CN102001094B - 可靠性关节控制驱动组件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可靠性关节控制驱动组件及其控制方法，所述的可靠性关节控制驱动组件由冗余驱动装置和控制装置组成；所述的冗余驱动装置包括驱动电机A、驱动电机B、齿轮系、电机架、壳体和行星减速器。所述的控制装置由外壳、中心控制单元、电源模块、接线端子、电机驱动器和电源适配器组成。该可靠性关节控制驱动组件将具有扭矩限制器的齿轮系机构与行星减速器相融合，并采取了增加冗余驱动器的方式，是一种既具有备份功能，又具有低功耗、大扭矩、精度高、力学性能好且振动小等优点的新型关节冗余驱动组件。

Description

可靠性关节控制驱动组件及其控制方法

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体涉及一种可靠性关节控制驱动组件及其控制方法。

背景技术

随着技术的进步，越来越多的机械装置被应用在如航空航天、医疗及核工业等领域中。在空间环境下，如果运动关节发生故障将可能导致整个机械装置无法完成任务，而操作人员又难以接触，后果非常严重。机械装置的关节运动是依靠关节驱动器的工作来实现的，因此提高关节驱动器的可靠性具有非常重要的意义。

按照机械设计理论，机构的自由度应该与驱动器数目相等。对于单关节机构，例如瑞士的RUAG公司研制的用于调整太阳翼帆板朝向阳光角度的驱动组件，具有一个驱动器，如果该驱动器损坏，则整个关节功能失效；对于多关节机构，例如串行的机械臂，少则三、四个关节，多则十几个关节，每个关节要完成产生与传递动力、位置感知和机械连接三个任务，当某个关节驱动装置失效后，根据串联机械臂容错方法，还是有可能完成特定任务的，但是不能解决关节可靠性的根本问题。由参考文献[1]：焦建民，周军，李欢.故障容错串联机械臂设计方法研究[J].机器人，2003，25(7)：643-647.中记载了利用串联机械臂容错方法，虽然有可能完成特定任务，但没有解决关节可靠性的根本问题。传统的可靠性方法只靠采用高质量的元器件来实现，然而这还不够，系统冗余也是有效的可靠性技术，这起源于冯·诺依曼的计算机可靠性技术。例如，太阳翼展开的释放装置就采用了冗余电起爆器的设计方式。有些驱动组件也采用了冗余驱动器或冗余绕组的设计，如参考文献[2]：甘顺水，孙汉旭，贾庆轩等.基于双绕组无刷电机的冗余控制系统设计[J].仪表技术，2009，2：38-40.但其只有简单的备份作用，并不能实现驱动器协同工作，因此不能被称为冗余驱动。冗余驱动方式是指驱动器的数目大于机构的自由度数，具有低功耗、大扭矩、精度高、力学性能好等优点，如参考文献[3]：白志富，梁辉，陈五一.冗余并联机构的内力及应用.机械设计与研究[J]，2006，22(4)：13-16中就记载了这些优点。但是，至今还没有将冗余驱动机制应用到高可靠性关节控制驱动装置的相关技术。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种可靠性关节控制驱动组件及其控制方法，本发明中将具有扭矩限制器的齿轮系机构与行星减速器相融合，并通过增加电机驱动器的方式，设计出一种既具有备份功能，又具有低功耗、大扭矩、精度高、力学性能好且振动小等优点的新型关节冗余驱动组件。

所述的可靠性关节控制驱动组件由冗余驱动装置和控制装置组成。所述的冗余驱动装置包括驱动电机A、驱动电机B、电机架、壳体和行星减速器；所述的电机架的一侧具有台阶面，从上至下地布置有上轴承位、中轴承位和下轴承位；电机架的另一侧上部具有两个平行的凸台，分别并行连接着驱动电机A和驱动电机B，为冗余驱动装置提供动力输入；下部具有法兰盘，行星减速器通过四个周向分布的螺钉连接固定在该法兰盘上。驱动电机A和驱动电机B分别或协同将力矩通过齿轮系输入行星减速器，实现了冗余驱动装置的力矩输出。所述的壳体与电机架的台阶面一侧相扣合，并用螺钉固定。所述的冗余驱动装置还包括有齿轮系，包容在壳体和电机架之间，为驱动电机A和驱动电机B的输入进行齿轮传动，并实现力矩过载保护功能。

所述的齿轮系包括小齿轮A、小齿轮B、齿轮轴A、轴承对A、孔用弹性卡圈A、齿轮轴B、轴承对B、孔用弹性卡圈B、传动轴组件、轴承C、轴承D和孔用弹性卡圈C。

所述的驱动电机A的电机轴上固定着小齿轮A，驱动电机B的电机轴上固定着小齿轮B，所述的小齿轮A与小齿轮B平行布置；所述的齿轮轴A两端套着轴承对A，齿轮轴A和轴承对A通过一对孔用弹性卡圈A定位在电机架的上轴承位和壳体的台阶孔A之间，并使小齿轮A和小齿轮B同时与齿轮轴A的大齿轮A部分相啮合；所述的齿轮轴B两端套着轴承对B，齿轮轴B和轴承对B通过一对孔用弹性卡圈B定位在电机架的中轴承位和壳体的台阶孔B之间，并使齿轮轴B的大齿轮B与齿轮轴A的小齿轮C相啮合。

所述的传动轴组件包括传动轴、扭矩限制器、平键、轴用弹性卡圈和大齿轮C；所述的扭矩限制器包括轴套、碟簧、扭矩调节刻度盘、作用环、滚珠、小法兰盘和紧定螺钉；通过小法兰盘和轴套的限位钢珠，实现小法兰盘和轴套之间的相对转动，扭矩调节刻度盘与轴套螺纹连接，并套在轴套的外侧，拧紧扭矩调节刻度盘上的紧定螺钉，使扭矩调节刻度盘与轴套定位，并通过碟簧将作用环和滚珠压至小法兰盘。

