专利名称：以电流为被测量的机械臂接触力监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测控装置，尤其涉及一种通过传感器监测电机电流，来控制
机械臂电机的装置。
背景技术：
作为机械臂最主要驱动装置的直流伺服电机是一种能将直流电能转换成机械能 的装置，在社会生产生活中有着广泛使用。测量直流电机的负载具有以下三方面意义 第一、可以防止负载过大导致电机烧毁等不安全操作； 第二、由于直流电机在机械臂等领域的广泛使用，测量电机电流可以间接得出机 械臂的负载，这在机械臂与负载为点接触或者接触面较小等情况下具有重大意义，因为通 常的测量方法无法满足测量需要； 第三、不同型号的电机，具有不同的转动特性。而电机的故障可转化为电机的负载 情况体现出来。 因此，通过测量电机负载情况，与电机标准特性进行比对，即可判断电机转动是否正常。 常见的触觉机械臂接触力测试系统有两种形式 1.在机械臂与物体的接触点或接触面安装传感器，常见的有类似弹簧形式的，具 体方式是在弹簧或者泡沫等物体的两端贴有两片金属片，形成电容，当受力时两片金属片 间距变小，电容值发生变化，从而获得接触力大小，或者是在机械臂同样位置覆盖贴有应变 片的硅胶套，用应变片来感受机械臂末端受力。首先，这种方式增加了机械臂末端的复杂 度，其次，在机械臂末端与被接触物体为点接触或接触面较小时，就无法安装相应的传感 器，从而无法实现测量； 2.第二种方式是在机械臂臂体上贴装应变片，通过机械臂受力时引起的机械臂臂
体形变来进行测量负载大小，这种方式可以降低机械臂末端的复杂度，但是对于负载较小
的情况，机械臂不会产生足够的应变驱动应变片，从而也无法实现系统的测量。 另外在腕力等力觉传感器应用中有测电流方式，但是被测电流值较大，而不利于

发明内容本实用新型针对以上问题的提出，而研制一种机械臂电机监测装置，旨在解决上
述不足。 本实用新型的技术解决方案是这样实现的 —种以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于包括 电流传感器，与被测电机串联，监测电机中的电流变化量； 放大单元，接收电流传感器传输的电流信号，进行固定模式放大并进行模数转换 机滤波降噪处理；
3[0016] 电机驱动单元，接收驱动信号指令，驱动电机刹车或反转； 电机控制单元，接收放大单元放大后的信号，并与预设值进行比对，并向电机驱动 单元发出驱动电机刹车或反转的指令； 所述电流传感器与待测电机串联，信号输出端与放大单元连接，经放大单元处理 的信号送入电机控制单元进行信号处理，电机控制单元输出端与电机驱动单元连接，电机 驱动单元输出端与电机连接。 所述的电流传感器由U型铁芯，线圈及两片UGN3503型霍尔传感器所组成，所述线 圈均匀缠绕在U型铁芯上，所述UGN3503型霍尔传感器分别安装在U型铁芯两级。 所述电机控制单元上还安装有显示单元； 所述显示单元，外接在电机控制单元上，显示传入电机控制单元的电流值。 所述电机控制单元上还安装有报警单元； 所述报警单元，外接在电机控制单元上，当采集后的电流信号大于电机控制单元 中的临界值时，发出提示信息。 所述的电机控制单元外部还安装有供上位机连接的串口，以及可与电脑连接供系 统程序下载的输入端口。
由于采用了以上技术方案，本实用新型的效果是显而易见的 1、本实用新型采用较高灵敏度电子元件，可监测出不同方位的电流值的变化，以 达到高精确度； 2、本实用新型在输入输出信号上，均为线性关系，在测算及监测的时候更为简单， 快捷； 3、本实用新型为了在工业现场广泛的应用，以及减少制造成本，采用内置软件数 字滤波； 4、本实用新型在外部连接有串口可用于对上位机以及不同机型上，都可以任意传 输信息，完成整体控制； 5、在测试结果上的显示才用数据式，使得在观察上更加直观。
本实用新型有附图2幅 图1为本实用新型系统框图图； 图2为本实用新型软件流程图。 图中1、电机控制单元，2、电机驱动单元，3、电机，4、电流传感器，5、放大单元，6、 显示单元，7、报警单元，8、输入端口 ， 9、串口 。
