机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法.pdf

本发明公开了一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法，所述方法包括：在基于永磁同步电机的机器人关节中安装至少一个电机侧旋转变压器和至少一个关节输出侧旋转变压器；所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器与所述电机同轴，且两旋转变压器转子随所述电机同步转动，电机侧旋转变压器的定子固定不动，关节输出侧旋转变压器的定子随关节输出端同步转动；利用电机侧旋转变压器和关节输出侧旋转变压器对所述电机转子位置进行双余度检测；本发明实施例通过在电机侧和关节输出侧安装旋转变压器，且使关节输出端的旋转变压器能够以较高精度对电机进行检测，实现了对永磁同步电机转子位置进行高精度双余度的检测。

1、  一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述基于永磁同步电机的机器人关节中安装至少一个电机侧旋转变压器和至少一个关节输出侧旋转变压器；所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器与所述电机同轴，且所述电机侧旋转变压器和关节输出侧旋转变压器的转子随所述电机同步转动，所述电机侧旋转变压器的定子固定不动，所述关节输出侧旋转变压器的定子随关节输出端同步转动；
利用所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器对所述电机转子位置进行双余度检测；所述关节侧的旋转变压器检测到的所述关节输出端的从动关节转过的角度θ₁，以及所述电机侧旋转变压器检测到的所述电机转子转过的角度θ₂，满足第一关系式：
θ2=θ1+θ1n=n+1nθ1,]]>其中，n为所述机器人关节的谐波减速器的减速比。

2、  如权利要求1所述的机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法，其特征在于，当所述电机侧的旋转变压器损坏时，则由所述关节侧的旋转变压器对所述关节输出端的从动关节位置进行检测，并利用所述关节侧的旋转变压器检测到的所述关节输出端的从动关节转过的角度，根据所述第一关系式计算所述电机转子转过的角度。

机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法。
背景技术
随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低，具有良好的速度控制特性，易于提高系统的快速性。基于永磁交流伺服驱动技术的永磁同步电机可以应用于机器人的关节等部位。
在基于永磁同步电机的机器人关节中，需要有相应的检测元件对永磁同步电机转子位置进行检测，以实现对电机的控制。目前，现有的基于永磁同步电机机器人关节的位置检测元件安装方式主要有两种：一种安装方式只采用一个位置检测元件并安装在电机侧，检测永磁同步电机转子的位置用于电机控制，并利用检测的位置结合减速机构的减速比n计算关节位置。这种方式的关节位置控制为开环，控制精度取决于减速机构的传动精度；另一种安装方式将两个检测元件分别安装在电机侧及关节处，电机侧的检测元件检测永磁同步电机转子位置用于电机控制，关节侧的检测元件检测的关节位置用于伺服闭环控制。
在对现有技术进行研究后，发明人发现：现有技术的永磁同步电机的机器人关节，当电机侧的检测元件损坏时，第一种安装方式将使电机无法控制而导致机器人的关节实效；第二种安装方式可采用检测关节的位置并结合减速机构的减速比n计算电机位置，但其检测精度仅为电机侧位置检测精度的1/n，会导致电机无法得到良好控制，从而在很大程度上降低关节性能，甚至会失效。
发明内容
本发明实施例提供了一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测方法，所述技术方案如下：
