CN101383540A - 全密封式伺服驱动轮 - Google Patents
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Abstract
本发明一种全密封式伺服驱动轮，涉及移动机器人技术领域，是机器人移动车体的伺服驱动轮，是将盘式直流电机、减速机构、光电码盘都集成在伺服驱动轮内，对外接口只有码盘线和电机电源线，使得电机、减速器、码盘、车轮成为一个密封的整体，以实现驱动轮的伺服控制，并且具有结构紧凑、轴向尺寸小、整体集成度高、防尘、免维护、可靠性好等明显优点。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人技术领域，是机器人移动车体的伺服驱动轮，是一种集电机、码盘、减速器、车轮为一体的驱动轮，具有紧凑的结构和良好的密封性，可以实现高精度的伺服驱动控制。
背景技术
随着现代控制技术的不断发展，移动机器人技术在外星探索、野外考察、军事、建筑、交通、工业安全及服务业等各个领域已经获得广泛的应用。其中比较有代表性的有美国Irobot公司生产的履带式机器人PackBot，已经配备军队，并应用于阿富汗和伊拉克的军事行动；CMU和美国航空航天局联合设计的Nomad轮式机器人，是针对外星探索特别设计，已经在沙漠、南极等极端环境完成了有效性验证；美国航空航天局喷气推进实验室(JPL)开发的火星探索机器人(MER)，也就是为大家所熟知的“勇气号”和“机遇号”火星车，于2004年1月在火星着陆，并发回了大量的图片、土壤和岩石化学成分分析结果和气候测量数据，为后续的火星探索积累了大量宝贵经验。此外，服务机器人也正在逐步走向人们的家庭，出现了很多诸如割草机器人、医用机器人、清洁机器人等等。
在上述各种移动机器人中，无论其控制方式是基于遥控操作的还是基于自主智能的机器人，移动平台都是系统功能实现的一个基本单元，也是机器人智能控制系统、电源系统和操作功能的载体。移动平台根据其实现方式可分为履带式、轮式、多足式、蛇形机器人、复合结构移动机器人等等。其中，轮式机器人因为其结构简单可靠、动力效率高、高速机动性强、控制策略简单等原因，一直是发展最完善、最具实用性的结构形式。近些年，经过研究人员的不断改进，轮式机器人在复杂地形通过能力、机动性等方面有了很大提高。勇气号和机遇号火星探测车均采用轮式结构，就充分说明了轮式机器人在运行效率和可靠性等方面所具有的优越性。
综合考虑电源、移动特性和伺服控制性能，轮式移动平台的动力系统一般都采用直流伺服电机作为动力源。这一类平台驱动的解决方案主要有两种：一种是购买市场上的成套产品，包括直流电机、减速器和与之相配套的码盘和伺服驱动器，然后根据性能需要配合某种车轮后，作为移动平台的驱动部分。目前，这种提供成套产品的公司比较多，获得较多应用的大多是国外公司的成熟产品，例如：瑞士的maxon空心杯电机系列、德国faulhaber电机、德国AMK伺服驱动系统、日本的三菱、安川、松下电机、美国的Danaher、Balder等等。这些系统功能完善，精度高，响应快，具有较好的控制特性。但一方面，完整配置一套带有减速器、编码器的伺服驱动系统的价格成本非常高，不能满足移动机器人，特别是面向普通家庭的服务机器人的成本控制的需要；另一方面这些系统大多面向数控行业，电机、编码器、减速器均独立配置，并沿着轴线方向顺序装配，其轴向尺寸较大，结构不够紧凑。另一种相对成本较低的方案是单独采购电机、编码器、减速器各个部件，自己开发伺服驱动控制器。这种方案可以降低成本，但系统的可靠性依赖于所采购部件的质量和装配工艺，以及自身驱动器部门的开发测试能力，受影响环节较多。另外，同样存在上面提到的整体不够紧凑，密封性差，轴向尺寸大的问题，在进行移动车体的设计时将受到较大限制。