所述的大齿轮C通过螺钉固定在扭矩限制器的小法兰盘上，扭矩限制器的轴套套在传动轴上，通过平键和轴用弹性卡圈分别实现扭矩限制器在传动轴上的径向和轴向定位；传动轴的两端分别安装着轴承C与轴承D，传动轴、轴承C和轴承D通过孔用弹性卡圈C和台阶孔C连接定位在电机架的下轴承位和壳体之间；传动轴靠近轴承D的一端为行星减速器的输入端。

所述的控制装置包括光电码盘A、光电码盘B、接近开关和控制柜；所述的光电码盘A连接在驱动电机A的后端，所述的光电码盘B连接在驱动电机B的后端，光电码盘A和光电码盘B用于向电机驱动器发送检测驱动电机A和驱动电机B的转速和角位移的方波信号，且光电码盘A和光电码盘B分别与控制柜相连接；所述的接近开关用于检测过载信号，通过扁螺母固定在壳体底部的长孔上，并与扭矩限制器的作用环相对设置；所述的控制装置还包括有单独设置的到位开关，仅与控制柜相连接用于检测冗余驱动装置所设定运动的完成情况。

所述的控制柜由外壳和内容物组成；所述的内容物包括中心控制单元、电源模块、接线端子、电机驱动器和电源适配器。所述的外壳底板与顶盖之间安装有隔板，通过隔板将控制柜分隔为上下两层，每一层都安装有接线端子用于辅助连线，中心控制单元和电源模块安装在隔板的上表面，电机驱动器和电源适配器安装在控制柜的底板上表面。

所述的外壳的前面板的外表面布置有显示屏、急停开关、电源开关、选择开关、速度设定旋钮、位置设定旋钮、八个按钮、到位指示灯和过载指示灯，所述的八个按钮分别为自动正转按钮、自动反转按钮、暂停按钮、停止按钮、手动正转按钮、手动反转按钮、驱动电机A上电按钮和驱动电机B上电按钮。

所述的外壳前面板的急停开关与电源开关均串联接入到220V交流电源接口与电源适配器之间，驱动电机A上电按钮与驱动电机B上电按钮分别与两个电机驱动器相连接，两个驱动电机驱动器之间通过CAN总线相通信，用于驱动电机A和驱动电机B之间的切换和联系。外壳前面板的显示屏、选择开关、速度设定旋钮、位置设定旋钮、自动正转按钮、自动反转按钮、暂停按钮、停止复位按钮、手动正转按钮、手动反转按钮、到位指示灯与过载指示灯均与中心控制单元的接口相连接。

所述的外壳后面板上布置有驱动电机A航空插座、驱动电机B航空插座、接近开关航空插座、到位开关航空插座、控制方式选择开关和220V交流电源接口。

所述的220V交流电源接口连接到控制柜内部的电源适配器，并将电源适配器连接到电源模块和电机驱动器的电源接口上。所述的中心控制单元与电源模块的5V输出端相连接获取供电；所述的接近开关的线缆与控制柜后面板的接近开关航空插座相连接，到位开关航空插座与到位开关相连接。所述的控制方式选择开关串联在电源模块的5V输出端和中心控制单元之间。外壳后面板的驱动电机A航空插座和驱动电机B航空插座与电机驱动器相连接；接近开关航空插座与到位开关航空插座均与电机驱动器和中央控制单元相连接；光电码盘A的尾部伸出的线缆与控制柜后面板的驱动电机A航空插座相连接，光电码盘B的尾部伸出的线缆与控制柜后面板的驱动电机B航空插座相连接。

所述的选择开关具有两个模式位置。当选择开关处于手动模式位置时，冗余驱动装置处于手动模式，通过速度设定旋钮以及显示屏的显示信息调整设定运行速度，保持按压手动正转按钮或手动反转按钮，冗余驱动装置进行正转或反转运动，松开后运动即停止。当选择开关处于自动模式位置时，通过速度设定旋钮、位置设定旋钮以及显示屏的显示信息调整设定冗余驱动装置的运行位置和速度，点击自动正转按钮，冗余驱动装置将会按照设定的速度进行自动正转；点击自动反转按钮，冗余驱动装置将会按照设定的速度进行自动反转；在转动过程中，点击暂停按钮，冗余驱动装置暂停运动，但本次运动状态并不取消，再次点击暂停按钮，冗余驱动装置继续运动，在暂停状态下点击停止按钮则终止本次操作。

本发明提出一种可靠性关节控制驱动组件的控制方法，当冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A和驱动电机B分别处于备份工作状态下时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：将中心控制单元初始化，定义的速度设置变量和角度设置变量，读取速度设定旋钮和位置设定旋钮的设定值，初始化显示屏，通过向电机驱动器发送电机使能命令，使驱动电机A和驱动电机B上电，定义并设置最长过载时间变量t。

步骤二：通过选择开关选择自动模式，通过控制方式选择开关选择备份模式，根据显示屏的显示信息，调整冗余驱动装置的速度和位置参数，并发送到中心控制单元。

步骤三：检测到自动正转按钮或自动反转按钮按下后，中心控制单元通过电机驱动器选择驱动电机A作为主动电机开始正转或反转运转，驱动电机B从动，光电码盘A向电机驱动器发送用于测转速和测角位移的方波信号。

步骤四：中心控制单元判断电机驱动器检测驱动电机A是否发生掉电故障，当驱动电机A发生掉电故障，则中心控制单元通过电机驱动器启动驱动电机B取代驱动电机A作为主电机工作，光电码盘B取代光电码盘A工作，并在显示屏上显示，如驱动电机A未发生掉电故障，则状态不变。

