高了扭矩信号采集的精度。

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。

在一个实施例中，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；再通过线性跟踪微分滤波器对放大后的电压信号求导，然后对噪声信号进行剔除，可以重新拟合出更接近于真实的电压信号，使得电压信号在保证不发生超调的前提下，最大限度的滤除高频噪声；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，进而提高了机器人控制的可靠性。

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。