CN113878615A

CN113878615A - 机器人关节电机扭矩的计算方法

Info

Publication number: CN113878615A
Application number: CN202111135143.XA
Authority: CN
Inventors: 卢冬冬; 程群超; 王刻强; 杨医华; 周文
Original assignee: Borunte Robot Co Ltd
Current assignee: Borunte Robot Co Ltd
Priority date: 2021-09-27
Filing date: 2021-09-27
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2041-09-27
Also published as: CN113878615B

Abstract

本发明涉及一种机器人关节电机扭矩的计算方法。本发明所述的机器人关节电机扭矩的计算方法包括：获取负载扭矩T_负载，负载扭矩T_负载指的是驱动负载动作的所需扭矩；获取电机损耗扭矩T_电机损耗，电机损耗扭矩T_电机损耗指的是电机克服其本身阻力的所需扭矩；获取减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}，减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}指的是在减速机安装在电机上后电机克服减速机本身的阻力的所需扭矩；获取负载损耗扭矩T_负载损耗，负载损耗扭矩T_负载损耗指的是在电机通过减速机搭载负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的所需扭矩；计算电机扭矩T_m，所述电机扭矩T_m为

Description

机器人关节电机扭矩的计算方法

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，特别是涉及一种机器人关节电机扭矩的计算方法。

背景技术

电机作为工业机器人的核心部件，对于机器人发展和应用起到了举足轻重的作用，为提高机器人的精度和效率，提升工业机器人生产效率、技术水平，降低能源资源消耗，精确地计算电机实际扭矩有利于提高控制性能和精度。目前关于机器人电机扭矩的计算容易忽略很多影响因素，计算结果容易与实际存在较大差异。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种机器人关节电机扭矩的计算方法，以缩小计算结果与实际存在之间的差异。

一种机器人关节电机扭矩的计算方法，所述机器人关节电机扭矩的计算方法包括：

获取负载扭矩T_负载，所述负载扭矩T_负载指的是驱动负载动作的所需扭矩；

获取电机损耗扭矩T_电机损耗，所述电机损耗扭矩T_电机损耗指的是电机克服其本身阻力的所需扭矩；

获取减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}，减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}指的是在减速机安装在电机上后电机克服减速机本身的阻力的所需扭矩；

获取负载损耗扭矩T_负载损耗，所述负载损耗扭矩T_负载损耗指的是在电机通过减速机搭载负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的所需扭矩；

计算电机扭矩T_m，所述电机扭矩T_m为

其中，λ为减速机的减速比。

进一步地，在获取所述负载扭矩T_负载的过程中，所述负载扭矩T_负载为

其中，J为关节部件绕关节旋转的转动惯量，L为重心距关节旋转中心距离，M为关节部件的质量，ω为关节角速度，t为关节加速时间。

进一步地，在获取所述电机损耗扭矩T_电机损耗的过程中，首先测量电机在空转时的实际扭矩，然后根据测量到的实际扭矩拟合出所述电机损耗扭矩T_电机损耗。

进一步地，在获取所述电机损耗扭矩T_电机损耗的过程中，首先测量电机在空转时的实际扭矩，电机的输出轴不搭载任何负载以及减速机，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s，并借用测试装置测量电机匀速阶段的扭矩曲线，取曲线中50个点，计算平均值，得到电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀；然后，采用最小二乘线性回归拟合出电机在空转情况下的电机损耗扭矩T_电机损耗与转速n之间的关系：

T_电机损耗＝a·n+b；

其中，n为电机转速，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

进一步地，在获取所述减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}的过程中，首先测量减速机在空转时的实际扭矩，然后将测量到的实际扭矩减去因电机所导致的扭矩损耗，以得到因减速机所导致的实际损耗，并根据该因减速机所导致的实际损耗拟合出所述电机损耗扭矩T_电机损耗。

进一步地，在获取所述减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}的过程中，首先测量减速机在空转时的实际扭矩，将减速机安装在电机的输出轴上，由电机驱动减速机的输出轴转动，减速机的输出轴不搭载任何负载，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s，并借用测试装置测量电机匀速阶段的扭矩曲线，取曲线中50个点，计算平均值，得到在电机搭载减速机的情况下电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力T₁+t₁、T₂+t₂、T₃+t₃、T₄+t₄、T₅+t₅、T₆+t₆、T₇+t₇、T₈+t₈、T₉+t₉、T₁₀+t₁₀；结合第二步中在电机空转情况下电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀，可以得到减速机的十个减速机损耗实际扭矩，十个减速机实际损耗扭矩分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀；然后，采用最小二乘线性回归拟合出电机在搭载减速机情况下的减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}与转速n之间的关系：

T_{减速机损耗}＝A·n+B；

其中，n为电机转速，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

进一步地，在获取所述负载损耗扭矩T_负载损耗的过程中，首先测量减速机在搭载负载时的实际扭矩，然后根据测量到的实际扭矩减去因电机所导致的扭矩损耗、因减速机所导致的扭矩损耗、以及负载所需要的扭矩，以得到在电机搭载已知负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的实际所需扭矩，并根据该其余阻力的实际所需扭矩拟合出所述负载损耗扭矩T_负载损耗。