步骤五：检测暂停按钮是否按下，是则进入步骤六，否则进入步骤七。

步骤六：工作的主电机暂停，并在中心控制单元的存储计算芯片中存储冗余驱动装置的速度和位置信息，当检测到暂停按钮取消暂停动作，恢复运转，进入步骤七，当检测到停止复位按钮按下，则进入步骤九。

步骤七：检测冗余驱动装置的运行是否到位，是则进入步骤九，否则进入步骤八。

步骤八：检测接近开关的信号，判断是否过载及记录过载时间，当过载时间超过t则进入步骤九，否则回到步骤三。

步骤九：本次操作结束。

当冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A和驱动电机B处于协同工作时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：将中心控制单元初始化，定义的速度设置变量和角度设置变量，读取速度设定旋钮和位置设定旋钮的设定值，初始化显示屏，通过向电机驱动器发送电机使能命令，使驱动电机A和驱动电机B上电，定义并设置最长过载时间变量t。

步骤二：通过选择开关选择自动模式，通过控制方式选择开关选择协同模式，根据显示屏的显示信息，调整冗余驱动装置的速度和位置参数，并发送到中心控制单元。

步骤三：检测自动正转按钮和自动反转按钮信息，检测到自动正转按钮或自动反转按钮按下后，中心控制单元通过电机驱动器使驱动电机A按照设定的速度参数运转，根据电机驱动器读取的驱动电机A的电流值，来给定驱动电机B的电流环，光电码盘A3向电机驱动器发送用于测转速和测角位移的方波信号，电机驱动器和中心控制单元互相通信，并在显示屏上显示。

步骤四：检测暂停按钮是否按下，是则进入步骤五，否则进入步骤六。

步骤五：驱动电机A与驱动电机B暂停，在中心控制单元的存储计算芯片中存储冗余驱动装置的速度和位置信息，当检测到暂停按钮取消暂停动作，恢复运转，进入步骤六，、当检测到停止复位按钮按下进入步骤八。

步骤六：通过到位开关检测冗余驱动装置的运行是否到位，当到位时进入步骤八，否则进入步骤七。

步骤七：检测接近开关的信号，判断是否过载及记录过载时间，当过载时间超过t则进入步骤八，否则回到步骤三。

步骤八：本次操作结束。

本发明具有以下优点：

1、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件，将具有扭矩限制器的齿轮系机构与行星减速器相融合，并通过增加冗余驱动器的方式，设计出的驱动组件既具有备份功能，又具有低功耗、大扭矩、精度高、力学性能好且振动小等优点。

2、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件，驱动装置的两个电机可以一个主动工作，另一个从动，当主动电机出现掉电故障时，从动电机可以自动启动，从而提高了驱动组件的可靠性。

3、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件的两个驱动电机可以协同工作，从而提高了驱动装置的负载能力和力学性能。

4、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件，具有驱动装置和控制装置，不仅能直观方便的控制驱动组件的工作，还能实时监控驱动装置的工作状态以及读取工作电压、电流、速度和位置等参数。

5、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件，采用了扭矩限制器，可有效避免外载荷过大或误操作时对驱动器造成的损害，接近开关安装在外壳上，与扭矩限制器的作用环相对设置，可将过载信息传送给控制柜。

6、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件，采用模块化设计，而且控制柜的顶盖打开就可以看见电路板，方便拆装与维修。

7、本发明公开的一种可靠性关节控制驱动组件，驱动装置与控制柜之间设置有航空插座连接，方便可靠。

附图说明

图1：本发明提出的可靠性关节驱动组件的驱动装置的整体结构示意图；

图2：本发明提出的可靠性关节驱动组件的驱动装置的剖面图；

图3：本发明提出的可靠性关节驱动组件的驱动装置的传动轴组件结构示意图；

图4：本发明提出的可靠性关节驱动组件的控制柜的内部结构示意图；

图5：本发明提出的可靠性关节驱动组件的控制柜的外观示意图；

图6：本发明提出的可靠性关节驱动组件的控制柜前面板的配置示意图；

图7：本发明提出的可靠性关节驱动组件的控制柜后面板的配置示意图；

图8：本发明提出的可靠性关节驱动组件的控制柜整体电路系统示意图；

图9：本发明提出的可靠性关节驱动组件的冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A和驱动电机B处于备份工作时的控制方法流程图；

图10：本发明提出的可靠性关节驱动组件的冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A和驱动电机B处于协同工作时的控制方法流程图。

