CN104552329B - 驱动控制一体化智能集成关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驱动控制一体化智能集成关节，包括：关节输出构件、谐波减速机、轴承座、关节外壳、电机主体、刹车机构、电机编码器、集成电路模块和关节编码器。该驱动控制一体化智能集成关节具有高度集成的优点，将机器人关节部件所需的电机、驱动器、减速机和传感器模块都集成在关节内部，而且在不会带来集成关节过度发热的前提下，还能够使机器人关节部件的体积更紧凑。此外，该集成关节的内部集成了加速度传感器，能够对集成关节所受外部冲击力进行检测，这是传统工业机器人不具备的先进技术；并且，该集成关节的内部还集成了精确的电流检测器，配合控制器算法可以实现智能示教功能，增强人机交互性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能集成关节，尤其涉及一种驱动控制一体化智能集成关节，属于机器人技术领域。
背景技术
机器人是重要的智能自动化设备，其中工业机器人当前广泛应用于装备制造业、汽车工业等。这类机器人特点是体型重、功率大和负载能力强，但其操作复杂、体积较大和危险性较高，在医疗和家庭服务等领域的应用具有局限性。传统工业机器人关节执行机构都采用分立式的电机和驱动器，电机安装在关节部位，驱动器固定在控制柜中，二者用电缆线进行连接，导致传统工业机器人电气线路繁琐，检修复杂而且未知安全隐患较多，因此轻量化机器人是未来的发展趋势。这种轻量化工业机器人具有小体积、小功率、易操作、智能型高等特点，并且具有感知其受到冲击力和震动情况的能力，能够很好的与人协同工作。然而，这就对机器人的关节提出了更高的要求。因此，亟待解决高性能、高集成性的轻量化机器人关节的设计问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出一种智能集成关节，解决传统机器人中的关节驱动与控制分离、关节体积大、重量大、一体化程度低及负载自重比低等问题。
为了实现该目的，本发明提供一种驱动控制一体化智能集成关节，其技术方案为：所述驱动控制一体化智能集成关节包括关节输出构件、谐波减速机、轴承座、关节外壳、电机主体、刹车机构、电机编码器、集成电路模块和关节编码器，其中以中心轴互相重合的方式在关节外壳内设置谐波减速机、轴承座和电机主体，并且其中在关节外壳内并且在电机主体远离谐波减速机的一侧配置刹车机构、电机编码器、集成电路模块和关节编码器；所述谐波减速机包括固定轮、输出轮和谐波放生器，其中固定轮和轴承座一起与关节外壳固定；所述电机主体包括与关节外壳固定连接的电机定子、在电机定子内能够旋转的电机转子以及与电机转子固定连接的并且中空的电机轴，其中电机轴由轴承座中的轴承承托，电机轴的一端与谐波减速机的谐波放生器固定连接并且另一端同时与电机编码器和刹车机构连接；所述关节输出构件包括端盖和延伸轴，端盖与谐波减速机的输出轮固定连接，延伸轴从关节外壳的一侧穿过所述电机轴，使延伸轴的外壁与电机轴的内壁保持给定的间隙，然后穿出电机轴的延伸轴的自由端与关节编码器连接；所述集成电路模块分别与电机主体、电机编码器、刹车机构和关节编码器连接，所述集成电路模块包括智能控制器，用于驱动、控制和监测所述的驱动控制一体化智能集成关节，并且根据获取的检测值产生对应的控制指令。
作为本发明的进一步改进，所述关节输出构件还包括阶梯形的内腔，用于容纳一部分谐波减速机和电机轴，使关节输出构件的端盖的边缘靠近关节外壳的边缘，从而使关节输出构件和关节外壳形成封闭式的结构；所述端盖、所述阶梯形的内腔和所述延伸轴一体成型。进一步，所述端盖设有螺纹连接孔，用于连接集成关节的负载。
优选地，所述关节输出构件还包括沿其中心轴线延伸的通孔，用于所述驱动控制一体化智能集成关节的信号线及电源线的内部走线。这样，可以便于机器人中各个关节之间电源线和线号线的布置。