进一步地，首先将减速机安装在电机的输出轴上，由电机驱动减速机的输出轴转动，在减速机末端施加负载扭矩M_j(j＝1，2，…，10)，其中，最大扭矩M₁₀为减速机额定扭矩，其余按10％的额定扭矩等差递减；并且，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s；通过测试装置测量电机输出扭矩T_ij，测量出一百个电机输出扭矩T_ij(i＝1，2，…，10；j＝1，2，…，10；)，也就是说我们会知道

其中，λ为减速机的减速比；T_x为负载实际损耗扭矩，即在电机搭载已知负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的实际所需扭矩，并且x＝1，2，…，100；即负载实际损耗扭矩T_x为

然后，通过最小二乘线性回归拟合可得负载损耗扭矩T_负载损耗与减速机输出端负载扭矩M之间的关系：

T_额外损耗＝α·M+β；

其中，M为在电机驱动的减速机末端施加的负载扭矩，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

由此可知得到十个不同转速下负载损耗扭矩T_负载损耗与负载扭矩M之间的关系；并且，当负载扭矩M相同且转速在n_i与n_i+1之间时，负载损耗扭矩T_负载损耗取在n_i与n_i+1之间的负载损耗扭矩的平均值。

具体实施方式

一种机器人关节电机扭矩的计算方法，其主要用于计算多轴机器人的电机所需最小扭矩值，设计人员可以根据该最小扭矩值来选定电机的类型。该多轴机器人的关节部件主要由电机、减速机组成，其中，减速机安装在电机的输出轴上。在实际研发过程中，发明人发现电机的输出扭矩存在一部分的损耗，使得电机的实际输出扭矩要大于驱动负载动作的负载扭矩。导致电机输出扭矩具有扭矩损耗的因素有：1、电机自身存在的阻力；2、减速机自身存在的阻力；3、额外不明阻力。对于该额外不用阻力，发明人目前推测是不同负载造成阻尼系数发生变化。因此，本实施例所述的机器人关节电机扭矩的计算方法除了考虑驱动负载动作的理论所需扭矩之外，还会考虑了电机自身阻力所导致的扭矩损耗、减速机自身阻力所导致的扭矩损耗、以及不同负载造成阻尼系数发生变化所导致的扭矩损耗，由此计算出电机所需最小扭矩。

本实施例所述的机器人关节电机扭矩的计算方法包括如下步骤。

第一步，获取负载扭矩T_负载，负载扭矩T_负载指的是驱动负载动作的所需扭矩。

具体地，电机启动和停止的速度变化近似看为线性增加和减少，因此可以直接计算负载扭矩T_负载，负载扭矩T_负载为

第二步，获取电机损耗扭矩T_电机损耗，电机损耗扭矩T_电机损耗指的是电机克服其本身阻力的所需扭矩。

具体地，首先，实际测量电机在空转时的电机空转实际扭矩，此时电机空转实际扭矩为电机克服其自身阻力所需的测量扭矩。更具体地，电机的输出轴不搭载任何负载以及减速机，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀。启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s，并借用测试装置测量电机匀速阶段的扭矩曲线，取曲线中50个点，计算平均值，得到电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀。

然后，采用最小二乘线性回归拟合出电机在空转情况下的电机损耗扭矩T_电机损耗与转速n之间的关系：

T_电机损耗＝a·n+b；

其中，n为电机转速，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

第三步，获取减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}，减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}指的是在减速机安装在电机上后电机克服减速机本身的阻力的所需扭矩。

具体地，首先实际测量减速机在空转时的减速机损耗实际扭矩，此时减速机损耗实际扭矩为减速机克服其自身阻力所需的测量扭矩。更具体地，将减速机安装在电机的输出轴上，由电机驱动减速机的输出轴转动，减速机的输出轴不搭载任何负载，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀。启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s，并借用测试装置测量电机匀速阶段的扭矩曲线，取曲线中50个点，计算平均值，得到在电机搭载减速机的情况下电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力T₁+t₁、T₂+t₂、T₃+t₃、T₄+t₄、T₅+t₅、T₆+t₆、T₇+t₇、T₈+t₈、T₉+t₉、T₁₀+t₁₀。结合第二步中在电机空转情况下电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀，可以得到减速机的十个减速机损耗实际扭矩，十个减速机实际损耗扭矩分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀。

然后，采用最小二乘线性回归拟合出电机在搭载减速机情况下的减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}与转速n之间的关系：

T_{减速机损耗}＝A·n+B；

其中，n为电机转速，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

第四步，获取负载损耗扭矩T_负载损耗，负载损耗扭矩T_负载损耗指的是在电机搭载负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的所需扭矩。

首先，测量负载对传递效率的影响。在实际中，在第二步或第三步中的n_i(i＝1，2，…，10)转速下，分别在电机驱动的减速机末端施加负载扭矩M_j(j＝1，2，…，10)，其中，最大扭矩M₁₀为减速机额定扭矩，其余按10％的额定扭矩等差递减。通过测试装置测量电机输出扭矩T_ij，测量出一百个电机输出扭矩T_ij(i＝1，2，…，10；j＝1，2，…，10；)，也就是说我们会知道