图中：

1-电机架；        2-驱动电机A；    3-光电码盘A；      4-孔用弹性卡圈B；

5-轴承D；         6-孔用弹性卡圈C；7-大齿轮C；        8-平键；

9-扭矩限制器；    10-扁螺母；      11-接近开关；      12-轴用弹性卡圈；

13-轴承C；        14-传动轴；      15-壳体；          16-轴承对B；

17-齿轮轴A；      18-轴承对A；     19-孔用弹性卡圈    20-齿轮轴B；

                                   A；

21-小齿轮A；      22-行星减速器；  23-驱动电机B；     24-光电码盘B；

25-小法兰盘；     26-轴套；        27-滚珠；          28-作用环；

29-碟簧；         30-扭矩调节刻度  31-紧定螺钉；      32-中心控制单元；

                  盘；

33-电源模块；     34-接线端子；    35-电机驱动器；    36-电源适配器；

37-前面板；       38-顶盖；        39-后面板；        40-显示屏；

41-选择开关；     42-速度设定旋钮；43-位置设定旋钮；  44-自动正转按钮；

45-自动反转按钮； 46-暂停按钮；    47-停止复位按钮；  48-手动正转按钮；

49-手动反转按钮； 50-到位指示灯；  51-过载指示灯；    52-驱动电机A上电

                                                      按钮；

53-驱动电机B上    54-急停开关；    55-电源开关；      56-驱动电机A航空

电按钮；                                              插座；

57-驱动电机B航        58-接近开关航空插  59-到位开关航空插    60-控制方式选择

空插座；              座；               座；                 开关；

61-220V交流电源接口；                    62-底板；            63-隔板；

1701-大齿轮A；        1702-小齿轮C；     2001-大齿轮B；       2002-小齿轮D。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提出一种可靠性关节控制驱动组件及其控制方法，所述的可靠性关节控制驱动组件包括冗余驱动装置和控制装置；所述的冗余驱动装置包括驱动电机A2、驱动电机B23、电机架1、壳体15和行星减速器22，如图1所示。所述的电机架1的一侧为台阶面，从上至下地布置有上轴承位、中轴承位和下轴承位；电机架1的另一侧上部具有两个平行的凸台，分别并行连接着驱动电机A2和驱动电机B23，为冗余驱动装置提供动力输入；电机架1的凸台一侧下部为法兰盘，行星减速器22通过四个周向分布的螺钉连接固定在该法兰盘上。所述的壳体15与电机架1的台阶面一侧相扣合，并用螺钉固定，壳体15上具有与上轴承位、中轴承位和下轴承位相对应的台阶孔A、台阶孔B和台阶孔C，所述的冗余驱动装置还包括有齿轮系，位于壳体15和电机架1的台阶面之间，为驱动电机A2和驱动电机B23的输出进行齿轮传动，并实现力矩过载保护功能。

如图2所示，所述的齿轮系包括小齿轮A21、小齿轮B、齿轮轴A17、轴承对A18、孔用弹性卡圈A19、齿轮轴B20、轴承对B16、孔用弹性卡圈B4、传动轴组件、轴承C13、轴承D5和孔用弹性卡圈C6。所述的驱动电机A2的电机轴上用螺纹胶固定着小齿轮A21，同理，驱动电机B23的电机轴上用螺纹胶固定着小齿轮B，所述的小齿轮B与小齿轮A21平行布置，在图2中，驱动电机B23与小齿轮B随电机架1的剖切而不在图中显示；所述的齿轮轴A17两端套着轴承对A18，齿轮轴A20和轴承对A18通过一对孔用弹性卡圈A19定位在电机架1的上轴承位和壳体15的台阶孔A之间，并保证小齿轮A21和小齿轮B同时与齿轮轴A17的大齿轮A1701部分相啮合；所述的齿轮轴B20两端套着轴承对B16，齿轮轴B20和轴承对B16通过一对孔用弹性卡圈B4定位在电机架1的中轴承位和壳体15的台阶孔B之间，并保证齿轮轴B20的大齿轮B2001与齿轮轴A17的小齿轮C1702相啮合。

所述的传动轴组件包括传动轴14、扭矩限制器9、平键8、轴用弹性卡圈12和大齿轮C7；所述的扭矩限制器9能在传递扭矩过大时保护电机和齿轮，如图3所示，扭矩限制器9包括轴套26、碟簧29、扭矩调节刻度盘30、作用环28、滚珠27、小法兰盘25和紧定螺钉31。通过由小法兰盘25和轴套26的限位钢珠，小法兰盘25和轴套26之间可以相对转动，扭矩调节刻度盘30与轴套26螺纹连接，并套在轴套26的外侧，拧紧扭矩调节刻度盘30上的紧定螺钉31，使扭矩调节刻度盘30与轴套26定位，通过碟簧29和作用环28使滚珠27压紧至小法兰盘25的凹槽中。所述的大齿轮C7通过四个周向均匀分布的螺钉连接固定在扭矩限制器9的小法兰盘25上，并保证大齿轮C7与齿轮轴B20的小齿轮D2002相啮合。扭矩限制器9的轴套26套在传动轴14上，通过平键8和轴用弹性卡圈12分别实现扭矩限制器9在传动轴14上的径向和轴向定位；传动轴14的两端分别安装着轴承C13与轴承D5，如图2，传动轴14、轴承C13和轴承D5通过孔用弹性卡圈C6连接定位在电机架1的下轴承位和壳体15的台阶孔C之间；传动轴14靠近轴承D5的一端为行星减速器22的输入端，传动轴14与行星减速器22的一级太阳齿轮过盈配合安装。

经过上述连接的冗余驱动装置，驱动电机A2和驱动电机B23通过小齿轮A21和小齿轮B可以分别或协同将力矩传递给齿轮轴A17的大齿轮A1701，使齿轮轴A17转动，齿轮轴A17的转动带动小齿轮C1702转动，再经齿轮轴B20的大齿轮B2001的转动传递，使齿轮轴B20转动，即使其小齿轮D2002转动，再经齿轮轴B20的小齿轮D2002将力矩传递到大齿轮C7，再经大齿轮C7传递到扭矩限制器9的小法兰盘25，小法兰盘25具有凹槽，滚珠27被碟簧29压紧在凹槽内，通过凹槽壁与滚珠27的挤压，力矩传递给滚珠27，滚珠27与具有滚珠位的作用环28径向定位，从而带动作用环28，通过与作用环28相联接的轴套26之后通过平键8将力矩传递给传动轴14。由传动轴14将力矩输入至行星减速器22，经行星减速器22将力矩传递给与行星减速器输出轴相联接的转动关节，完成冗余驱动装置的输出，这样实现了冗余驱动装置的力矩输出。