具体实施方式如图1 图2所示的一种以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于 包括 电流传感器4，与被测电机3串联，监测电机中的电流变化量； 放大单元5，接收电流传感器4传输的电流信号，进行固定模式放大并进行模数转 换机滤波降噪处理；[0038] 电机驱动单元2，接收驱动信号指令，驱动电机3刹车或反转； 电机控制单元1，接收放大单元5放大后的信号，并与预设值进行比对，并向电机 驱动单元2发出驱动电机3刹车或反转的指令； 所述电流传感器4与待测电机3串联，信号输出端与放大单元连接，经放大单元5 处理的信号送入电机控制单元1进行信号处理，电机控制单元1输出端与电机驱动单元2 连接，电机驱动单元输2出端与电机3连接。 所述的电流传感器4由U型铁芯，线圈及两片UGN3503型霍尔传感器所组成，所述 线圈均匀缠绕在U型铁芯上，所述UGN3503型霍尔传感器分别安装在U型铁芯两级。 所述电机控制单元1上还安装有显示单元6 ; 所述显示单元6，外接在电机控制单元1上，显示传入电机控制单元1的电流值。 所述电机控制单元1上还安装有报警单元7 ; 所述报警单元7，外接在电机控制单元1上，当采集后的电流信号大于电机控制单 元1中的临界值时，发出提示信息。 所述的电机3控制单元外部还安装有供上位机连接的串口，以及可与电脑连 接供系统程序下载的输入端口。通过测量电机供电回路中的电流间接得出电机转矩的 大小进而获得电机负载的大小(即机械臂接触力大小)。直流电机的机械特性方程为
"=，其中^和Ct分别为电动势常数和转矩常数，这两个常数仅与电机的 结构有关；①为极磁通；U为电机供电电压；T为电磁转矩；R为电枢回路总电阻；n为电机 转速。当电机挂有负载时，电机转速将会发生变化，负载越大，转速越慢，当电机供电电压不
变时，将会引起电磁转矩变化，即负载越大，电磁转矩越大，而回路电流为/ = ^，即电磁
转矩越大，回路电流越大，故电机负载与回路电流成正比关系。所以通过测量电流的变化情 况，即可计算出电机中负载的大小，从而得出机械臂接触力大小。 在具体的实施例中，电流传感器4采用在一个绕有180匝线圈的U型铁芯的两极 安放有两片UGN3503霍尔传感器。传感器的正面面向U型铁芯，贴在一柱型铁芯两侧，柱型 铁芯与U型铁芯构成闭合磁路。线圈串联接入被测电机回路。当回路电流变化时，激励电 磁铁产生磁场变化，两片UGN3053霍尔传感器采用差动方式工作，感受方向相反、大小相等 的磁场，产生电压值变化，取两端输出电压值的差，为电压值变化的2倍。两片UGN3503霍 尔传感器的输出端都分别通过一个电位器和10K的电阻串联接地，在电位器和IOK下拉电 阻之间引出输出端接入AD620仪表放大器的输入端； 传感器将被测电流与输出回路隔离首先将被测回路电流变化转变为磁场变化，
测量电路中输入量为磁场变化，输出量为电压变化，通过电流_磁场_电压的转化过程，有
效的将被测回路与输出的电压信号进行隔离，从而保证后续电路工作稳定； 两片传感器在同输入的情况下输出并不能保证完全相同，尤其是要求在监测微小
电流的情况下，这就导致在零输入的情况下，两片传感器输出差值不为零，即产生原始零
漂，这时只需要调整与输出端串联接地的两片101精密电位器即可消除零漂。放大单元5采用AD620仪表放大器，由两片UGN3503输出的两电压信号分别接入
AD620的正负输入端构成差动输入，AD620的1脚和8脚跨接不同电阻时，可产生不同的放49 4A:Q
大倍数，具体关系为G = ^~ + 1其中G为放大倍数，Re为1脚和8脚跨接电阻的大小。
， 电机驱动单元2采用ATMEGA16或ATMEGA128型单片机； 放大单元5作为前级放大电路输出的电压值作为电机驱动单元2的输入，由于是 采用内部2. 56V作为参考电压，所以必须先调整AD620仪表放大器上跨接的电位器，使其输 出满足从0V到± 1. 28V这个范围之内，在下一级放大电路里进行电压迁移，在该放大器正 极输入+1. 28V电压，这样就能保证后级电路能够准确判断和监测到电机的正转和反转信号。 在本实施例中，对于数据的滤波是采用在单片机ATMEGA16或ATMEGA128内进行处 理完成的；具体的数据滤波也可采用将放大单元内整合数据滤波模块的形式，在滤波后，将 信号输入到电机控制单元内，进行后续的处理； 数据滤波，具体方法如下将连续的12个数据看成为一个数据列，按先进先出的原 则每采样到一个新数据放到队尾，并抛弃原来队首的第一个数据，然后将这12个数据进行 算术平均值的计算；其中，若某采样值大于其前一个采样值和后一个采样值的2倍，或小于 前一个采样值和后一个采样值的1/2，则认为该值为噪声，抛弃该采样值，经过这样的计算 后，得到的结果就是滤波的结果。 电机驱动单元采用L298N型电机驱动元件。 