一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述基于永磁同步电机的机器人关节中安装至少一个电机侧旋转变压器和至少一个关节输出侧旋转变压器；所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器与所述电机同轴，且所述电机侧旋转变压器和关节输出侧旋转变压器的转子随所述电机同步转动，所述电机侧旋转变压器的定子固定不动，所述关节输出侧旋转变压器的定子随关节输出端同步转动；
利用所述电机侧旋转变压器和所述关节输出侧旋转变压器对所述电机转子位置进行双余度检测；所述关节侧的旋转变压器检测到的所述关节输出端的从动关节转过的角度θ₁，以及所述电机侧旋转变压器检测到的所述电机转子转过的角度θ₂，满足第一关系式：
θ2=θ1+θ1n=n+1nθ1,]]>其中，n为所述机器人关节的谐波减速器的减速比。
本发明实施例通过在电机侧和关节输出端安装旋转变压器，且转子安装在电机轴上，随电机同步转动，定子随关节同步转动。使得关节输出侧的旋转变压器也能对电机进行高精度的检测。
附图说明
图1是本发明实施例1中提供的一种基于永磁同步电机的机器人关节的结构示意图；
图2是本发明实施例2中提供的一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
本发明实施例提供了一种基于永磁同步电机的机器人关节，实现了对关节内部的永磁同步电机转子位置的高精度双余度检测。在本发明实施例中，在关节内部设置至少一个电机侧的旋转变压器和至少一个关节输出侧的旋转变压器进行双余度的检测。
本发明实施例提供的机器人关节的内部结构图参见图1，关节内部包括：关节轴系、电机转子轴系、谐波齿轮减速器、电机端的旋转变压器和关节输出端的旋转变压器。关节轴系和电机转子轴系是共轴的，关节内部的中心是电机轴。
关节结构分为主动关节与从动关节，通过关节轴承构成关节轴系，关节轴系由谐波齿轮减速器驱动。谐波齿轮减速器的刚轮安装在主动关节上，柔轮安装在从动关节上。在图1中，机器人关节的左半部为电机侧；右半部为关节输出侧。电机侧和关节输出侧分别安装了旋转变压器，电机侧的旋转变压器用于检测电机转子的位置；关节输出侧的旋转变压器用于检测从动关节的位置。两个旋转变压器的转子皆安装在电机轴上，随电机同步转动。同时，电机侧的旋转变压器的定子在主动关节侧固定不动，而关节输出侧的旋转变压器定子安装在谐波检测器的柔轮上，可以随关节同步转动。基于这种设计结构，可以实现电机转子位置高精度双余度的检测：当电机侧的旋转变压器损坏时，可利用关节输出侧的旋转变压器对电机进行检测，且检测精度相对较高。
进一步的，在图1中，该关节的内部包括如下部件：电机外壳1；电机端旋转变压器定子2；电机侧旋转变压器转子3；永磁同步电机定子4；永磁同步电机转子5；关节输出端外壳6；谐波减速器钢轮7；谐波减速器波发生器8；谐波减速器柔轮9；关节输出侧旋转变压器定子10；关节输出侧旋转变压器转子11。
其中，永磁同步电机定子4、电机侧旋转变压器转子2和关节输出侧旋转变压器转子11都安装在电机轴上，随电机轴一起转动；电机端旋转变压器定子2固定，关节输出端旋转变压器定子10安装在谐波减速器柔轮9上，关节输出端旋转变压器定子10可以随关节一起转动。
当关节内部的电机轴旋转时，电机端的旋转变压器对电机转子的位置进行检测；关节侧的旋转变压器对关节输出端的从动关节的位置进行检测。设：θ₂为安装在电机端的旋转变压器转过的角度，即检测到的电机转子转过的角度为θ₂；θ₁为安装在关节输出端的旋转变压器转过的角度，即关节侧的旋转变压器检测到的关节输出端的从动关节转过的角度为θ₁；其中，旋转变压器转过的角度即旋转变压器的定子和转子之间相对转过的角度，n为谐波减速器的减速比。
当关节输出端旋转变压器转过θ₁时，关节输出端旋转变压器定子10由于安装在柔轮9上，相对于外部机壳，转过的角度为θ₁/n。
由于电机端的旋转变压器的转子3和关节输出端的旋转变压器的转子11是同轴转动的，因此，电机端的旋转变压器转过的角度与关节输出端旋转变压器转过的角度的差值，即为柔轮转过的角度：θ₁/n。因此，有以下关系：