如图1、图2和图4，所述的控制装置包括光电码盘A3、光电码盘B24、接近开关11和控制柜。如图1，所述的光电码盘A3连接在驱动电机A2的后端，所述的光电码盘B24连接在驱动电机B23的后端，光电码盘A3和光电码盘B24用于向电机驱动器35发送检测驱动电机A2和驱动电机B23的转速和角位移的方波信号。所述的接近开关11用于检测过载信号，如图2，通过扁螺母10固定在壳体15底部的长孔上，并与扭矩限制器9的作用环28相对设置，接近开关11与作用环28的初始相对位置可以调整，通过松开扁螺母10，使接近开关11在长孔中移动，再重新拧紧扁螺母10。所述的到位开关用于检测冗余驱动装置所设定运动的完成情况，完成运动的方式可通过触碰到位开关来判断，到位开关为单独设置的装置，仅与到位开关航空插座相连接。

所述的控制柜由外壳和内容物组成，如图4所示，所述的内容物包括中心控制单元32、电源模块33、接线端子34、电机驱动器35和电源适配器36。

所述的控制柜外壳，如图5所示，所述的控制柜外壳的底板62与顶盖38之间安装有隔板63，如图4，通过隔板63将控制柜内部分隔为两层，每一层的边缘都安装有接线端子34用于辅助连线，中心控制单元32和电源模块33安装在隔板63的上表面，电机驱动器35和电源适配器36安装在控制柜的底板62内表面，所述的中心控制单元32内部包括A/D转换单元、存储计算芯片、电压转换模块、用于消除信号干扰的光电隔离模块、用于辅助电路控制模式切换的继电器模块和滤波模块，如图8所示。

如图6所示，所述的外壳的前面板37的外表面布置有显示屏40、急停开关54、电源开关55、选择开关41、速度设定旋钮42、位置设定旋钮43、自动正转按钮44、自动反转按钮45、暂停按钮46、停止复位按钮47、手动正转按钮48、手动反转按钮49、驱动电机A2上电按钮52和驱动电机B23上电按钮53、到位指示灯50和过载指示灯51。

所述的驱动电机A上电按钮52与驱动电机B上电按钮53分别与控制柜内部的两个电机驱动器35相连接，两个电机驱动器35之间通过CAN总线相通信，用于驱动电机A2和驱动电机B23之间的切换和联系。前面板37的显示屏40、选择开关41、速度设定旋钮42、位置设定旋钮43、自动正转按钮44、自动反转按钮45、暂停按钮46、停止复位按钮47、手动正转按钮48、手动反转按钮49、到位指示灯50与过载指示灯51均与中心控制单元32的接口相连接，如图8所示。

所述的外壳的后面板39上布置有驱动电机A航空插座56、驱动电机B航空插座57、接近开关航空插座58、到位开关航空插座59、控制方式选择开关60和220V交流电源接口61，如图7所示。

所述的220V交流电源接口61连接到控制柜内部的电源适配器36，电源适配器36输出28V直流电压，并将电源适配器36连接到电源模块33和电机驱动器35的电源接口上，电源模块33可以输出5V与24V直流电压，中心控制单元32与电源模块33的5V输出端相连接获取供电。所述的前面板37上的急停开关54与电源开关55均串联接入到后面板的220V交流电源接口61与电源适配器36之间。接近开关11的线缆与控制柜后面板39的接近开关航空插座58相连接，到位开关航空插座59与到位开关相连接，控制方式选择开关60串联在电源模块33的5V电压输出和中心控制单元32之间，控制方式选择开关60具有两个选择接合位置，分别为备份位置和协同位置，当处于备份位置时，可控制驱动装置的驱动电机A2和驱动电机B23一个主动工作，另一个从动；当处于协同位置时，驱动电机A2和驱动电机B23协同工作。后面板39的驱动电机A航空插座56和驱动电机B航空插座57与电机驱动器35相连接；接近开关航空插座58与到位开关航空插座59均与电机驱动器35和中央控制单元32相连接；光电码盘A3的尾部伸出的线缆与控制柜后面板39的驱动电机A航空插座相连接，光电码盘B24的尾部伸出的线缆与控制柜的外壳的后面板39的驱动电机B航空插座相连接。

控制柜通过外壳的前面板37对冗余驱动装置进行操作，所述的选择开关41处于两个选择位置，分别为自动模式位置和手动模式位置，当选择开关41指向自动模式位置时，冗余驱动装置处于自动模式，通过速度设定旋钮42、位置设定旋钮43以及显示屏40的显示信息可以调整设定冗余驱动装置的运行位置和速度，点击自动正转按钮44，冗余驱动装置将会按照设定的速度进行自动正转；点击自动反转按钮45，冗余驱动装置将会按照设定的速度进行自动反转；在转动过程中，点击暂停按钮46，冗余驱动装置暂停运动，但本次运动状态并不取消，再次点击暂停按钮46，冗余驱动装置继续运动，在暂停状态下点击停止复位按钮47则终止本次操作，冗余驱动组件有两种完成运动的方式，分别为达到冗余驱动装置前面板37的位置设定旋钮43设定的运行位置和触碰到位开关。

当选择开关41指向手动模式位置时，冗余驱动装置处于手动模式，通过速度设定旋钮42以及显示屏40的显示信息可以调整设定运行速度，保持按压手动正转按钮48或手动反转按钮49，冗余驱动装置会按照设定的速度进行正转或反转运动，松开后运动即停止。

在冗余驱动装置运转过程中，如果冗余驱动装置超载，可能会导致齿轮系、驱动电机A2或驱动电机B23的损坏。针对这种情况，冗余驱动装置采用了扭矩限制器9，超载会使扭矩限制器9传递的力矩过大，当该力矩超过扭矩限制器9设定的传递力矩的最大值时，扭矩限制器9的滚珠27将会从小法兰盘25的凹槽中脱出，从而使作用环28向远离小法兰盘25的一侧移动，主被动传动完全打滑脱开；由于接近开关11与作用环28相对设置，作用环28移动后就进入到接近开关11的检测范围，于是接近开关11产生电信号并传送至控制柜，控制系统可以根据过载信息进行处理；过载消失后，在碟簧29的作用下滚珠27自动复位，作用环28回归。扭矩限制器9的最大传递扭矩在一定范围内是可以调整的，松开紧定螺钉31并旋转扭矩调节刻度盘30，从而改变碟簧29的预紧力，也就改变了脱开扭矩大小，之后拧紧紧定螺钉31；通过调整，可以使行星减速器22输出的负载最大值在50Nm到100Nm之间设定。