通过电机控制单元分析结果后，得到机械臂受力不同时，驱动电机3电流大小的 变化，从而可以通过对电机进行电流测量及电机控制满足对机械臂触觉的测量及机械臂位 姿的控制； 为防止电机过载，在电机控制单元l内设定临界过载电流对应的电压值，当传感 器输出电压大于此电压时，报警单元7报警，并停止对电机3驱动； 通过标定，可以将电流传感器中测得的相关数据显示在显示单元上，显示单元可 采用LED4位数码管等；也可将信号通过RS232串口发送到其他单片机或者上位机上，供其 他系统使用；用于程序下载的输入端口采用JTAG端口设计。 开启装置(步骤101)，电机驱动单元2驱动电机3运转(步骤102)，电流传感器4 检测流入电机3中的电流值(步骤103)，采集的电流信号送入放大单元5中进行模数转换 (步骤104)、数字滤波(步骤105)，将所输入的数据发送到显示单元6中(步骤106)，判断 是否停止不再让电机3继续工作(步骤107)，判断继续工作后进入二级判断程序中，判断电 机3所夹取的力是否大于临界值(步骤108)，判断结果"否"则直接进入报警单元7报警通 知(步骤110)，病发出指令时电机驱动单元2停止驱动电机装懂，若判断结果"是"进入下 一级判断程序中，检测测试的电流值是否大于预设值(步骤109)，判断结果"是"发送指令 给电机3，完成夹取动作(步骤lll)，判断结果"否"结束程序(步骤112)。 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用 新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之 内。
权利要求一种以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于包括电流传感器，与被测电机串联，监测电机中的电流变化量；放大单元，接收电流传感器传输的电流信号，进行固定模式放大并进行模数转换机滤波降噪处理；电机驱动单元，接收驱动信号指令，驱动电机刹车或反转；电机控制单元，接收放大单元放大后的信号，并与预设值进行比对，并向电机驱动单元发出驱动电机刹车或反转的指令；所述电流传感器与待测电机串联，信号输出端与放大单元连接，经放大单元处理的信号送入电机控制单元进行信号处理，电机控制单元输出端与电机驱动单元连接，电机驱动单元输出端与电机连接。
2. 根据权利要求1所述的以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于所述的电流传感器由U型铁芯，线圈及两片UGN3503型霍尔传感器所组成，所述线圈均匀缠绕在U型铁芯上，所述UGN3503型霍尔传感器分别安装在U型铁芯两级。
3. 根据权利要求1或2所述的以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于所述电机控制单元上还安装有显示单元；所述显示单元，外接在电机控制单元上，显示传入电机控制单元的电流值。
4. 根据权利要求1或2所述的以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于所述电机控制单元上还安装有报警单元；所述报警单元，外接在电机控制单元上，当采集后的电流信号大于电机控制单元中的临界值时，发出提示信息。
5. 根据权利要求1所述的以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于所述的电机控制单元外部还安装有供上位机连接的串口 ，以及可与电脑连接供系统程序下载的输入端口。
专利摘要本实用新型公开了一种以电流为被测量的机械臂接触力监测装置，其特征在于包括电流传感器，与被测电机串联，监测电机中的电流变化量；放大单元，接收电流传感器传输的电流信号，进行固定模式放大并进行模数转换机滤波降噪处理；电机驱动单元，接收驱动信号指令，驱动电机刹车或反转；电机控制单元，接收放大单元放大后的信号，并与预设值进行比对，并向电机驱动单元发出驱动电机刹车或反转的指令；本实用新型采用较高灵敏度电子元件，可监测出不同方位的电流值的变化，以达到高精确度。
文档编号G01R31/34GK201444093SQ20092001617
公开日2010年4月28日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者李亚荣, 李萍, 金鑫 申请人:大连交通大