作为本发明的进一步改进，所述刹车机构包括刹车柱、圆板形状的刹车片以及用于吸引刹车柱来限制刹车片运动的电磁吸头，所述关节外壳在所述电机定子和所述刹车机构之间形成与所述电机轴的中轴线垂直的平面部，该平面部设有至少要一个容纳刹车柱的盲孔；刹车片被配置为与平面部平行地靠近，并且与所述电机轴固定连接，使得电磁吸头能够将一部分刹车柱从平面部吸出以接触刹车片来限制刹车片的运动；刹车柱设有缩回结构，使得电磁吸头消除吸力时或者产生排斥力时，刹车柱自动向其对应的平面部的盲孔回弹。
优选地，所述刹车片在外圆周设有凸齿，该凸齿与伸出的刹车柱接触以限制刹车片的运动。
作为本发明的进一步改进，所述电机定子包括三相交流绕组，所述电机转子包括至少一对通过径向充磁而制成的磁瓦，该磁瓦沿电机轴的外壁均匀地间隔设置并且与电机轴固定，同时使相邻的磁瓦的径向磁性方向相反，从而在三相交流绕组通电的时候使电机定子和电机转子之间产生互相旋转作用的磁场。这样的优点在于，电机定子和电机转子之间不需要有电刷接触，从而使集成关节的结构更紧凑，同时减少维护工作。
作为本发明的进一步改进，所述集成电路模块还包括：电机驱动电路，该电机驱动电路分别与电机主体、电机编码器和关节编码器连接，用于接收所述智能控制器的指令，向电机主体供应驱动电流以及从电机编码器和关节编码器接收位置信息；IO接口电路，该IO接口电路与刹车机构连接，用于接收所述智能控制器的指令以触发刹车机构限制电机主体的运动。
作为本发明的进一步改进，所述集成电路模块还包括：与电机主体电机连接的电流检测器，用于检测电机主体中的电流以判断所述电机主体的运动方向及电机扭矩，输出运动方向和电机扭矩的检测值到所述智能控制器。
作为本发明的进一步改进，所述集成电路模块还包括：与关节壳体关联的加速度传感器，用于检测所述驱动控制一体化智能集成关节的加速度和振动，输出加速度和振动的检测值到所述智能控制器。
作为本发明的进一步改进，所述的驱动控制一体化智能集成关节还包括：温度传感器，用于检测所述电机主体和/或所述集成电路模块的温度，输出温度的检测值到所述智能控制器。
本发明的有益效果为：同轴地配置集成关节中的零部件并且利用端盖内腔形成的扣合结构，使集成关节的内部结构更紧凑，实现了一体化结构；在集成关节中高度整合了电机驱动、电机控制，节省了外部控制单元和简化了传输线路，从而使所述集成关节构成的机器人的体积更小、一体化程度更高、走线更简洁、负载自重比大；集成关节内部整合了加速度计传感器，可用于对集成关节受到的外部冲击力进行碰撞检查，使机器人能够与人安全协作，提高机器人的安全性能，这也是传统工业机器人不具备的先进技术；集成关节内部还整合了精确的电流检测芯片，可以扩展集成关节的功能，比如智能示教，从而增强机器人的人机交互性能。
附图说明
图1所示为根据本发明的驱动控制一体化智能集成关节的剖视图；
图2所示为根据本发明优选实施例的关节输出构件的透视图；
图3所示为根据本发明优选实施例的刹车片的透视图；
图4所示为根据本发明优选实施例的集成电路模块的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和优选的实施例对本发明进行详细描述。
根据本发明的驱动控制一体化智能集成关节既可以作为关节部件应用在狭义的工业机器人、工业机械臂中，也可以应用在广义的机器人，即是自动执行工作的机器装置。
参照图1，在第一实施例中，根据本发明的驱动控制一体化智能集成关节的壳体部分由关节输出构件1和关节外壳4组成，并且关节输出构件1可以相对关节外壳4旋转。关节外壳4为圆柱形的中通管状结构，其外径与关节输出构件1的外径基本相同。在关节外壳4内部依次同轴地设置有：谐波减速机2、轴承座3、电机本体5、刹车机构6、电机编码器7、集成电路模块8和关节编码器9。谐波减速机2包括谐波发生器、固定轮和输出轮。优选地，固定轮采用谐波减速机2的钢轮，输出轮采用谐波减速机2的柔轮。电机本体5包括电机定子51、电机转子52和电机轴53。其中电机定子51包括三相交流绕组，所述电机转子52包括至少一对采用永磁材料制成的磁瓦，优选地采用铷铁硼材料并通过径向充磁制成的瓦片状的磁瓦，使磁瓦的外壁和内壁分别带有N极和S极的磁性，或者使磁瓦的内壁和外壁分别带有N极和S极的磁性。磁瓦沿电机轴53的外壁均匀地间隔设置并且与电机轴53完全贴合和粘固，同时使相邻磁瓦的径向磁性方向相反，例如，与外壁为N极内壁为S极的磁瓦相邻的磁瓦的外壁为S极内壁为N极。刹车机构6包括电磁吸头61、刹车片62和刹车柱63。