通过外壳前面板37的显示屏40对驱动组件进行实时监测，在显示屏40上可以显示设置的运行速度和自动模式下运行位置、实际的运行速度和实际运行的位置、系统电压、驱动电机A2和驱动电机B23的电流、冗余驱动装置的运行模式、到位开关的状态和接近开关11的状态信息；按下急停开关54后，整个可靠性关节驱动组件将断电。

所述的电机驱动器35优选为瑞士Maxon公司生产型号为EPOS70/10；所述的扭矩限制器9优选为德国R+W公司生产，其型号为SKP-1.5。

所述的控制方式选择开关具有备份位置和协同位置，当处于备份位置时，驱动电机A2和驱动电机B23处于备份工作状态，驱动电机A2和驱动电机B23中一个主动工作，另一个从动，当电机驱动器35检测到主动电机出现掉电故障时，从动电机可以自动启动；或者，由于驱动电机A2和驱动电机B23之间传动效率非常高，可以协同工作，从而提高了冗余驱动装置的负载能力和其它力学性能，当控制方式选择开关在协同位置时，驱动电机A2和驱动电机B23协同工作，这两种工作方法可以跟据实际的工作条件来人为进行设定；打开控制柜的顶盖38，就可以直接看到中心控制单元32，方便修改、拆装与维修。

本发明提出的可靠性关节控制驱动组件的控制方法：包括冗余驱动装置处于自动模式或手动模式下，驱动电机A2和驱动电机B23处于备份工作或协同工作状态下的四种不同的控制方法。其中冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A2和驱动电机B23处于备份工作状态时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法，如图9所示，包括以下几个步骤：

步骤一：将中心控制单元32初始化，在程序中定义速度设置变量和角度设置变量，读取速度设定旋钮和位置设定旋钮的设定值，初始化显示屏40，通过向电机驱动器35发送电机使能命令，使驱动电机A2和驱动电机B23上电，在程序中定义并设置最长过载时间变量t。

步骤二：通过控制柜前面板37的选择开关选择自动模式，通过控制柜后面板39的控制方式选择开关60选择备份模式，根据显示屏40的显示信息，用速度设定旋钮40和位置设定旋钮43调整冗余驱动装置的速度和位置参数，并发送到中心控制单元32。

步骤三：检测自动正转按钮44和自动反转按钮45信息，检测到自动正转按钮44或自动反转按钮45按下后，中心控制单元32通过电机驱动器35选择驱动电机A2作为主动电机开始正转或反转运转，驱动电机B23从动，同时光电码盘A3向电机驱动器35发送用于测转速和测角位移的方波信号。

步骤四：电机驱动器35检测驱动电机A2是否发生掉电故障，如驱动电机A2发生掉电故障，则中心控制单元32通过电机驱动器35启动驱动电机B23取代驱动电机A2作为主电机工作，光电码盘B24取代光电码盘A3工作，并在控制柜前面板37的显示屏上显示，如驱动电机A2未发生掉电故障，则状态不变。

步骤五：检测暂停按钮46是否按下，是则进入步骤六，否则进入步骤七。

步骤六：工作的主电机暂停，并在中心控制单元32的存储计算芯片中存储冗余驱动装置的速度和位置信息，若检测到暂停按钮46取消暂停动作，恢复运转，进入步骤七，若检测到停止复位按钮47按下，则进入步骤九。

步骤七：检测冗余驱动装置的运行是否到位，是则进入步骤九，否则进入步骤八。

步骤八：检测接近开关11的信号，判断是否过载及记录过载时间，若过载时间超过t则进入步骤九，否则回到步骤三。

步骤九：本次操作结束。

当冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A2和驱动电机B23处于协同工作时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法，如图10所示，包括以下几个步骤：

步骤一：将中心控制单元32初始化，在程序中定义速度设置变量和角度设置变量，读取速度设定旋钮42和位置设定旋钮43的设定值，初始化显示屏40，通过向电机驱动器35发送电机使能命令，使驱动电机A2和驱动电机B23上电，在程序中定义并设置最长过载时间变量t。

步骤二：通过控制柜前面板37的选择开关41选择自动模式，通过控制柜后面板39的控制方式选择开关60选择协同模式，根据显示屏40的显示信息，用速度设定旋钮42和位置设定旋钮43调整冗余驱动装置的速度和位置参数，并发送到中心控制单元32。

步骤三：检测自动正转按钮44和自动反转按钮45信息，检测到自动正转按钮44或自动反转按钮45按下后，中心控制单元32通过电机驱动器35使驱动电机A2按照设定的速度参数运转，根据电机驱动器35读取的驱动电机A2的电流值，来给定驱动电机B23的电流环，同时光电码盘A3向电机驱动器35发送用于测转速和测角位移的方波信号，电机驱动器35和中心控制单元32互相通信，并在控制柜前面板37的显示屏上显示。

步骤四：检测暂停按钮46是否按下，是则进入步骤五，否则进入步骤六。

步骤五：驱动电机A2与驱动电机B23暂停，在中心控制单元32的存储计算芯片中存储驱动装置的速度和位置信息，若检测到暂停按钮46取消暂停动作，恢复运转，进入步骤六，若检测到停止复位按钮47按下进入步骤八。