扁平电机和轮毂电机的出现，为移动车体的驱动部分设计提供了新的选择。该类电机轴向尺寸小，内部集成减速器，便于安装，且成本较低，在各种移动机器人以及电动车上有着很大的应用前景。但普通的轮毂电机没有速度和位置检测，难以和通常使用的编码器配合，也就无法实现对电机速度和位置的闭环伺服控制。因此，设计一种带有码盘输出的全封闭驱动轮，可以有效地简化各种移动平台的结构设计工作，特别是对于服务机器人和户外移动机器人的普及应用有着积极意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种在内部集成有电机、减速器和码盘的全密封驱动轮，可以实现对驱动轮转速和位置的精确伺服控制，并且具有结构紧凑、轴向尺寸小、便于安装、防尘、环境适应性强、成本较低等特点。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种全密封式伺服驱动轮，包括轮壳、盘式电机、减速器，盘式电机输出轴直接与减速器相连，并集成于轮壳内部；其还包括码盘，码盘包括LED器件、检测器件和电路板，其中，
LED发光器件用螺钉连接于盘式电机外壳上；光栅固定于盘式电机轴的伸出端；光电检测器件、码盘电路板和码盘罩与盘式电机外壳连接；盘式电机通过电机轴上的键槽与减速器连接，减速器的输出轴直接与驱动轮外壳连接；驱动轮外壳通过轴承与伸出的中空固定轴之间形成转动副；盘式电机电源线、码盘线由中空固定轴的中空腔内引出；
驱动轮外壳包括轮毂、轮毂端盖、防尘盖，三者之间形成密封结构，轮毂端盖位于轮毂外侧，防尘盖位于轮毂内侧，并套于中空固定轴的外周圆，在防尘盖和轮毂之间使用密封垫密封；轮毂外侧径向周圆上固接有轮胎；
盘式电机电源线与电源电连接，码盘线与驱动控制模块电连接；
其它各部件按常规连接。
所述的全密封式伺服驱动轮，其使用时，将驱动轮伸出的中空固定轴经连接件与移动本体底盘固连。
所述的全密封式伺服驱动轮，其所述盘式电机与减速器相对一侧的轴由电机外侧端盖伸出，光栅直接固联于该电机轴的端面上，LED发光器件设于电机外侧端盖的相应位置，码盘电路板和至少两个光电检测元件通过螺钉与电机外侧端盖相连，并使LED发光器件射出的光线经光栅上的开孔后，顺序照射在至少两个光电检测元件上，码盘器件外部安装有码盘保护罩，码盘线穿出保护罩由伸出的中空固定轴引出，与驱动控制模块电连接。
所述的全密封式伺服驱动轮，其所述至少两个光电检测元件沿圆周方向距离为光栅节距的k+1/4倍，从而两者的输出信号相位差90°。
本发明的有益效果是，将电机、减速器、码盘完全集成于驱动轮内部，省去了使用普通电机时将三者用键和联轴器串行装配的步骤，使得移动本体的驱动结构紧凑简洁。内部集成的码盘可以实现轴角的精确检测，方便对驱动轮进行各种伺服控制。密封式结构使得对外接口仅有电机电源线和码盘线，有效避免灰尘杂质进入驱动轮内部，增强了对于户外恶劣环境的适应能力，扩展了移动平台的使用范围。
附图说明
图1是本发明全密封式伺服驱动轮的正视图；
图2是本发明全密封式伺服驱动轮的侧视图；
图3是图1中全密封式伺服驱动轮沿A-A剖线的剖面结构图；
图4是光电码盘测速原理、结构示意图；
图5是全密封式伺服驱动轮的安装使用示例图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
见图1、2、3，为本发明全密封式伺服驱动轮，包括：电机内侧端盖1，电机轴内侧轴承支撑件2，电机转子固定件3，电机转子4，电机定子5，电机外侧端盖6，电机轴7，光栅8，LED灯9，码盘电路板10，码盘保护罩11，中空固定轴12，减速器外壳13，电机轴滚子轴承14，伸出轴滚子轴承15，弹性轴用挡圈16，弹性孔用挡圈17，一级小齿轮18，一级大齿轮19，二级小齿轮20，二级大齿轮21，减速器低速轴22，轮毂23，轮毂端盖24，轮胎25，轮毂齿轮连接件26，电机线27，码盘线28，防尘盖29，密封垫圈30，密封端盖螺钉31，轮毂端盖螺钉32，光电检测元件33，全密封伺服驱动轮34，连接件35，移动本体底盘36。
其中：在电机部分，电机内侧端盖1与电机外侧端盖6通过螺钉装配，形成电机壳体部分。在壳体内部，电机轴7通过分别安装于电机轴内侧轴承支撑件2和电机外侧端盖6上的电机轴滚子轴承14，形成转动副，电机转子固定件3通过键槽与电机轴7连接，电机转子4与电机转子固定件3固联，电机定子5与电机外侧端盖6固联；
在码盘部分，电机轴7由电机外侧端盖6伸出，光栅8直接固联于电机轴7的端面上，LED灯9安装于电机外侧端盖6的适当位置，码盘电路板10和光电检测元件33通过螺钉与电机外侧端盖6相连，并使得LED灯9射出的光线经光栅8上的开孔后，可以照射在光电检测元件33上，码盘器件外部安装有码盘保护罩11，码盘线27由伸出的中空固定轴12引出；