在本实施例中，参照图1从左向右看去，关节输出构件1通过螺栓与谐波减速机2的柔轮固定连接，谐波减速机2的谐波发生器与电机轴53第一端部固定连接，谐波减速机2的钢轮通过螺栓与轴承座3并且与关节外壳4一起固连，轴承座3通过轴承承托电机轴53，电机轴53的第二端部与刹车片62固定连接，电机轴53的第二端部与电机编码器7连接。因此，电机定子51使电机转子52带动电机轴53旋转时，电机轴53可以带动刹车片62和谐波发生器运动，电机编码器7可以将电机轴53的旋转运动转化为旋转角度、旋转方向、旋转位置等数据，然后谐波发生器带动柔轮和钢轮进行啮合运动，通过关节输出构件1输出减速后的旋转运动。集成电路模块8可以实例为电路板的形式，并且通过铜柱10与关节外壳4固定。关节输出构件1穿过中空的电机轴53，然后与关节编码器9连接，使关节编码器9可以将关节输出构件1的旋转运动转化为旋转角度、旋转方向、旋转位置等数据。为了使关节输出构件1可以顺畅地运动，使关节输出构件1的外壁与电机轴53的内壁保持预设的间隙。
在本实施例中，刹车片62与电机轴53的中轴线垂直，关节外壳4形成靠近刹车片62的平面部41，在该平面部41中设有刚好容纳刹车柱63的盲孔，使刹车柱63的一部分可以被电磁吸头61吸出，用于接触刹车片62，从而对刹车片62的运动进行限制。优选地，刹车柱63设有回弹机构，例如刹车柱63和关节外壳4的平面部41之间设有弹簧，当电磁吸头61产生的吸引力消除后，该弹簧可以将刹车柱63弹回盲孔并且使刹车柱63与刹车片62完全分离。
在本实施例中，集成电路模块8分别与电机主体5、电机编码器7、刹车机构6和关节编码器9电连接，用于驱动、控制和监测所述的驱动控制一体化智能集成关节，并且根据获取的检测值产生的控制指令来执行相应的控制功能，比如示教、碰撞检测、温度报警等。
参照图2，在一个优选的实施例中，关节输出构件1包括互相同轴分布的端盖11、阶梯形的内腔12、延伸轴13以及完全贯穿关节输出构件1的通孔14。更优选地，端盖11、内腔12、伸轴13和通孔14一体成型。延伸轴13从电机轴53的内部穿过。其中，通孔14可以容纳电气传输线缆，方便各级关节通信走线。
参照图3，在另一个优选的实施例中，刹车片62包括凸齿621。该凸齿621可以成对地均匀设置在刹车片62的外圆周边缘，用于配合伸出的刹车柱63以限制刹车片62的旋转运动，从而限制电机轴53的运动。
在另一个实施例中，图3所示为根据本发明优选实施例的集成电路模块8的结构框图。集成电路模块8包括智能控制器82、电机驱动电路83、电流检测器81、加速度传感器84和IO接口85电路。智能控制器82可以实施为各种公知的控制芯片和控制电路，比如单片机、数字信号处理器、嵌入式控制器等，通过运行预定义的程序，生成控制指令来触发电机驱动电路83、电流检测器81、加速度传感器84和IO接口85电路运作，从而实现集成关节的的旋转运动、换向和精度控制、紧急刹车和智能控制功能，下面进行详细描述。
旋转运动：电机驱动电路83对通入的直流电，经过其内部的全桥逆变电路模块换向作用后，输出三相交流电并通入电机定子51上的电枢绕组；每个绕组形成方向固定的磁场，然后在相位换向的作用下，电机定子51形成周期性旋转的磁场，其旋转速度与集成电路模块8上的全桥逆变频率成正比；由上面实施例所述的磁瓦来构成的电机转子52，在电机定子51产生的旋转磁场的相互作用下旋转，从而带动电机轴53旋转；电机轴53带动谐波发生器旋转，经过谐波减速机2的柔轮和钢轮的齿轮啮合作用后，带动关节输出构件1旋转，输出扭矩；可以通过更改柔轮和刚轮的齿数来调整电机轴53和关节输出构件1之间的减速比。