其中，λ为减速机的减速比；T_x为负载实际损耗扭矩，即在电机搭载已知负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的实际所需扭矩，并且x＝1，2，…，100。

即负载实际损耗扭矩T_x为

T_额外损耗＝α·M+β；

由此可知得到十个不同转速下负载损耗扭矩T_负载损耗与负载扭矩M之间的关系。并且，当负载扭矩M相同且转速在n_i与n_i+1之间时，负载损耗扭矩T_负载损耗取在n_i与n_i+1之间的负载损耗扭矩的平均值。

第五步，计算电机扭矩T_m，电机扭矩T_m为

其中，λ为减速机的减速比。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于，所述机器人关节电机扭矩的计算方法包括：

计算电机扭矩T_m，所述电机扭矩T_m为

其中，λ为减速机的减速比。

2.根据权利要求1所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

在获取所述负载扭矩T_负载的过程中，所述负载扭矩T_负载为

3.根据权利要求1所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

在获取所述电机损耗扭矩T_电机损耗的过程中，首先测量电机在空转时的实际扭矩，然后根据测量到的实际扭矩拟合出所述电机损耗扭矩T_电机损耗。

4.根据权利要求3所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

在获取所述电机损耗扭矩T_电机损耗的过程中，

首先测量电机在空转时的实际扭矩，电机的输出轴不搭载任何负载以及减速机，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s，并借用测试装置测量电机匀速阶段的扭矩曲线，取曲线中50个点，计算平均值，得到电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀；

T_电机损耗＝a·n+b；

其中，n为电机转速，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

5.根据权利要求4所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

在获取所述减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}的过程中，首先测量减速机在空转时的实际扭矩，然后将测量到的实际扭矩减去因电机所导致的扭矩损耗，以得到因减速机所导致的实际损耗，并根据该因减速机所导致的实际损耗拟合出所述电机损耗扭矩T_电机损耗。

6.根据权利要求5所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

在获取所述减速机损耗扭矩T_{减速机损耗}的过程中，首先测量减速机在空转时的实际扭矩，将减速机安装在电机的输出轴上，由电机驱动减速机的输出轴转动，减速机的输出轴不搭载任何负载，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s，并借用测试装置测量电机匀速阶段的扭矩曲线，取曲线中50个点，计算平均值，得到在电机搭载减速机的情况下电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力T₁+t₁、T₂+t₂、T₃+t₃、T₄+t₄、T₅+t₅、T₆+t₆、T₇+t₇、T₈+t₈、T₉+t₉、T₁₀+t₁₀；结合第二步中在电机空转情况下电机分别在n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀转速下的扭力t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀，可以得到减速机的十个减速机损耗实际扭矩，十个减速机实际损耗扭矩分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈、T₉、T₁₀；

T_{减速机损耗}＝A·n+B；

其中，n为电机转速，根据最小二乘法求线性回归方程可求出

7.根据权利要求6所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

在获取所述负载损耗扭矩T_负载损耗的过程中，首先测量减速机在搭载负载时的实际扭矩，然后根据测量到的实际扭矩减去因电机所导致的扭矩损耗、因减速机所导致的扭矩损耗、以及负载所需要的扭矩，以得到在电机搭载已知负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的实际所需扭矩，并根据该其余阻力的实际所需扭矩拟合出所述负载损耗扭矩T_负载损耗。

8.根据权利要求7所述的机器人关节电机扭矩的计算方法，其特征在于：

首先将减速机安装在电机的输出轴上，由电机驱动减速机的输出轴转动，在减速机末端施加负载扭矩M_j(j＝1，2，…，10)，其中，最大扭矩M₁₀为减速机额定扭矩，其余按10％的额定扭矩等差递减；

并且，取电机的最高转速以及在最高转速下再取9个转速值，9个转速值以最高转速的10％等差递减，电机的转速从小到大地得到n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀，启动电机运行，分别按n₁、n₂、n₃、n₄、n₅、n₆、n₇、n₈、n₉、n₁₀匀速运行3s至5s；

通过测试装置测量电机输出扭矩T_ij，测量出一百个电机输出扭矩T_ij(i＝1，2，…，10；j＝1，2，…，10；)，也就是说我们会知道

其中，λ为减速机的减速比；T_x为负载实际损耗扭矩，即在电机搭载已知负载的情况下电机除克服其自身阻力、减速机自身阻力、负载之外的其余阻力的实际所需扭矩，并且x＝1，2，…，100；

即负载实际损耗扭矩T_x为

T_额外损耗＝α·M+β；

由此可知得到十个不同转速下负载损耗扭矩T_负载损耗与负载扭矩M之间的关系；

并且，当负载扭矩M相同且转速在n_i与n_i+1之间时，负载损耗扭矩T_负载损耗取在n_i与n_i+1之间的负载损耗扭矩的平均值。