θ2=θ1+θ1n=n+1nθ1---(1)]]>
当电机侧的旋转变压器损坏时，则可以利用关节侧的旋转变压器进行检测，由关节输出端旋转变压器转过的角度θ₁，根据关系式(1)即可计算得到电机转子转过的角度θ₂。
而现有技术的双余度检测中，设电机端的检测元件检测到电机转子转过的角度为θ₂，关节端的检测元件检测到从动关节位置的转过的角度为θ₁，关节端的检测元件检测到的从动关节的转动角度为柔轮转过的角度，当谐波减速器的减速比为n时，有以下关系：θ₂＝nθ₁     (2)
从关系式(1)和(2)可以看出在对关节的位置进行检测时，本发明对永磁同步电机位置的检测精度为n+1/n，现有技术为1/n。机器人关节的谐波减速比n越大，二者的检测精度差别越大。
因此，本发明提出机器人关节，能够对电机转子进行高精度双余度的检测，在电机侧的旋转变压器损坏时，还能够利用关节侧的旋转变压器对永磁同步电机转子的位置进行高精度的检测，实现对机器人关节的有效、稳定的控制。
本发明实施例通过在机器人关节内部的电机端和关节输出端设置旋转变压器，且两个旋转变压器的转子皆安装在电机轴上，随电机同步转动，同时，电机侧旋转变压器定子固定不动，而关节输出侧的旋转变压器定子随关节同步转动。使得关节输出侧的旋转变压器也能对电机位置进行高精度的检测，实现了机器人关节内部永磁同步电机转子位置的高精度双余度的检测。
实施例2
本发明实施例在实施例1中的基于永磁同步电机的机器人关节的基础上，提供了一种机器人关节永磁同步电机转子位置双余度检测的方法，本发明实施例中的机器人关节的内部结构与实施例1中的关节相同，参见图2，本实施例方法的步骤包括：
201：在机器人的关节中安装至少一个电机侧旋转变压器和至少一个关节输出侧旋转变压器。
其中，电机侧旋转变压器和关节输出侧旋转变压器与电机同轴，且电机侧旋转变压器和该关节输出侧旋转变压器的转子随电机同步转动，电机侧旋转变压器的定子固定不动，关节输出侧旋转变压器的定子随关节输出端同步转动。
具体的，在安装电机侧旋转变压器和关节输出侧旋转变压器时，将电机侧旋转变压器转子安装在电机轴上，该电机侧旋转变压器定子固定在主动关节侧。利用该电机侧旋转变压器对该电机转子的位置进行检测。将关节输出侧旋转变压器的转子安装在永磁同步电机的电机轴上；将该关节输出侧旋转变压器的定子安装在谐波齿轮减速器的柔轮上；利用该关节输出端变压器对该关节输出端的从动关节的位置进行检测。
202：利用该电机侧旋转变压器和该关节输出侧旋转变压器对该电机转子位置进行双余度检测。
由上述旋转变压器的安装位置可知，设：θ₂为安装在电机端的旋转变压器转过的角度，即检测到的电机转子转过的角度为θ₂；θ₁为安装在关节输出端的旋转变压器转过的角度，即关节侧的旋转变压器检测到的关节输出端的从动关节转过的角度为θ₁；其中，旋转变压器转过的角度即旋转变压器的定子和转子之间相对转过的角度，n为谐波减速器的减速比。
当关节输出端旋转变压器转过θ₁时，关节输出端旋转变压器定子由于安装在柔轮上，相对于外部机壳，转过的角度为θ₁/n。由于电机端的旋转变压器的转子和关节输出端的旋转变压器的转子是同轴转动的，因此，电机端的旋转变压器转过的角度与关节输出端旋转变压器转过的角度的差值，即为柔轮转过的角度，为θ₁/n。因此，有以下第一关系式：
θ2=θ1+θ1n=n+1nθ1]]>
因此，当该电机侧的旋转变压器损坏时，则由该关节侧的旋转变压器对关节输出端的从动关节位置进行检测，并利用该关节侧的旋转变压器检测到的该关节的从动关节转过的角度，根据该第一关系式计算该电机转子转过的角度，且检测精度相对较高。
本发明实施例通过在机器人关节内部的电机端和关节输出端设置旋转变压器，且两个旋转变压器的转子皆安装在电机轴上，随电机同步转动，同时，电机侧旋转变压器定子固定不动，而关节输出侧的旋转变压器定子随关节同步转动。使得关节输出侧的旋转变压器也能对电机位置进行高精度的检测，实现了对机器人关节内部的永磁同步电机转子位置的高精度双余度的检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。