在减速器部分，一级小齿轮18与电机轴7通过键槽相连，一级大齿轮19则与减速器低速轴22相连，并通过轴承安装在减速器外壳13上，二级小齿轮20通过键槽与减速器低速轴22相连，并与二级大齿轮21相啮合；二级大齿轮21通过轮毂齿轮连接件26与轮毂端盖24固联；
从驱动轮整体来看，轮毂端盖24通过轮毂端盖螺钉32与轮毂23形成一个闭合的密封壳体，电机线27与码盘线28从伸出的中空固定轴12引出，中空固定轴12通过伸出轴滚子轴承15与轮毂23形成转动副；防尘盖29通过轮毂端盖螺钉32与轮毂23相连，并在中间设有密封垫圈30；轮胎25直接成型在轮毂23上。
所述各部件按常规连接。
由上述可知，盘式电机整体密封；码盘的光栅8直接与电机轴7相连，所以可以直接测得电机的转速，码盘保护罩11可以防止光电器件和电路受到外来的物理损伤或电磁干扰，码盘线27直接由中空轴12引出，方便与所采用的控制模块相连；电机轴7引出后直接与减速器相连，而减速器的二级大齿轮21则通过轮毂端盖24与驱动轮轮毂23固联，所以电机的输出可以直接转换为驱动轮轮毂23的转动。轮胎25直接成型于轮毂23上，可以避免普通充气轮胎的漏气、被异物扎破内胎或充气不足等问题。驱动轮内的电机部分、减速器部分、码盘部分紧密联接又自成一体，并通过防尘盖29和密封垫圈30设计，使得灰尘难以进入驱动轮的内部空间，增加内部轴承和转动部件的使用寿命，也就提高了驱动轮对恶劣使用环境的适应能力。
图4所示为光电码盘的检测原理图。当电机轴7转动时，会带动光栅8一起转动。光栅8每转动过一个孔格间距，光电检测元件33上的信号就由低到高或由高到低跳变一次。两个光电检测元件沿圆周方向距离为光栅节距的k+1/4倍。通过两个检测光电检测元件33上的相位差90°的信号，就可以得到当前的电机转速和转向，通过码盘线28将信息反馈给驱动控制模块，即可以实现对电机的各种反馈控制算法。实施时，视所需码盘分辨率的不同，单个检测元件至少覆盖3个以上光栅节距范围。
图5所示为全密封式驱动轮的安装使用示例。由于驱动轮的高度集成性，安装时只需根据要求设计相应的连接件35，使驱动轮伸出的中空固定轴12与移动本体底盘36相连接，再分别连接好电机电源线27和码盘线28后即可。显然全密封式驱动轮由于码盘、减速器全部在内部集成，且轴向尺寸小，使得移动车体的结构更简洁，设计更灵活，对环境的适应能力也更强。
Claims (4)
1、一种全密封式伺服驱动轮，包括轮壳、盘式电机、减速器，盘式电机输出轴直接与减速器相连，并集成于轮壳内部；其特征在于：还包括码盘，码盘包括LED器件、检测器件和电路板，其中，
LED发光器件用螺钉连接于盘式电机外壳上；光栅固定于盘式电机轴的伸出端；光电检测器件、码盘电路板和码盘罩与盘式电机外壳连接；盘式电机通过电机轴上的键槽与减速器连接，减速器的输出轴直接与驱动轮外壳连接；驱动轮外壳通过轴承与伸出的中空固定轴之间形成转动副；盘式电机电源线、码盘线由中空固定轴的中空腔内引出；
驱动轮外壳包括轮毂、轮毂端盖、防尘盖，三者之间形成密封结构，轮毂端盖位于轮毂外侧，防尘盖位于轮毂内侧，并套于中空固定轴的外周圆，在防尘盖和轮毂之间使用密封垫密封；轮毂外侧径向周圆上固接有轮胎；
盘式电机电源线与电源电连接，码盘线与驱动控制模块电连接；
其它各部件按常规连接。
2、如权利要求1所述的全密封式伺服驱动轮，其特征在于：使用时，将驱动轮伸出的中空固定轴经连接件与移动本体底盘固连。
3、如权利要求1所述的全密封式伺服驱动轮，其特征在于：所述盘式电机与减速器相对一侧的轴由电机外侧端盖伸出，光栅直接固联于该电机轴的端面上，LED发光器件设于电机外侧端盖的相应位置，码盘电路板和至少两个光电检测元件通过螺钉与电机外侧端盖相连，并使LED发光器件射出的光线经光栅上的开孔后，照射在至少两个光电检测元件上，码盘器件外部安装有码盘保护罩，码盘线穿出保护罩由伸出的中空固定轴引出，与驱动控制模块电连接。
4、如权利要求3所述的全密封式伺服驱动轮，其特征在于；所述至少两个光电检测元件沿圆周方向距离为光栅节距的k+1/4倍，从而两者的输出信号相位差90°。
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