步骤六：通过到位开关检测冗余驱动装置的运行是否到位，到位则进入步骤八，否则进入步骤七。

步骤七：检测接近开关11的信号，判断是否过载及记录过载时间，若过载时间超过t则进入步骤八，否则回到步骤三。

步骤八：本次操作结束。

当冗余驱动装置处于手动模式下，驱动电机A2和驱动电机B23分别处于备份工作或协同工作状态时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法与上述冗余驱动装置处于自动模式下，驱动电机A2和驱动电机B23分别处于备份工作或协同工作状态时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法基本相同，均通过速度设定旋钮42以及显示屏40的显示信息调整设定运行速度，保持按压手动正转按钮48或手动反转按钮49，冗余驱动装置会按照设定的速度进行正转或反转运动，松开后运动即停止；与冗余驱动装置处于自动模式不同的控制方法不同的是，手动模式运行过程中，手动正转按钮48或手动反转按钮49要持续按压，运行过程中，其他的控制方法与相应的自动模式下的控制方法完全相同。

Claims (6)

1.一种可靠性关节控制驱动组件，其特征在于：包括冗余驱动装置和控制装置；

所述的冗余驱动装置包括驱动电机A、驱动电机B、电机架、壳体和行星减速器；所述的电机架的一侧具有台阶面，另一侧上部具有两个平行的凸台，两个平行的凸台分别并行连接着驱动电机A和驱动电机B，为冗余驱动装置提供动力输入；电机架具有凸台的一侧的下部具有法兰盘，行星减速器固定在该法兰盘上；所述的壳体与电机架的台阶面一侧相扣合，并用螺钉固定；驱动电机A和驱动电机B将力矩通过齿轮系输入行星减速器；

所述的齿轮系包容在壳体和电机架之间；该齿轮系包括小齿轮A、小齿轮B、齿轮轴A、轴承对A、孔用弹性卡圈A、齿轮轴B、轴承对B、孔用弹性卡圈B、传动轴组件、轴承C、轴承D和孔用弹性卡圈C；

所述的驱动电机A的电机轴上固定着小齿轮A，驱动电机B的电机轴上固定着小齿轮B，所述的小齿轮A与小齿轮B平行布置；所述的齿轮轴A两端套着轴承对A，齿轮轴A和轴承对A通过一对孔用弹性卡圈A定位在电机架的上轴承位和壳体的台阶孔A之间，并使小齿轮A和小齿轮B同时与齿轮轴A的大齿轮A部分相啮合；所述的齿轮轴B两端套着轴承对B，齿轮轴B和轴承对B通过一对孔用弹性卡圈B定位在电机架的中轴承位和壳体的台阶孔B之间，并使齿轮轴B的大齿轮B与齿轮轴A的小齿轮C相啮合；

所述的传动轴组件包括传动轴、扭矩限制器、平键、轴用弹性卡圈和大齿轮C；所述的扭矩限制器包括轴套、碟簧、扭矩调节刻度盘、作用环、滚珠、小法兰盘和紧定螺钉；小法兰盘和轴套之间通过限位钢珠实现相对转动，扭矩调节刻度盘与轴套螺纹连接，并套在轴套的外侧，拧紧扭矩调节刻度盘上的紧定螺钉，使扭矩调节刻度盘与轴套定位，并通过碟簧将作用环和滚珠压至小法兰盘；

所述的大齿轮C通过螺钉固定在扭矩限制器的小法兰盘上，扭矩限制器的轴套套在传动轴上，通过平键和轴用弹性卡圈分别实现扭矩限制器在传动轴上的径向和轴向定位；传动轴的两端分别安装着轴承C与轴承D，传动轴、轴承C和轴承D通过孔用弹性卡圈C和台阶孔C连接定位在电机架的下轴承位和壳体之间；传动轴靠近轴承D的一端为行星减速器的输入端;

所述的控制装置包括光电码盘A、光电码盘B、接近开关和控制柜；所述的光电码盘A连接在驱动电机A的后端，所述的光电码盘B连接在驱动电机B的后端，且光电码盘A和光电码盘B分别与控制柜相连接；所述的接近开关固定在壳体底部的长孔上；

所述的控制柜由外壳和内容物组成；所述的内容物包括中心控制单元、电源模块、接线端子、电机驱动器和电源适配器；所述的控制柜的底板与顶盖之间安装有隔板，通过隔板将控制柜分隔为两层，每一层安装有接线端子，中心控制单元和电源模块安装在隔板的上表面， 电机驱动器和电源适配器安装在控制柜的底板的内表面；

所述的外壳的前面板的外表面布置有显示屏、急停开关、电源开关、选择开关、速度设定旋钮、位置设定旋钮、到位指示灯、过载指示灯、自动正转按钮、自动反转按钮、暂停按钮、停止复位按钮、手动正转按钮、手动反转按钮、驱动电机A上电按钮和驱动电机B上电按钮；

所述的外壳的前面板的急停开关与电源开关均串联接入到220V交流电源接口与电源适配器之间，驱动电机A上电按钮与驱动电机B上电按钮分别与两个电机驱动器相连接，两个电机驱动器之间通过CAN总线相通信；前面板的显示屏、选择开关、速度设定旋钮、位置设定旋钮、自动正转按钮、自动反转按钮、暂停按钮、停止复位按钮、手动正转按钮、手动反转按钮、到位指示灯以及过载指示灯均与中心控制单元的接口相连接；

所述的外壳的后面板上布置有驱动电机A航空插座、驱动电机B航空插座、接近开关航空插座、到位开关航空插座、控制方式选择开关和220V交流电源接口；

所述的220V交流电源接口连接到电源适配器，并且电源适配器连接到电源模块和电机驱动器的电源接口上；所述的中心控制单元与电源模块输出端相连接获取供电；所述的接近开关航空插座上连接接近开关的线缆，到位开关航空插座上连接到位开关；所述的控制方式选择开关串联在电源模块的输出端和中心控制单元之间；外壳后面板的驱动电机A航空插座和驱动电机B航空插座与电机驱动器相连接；接近开关航空插座与到位开关航空插座均与电机驱动器和中心控制单元相连接；光电码盘A的尾部伸出的线缆与外壳后面板的驱动电机A航空插座相连接，光电码盘B的尾部伸出的线缆与外壳后面板的驱动电机B航空插座相连接。

2.根据权利要求1所述的可靠性关节控制驱动组件，其特征在于：所述的电机架的台阶面一侧从上至下地具有上轴承位、中轴承位和下轴承位，所述的壳体内表面具有台阶孔A、台阶孔B和台阶孔C。

3.根据权利要求1所述的一种可靠性关节控制驱动组件，其特征在于：所述的可靠性关节控制驱动组件还包括单独设置的到位开关，仅与控制柜相连接。

4.根据权利要求1所述的一种可靠性关节控制驱动组件，其特征在于：所述的选择开关具有两个模式位置，当选择开关处于手动模式位置时，冗余驱动装置处于手动模式，通过速度设定旋钮以及显示屏的显示信息调整设定运行速度，保持按压手动正转按钮或手动反转按钮，冗余驱动装置进行正转或反转运动，松开后运动即停止；当选择开关处于自动模式位置时，通过速度设定旋钮、位置设定旋钮以及显示屏的显示信息调整设定冗余驱动装置的运行位置和速度，点击自动正转按钮，冗余驱动装置将会按照设定的速度进行自动正转；点击自动反转按钮，冗余驱动装置将会按照设定的速度进行自动反转；在转动过程中，点击暂停按钮，冗余驱动装置暂停运动，但本次运动状态并不取消，再次点击暂停按钮，冗余驱动装置 继续运动，在暂停状态下点击停止复位按钮则终止本次操作。

5.根据权利要求1所述的一种可靠性关节控制驱动组件，其特征在于：所述的控制方式选择开关具有备份模式位置和协同模式位置，当处于备份模式位置时，驱动电机A和驱动电机B中一个主动工作，另一个从动工作；当控制方式选择开关在协同模式位置时，驱动电机A和驱动电机B处于协同工作状态。

6.根据权利要求1所述的可靠性关节控制驱动组件的控制方法，其特征在于：当冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A和驱动电机B分别处于备份工作状态下时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：将中心控制单元初始化，定义速度设置变量和角度设置变量，读取速度设定旋钮和位置设定旋钮的设定值，初始化显示屏，通过向电机驱动器发送电机使能命令，使驱动电机A和驱动电机B上电，定义并设置最长过载时间变量t；

步骤二：通过选择开关选择自动模式，通过控制方式选择开关选择备份模式，根据显示屏的显示信息，调整冗余驱动装置的速度和位置参数，并发送到中心控制单元；

步骤三：检测到自动正转按钮或自动反转按钮按下后，中心控制单元通过电机驱动器选择驱动电机A作为主动电机开始正转或反转运转，驱动电机B从动，光电码盘A向电机驱动器发送用于测速和测位置的方波信号；

步骤四：中心控制单元判断电机驱动器检测驱动电机A是否发生掉电故障，当驱动电机A发生掉电故障，则中心控制单元通过电机驱动器启动驱动电机B取代驱动电机A作为主动电机工作，光电码盘B取代光电码盘A工作，并在显示屏上显示，如驱动电机A未发生掉电故障，则状态不变；

步骤五：检测暂停按钮是否按下，是则进入步骤六，否则进入步骤七；

步骤六：工作的主动电机暂停，并在中心控制单元的存储计算芯片中存储冗余驱动装置的速度和位置信息，当检测到暂停按钮取消暂停动作，恢复运转，进入步骤七，当检测到停止复位按钮按下，则进入步骤九；

步骤七：检测冗余驱动装置的运行是否到位，是则进入步骤九，否则进入步骤八；

步骤八：检测接近开关的信号，判断是否过载及记录过载时间，当过载时间超过最长过载时间变量t则进入步骤九，否则回到步骤三；

步骤九：本次操作结束；

当冗余驱动装置处于自动模式，驱动电机A和驱动电机B处于协同工作时，可靠性关节控制驱动组件的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤一：将中心控制单元初始化，定义速度设置变量和角度设置变量，读取速度设定旋钮和位置设定旋钮的设定值，初始化显示屏，通过向电机驱动器发送电机使能命令，使驱动 电机A和驱动电机B上电，定义并设置最长过载时间变量t；

步骤二：通过选择开关选择自动模式，通过控制方式选择开关选择协同模式，根据显示屏的显示信息，调整冗余驱动装置的速度和位置参数，并发送到中心控制单元；

步骤三：检测自动正转按钮和自动反转按钮信息，检测到自动正转按钮或自动反转按钮按下后，中心控制单元通过电机驱动器使驱动电机A按照设定的速度设置变量运转，根据电机驱动器读取的驱动电机A的电流值，来给定驱动电机B的电流环，光电码盘A向电机驱动器发送用于测速和测位置的方波信号，电机驱动器和中心控制单元互相通信，并在显示屏上显示；

步骤四：检测暂停按钮是否按下，是则进入步骤五，否则进入步骤六；

步骤五：驱动电机A与驱动电机B暂停，在中心控制单元的存储计算芯片中存储冗余驱动装置的速度和位置信息，当检测到暂停按钮取消暂停动作，恢复运转，进入步骤六，当检测到停止复位按钮按下进入步骤八；

步骤六：通过到位开关检测冗余驱动装置的运行是否到位，当到位时进入步骤八，否则进入步骤七；

步骤七：检测接近开关的信号，判断是否过载及记录过载时间，当过载时间超过最长过载时间变量t则进入步骤八，否则回到步骤三；

步骤八：本次操作结束。 

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