换向和精度控制：当电机驱动模块驱动电机主体5实现旋转运动后，电机编码器7检测电机轴53的旋转角度，智能控制器82根据旋转角度的数值大小判断是否向电机定子51上的电枢绕组通入下一状态的电流；其中换向角度值是根据电机转子52的磁极对数求得；关节编码器9可以直接测量关节输出构件1的旋转角度，根据该旋转角度值可以获取集成关节的最终输出的旋转运动精度，然后将其反馈到智能控制器82以实现更优的精度控制。
紧急刹车：在需要刹车制动情况下，智能控制器82触发IO接口85电路动作，然后输出电流驱动电磁吸头61吸起刹车柱63，挡住刹车片62外圆周的凸齿621，从而实现关节刹车的目的。
智能控制：集成电路模块8上装有加速度检测芯片，在机器人运动过程中实时检测集成关节收到的冲击加速度，然后在智能控制器82的配合下计算对应的冲击力；如果冲击力超过预设的阀值，则智能控制器82触发紧急刹车，停止集成关机的运动；集成电路模块8上还装有电流检测芯片，在机器人的示教模式下，实时检测电机定子51的电枢绕组中的电流大小，然后智能控制器82可以根据检测的电流数值和正负方向，判断电机主体5旋转或者集成关节旋转过程中的电机轴53或者关节输出机构的受力方向和大小，可以实现人手移动或扳动机器人的运动部件来对机器人进行人工智能示教；还可以在集成电路模块8、电机定子51或者集成关节内部的任何位置设置温度传感器，然后智能控制器82可以通过温度传感器获得集成关节内部各处的温度值，如果温度值超出预设的阀值，则发出警报信息和停止工作。
在集成电路模块8的一个优选实施例中，智能控制器82可以对集成关节的位置、速度和力矩进行实时调节。当正转命令发出后，智能控制器82触发电机驱动电路83输出六路PWM方波，并按正向序列交替更换PWM的导通角，然后通过电机编码器7检测电机转角脉冲增量判断是否进入下一换向区域，通过关节编码器9检测正交脉冲AB相的超前顺序判断电机是否正转。当智能控制器82反转命令发出后，电机主体5先做减速动作，停机后立刻触发电机驱动电路83按反向序列PWM导通逆变桥。当智能控制器82发出运动位置命令后，首先根据关节编码器9的精度，将位置换算成脉冲数，然后旋转至预定位置。由于电机轴53和电机转子52具有一定的转动惯性，在停机后会继续向前旋转，此时处理器记录超调的脉冲数，启动反转命令补偿超出的角度，达到位置伺服的效果，理论伺服精度可达到关节编码器9的分辨率的四分之一。
在本实施例中，在集成电路模块8中整合的电流检测器81，能够对电机定子51内电枢绕组的电流进行实时捕获。由于在线性区域内，电机轴53的输出转矩与电机定子51的绕组电流成正比，智能控制器82发出力矩控制命令后，配合电机编码器7控制转速的同时检测和控制绕组电流以实现力矩控制模式。在集成电路模块8中整合的加速度传感器84单元可以采用三自由度加速度检测芯片。在集成关节的运行过程中，加速度检测芯片按照一定频率检测集成关节所受到的冲击力，其中，可以调节加速度传感器84的外围电容大小以调整检测频率范围，从而适应更多的实际应用要求，其优选地应用到机器人的碰撞检测中，从而实现安全停机。如果检测到的冲击力达到用户设定阈值范围，智能控制器82可以触发集成关节的下一步动作，比如减速、加速或停机等。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
Claims (9)
1.驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于：
所述驱动控制一体化智能集成关节包括关节输出构件(1)、谐波减速机(2)、轴承座(3)、关节外壳(4)、电机主体(5)、刹车机构(6)、电机编码器(7)、集成电路模块(8)和关节编码器(9)，其中以中心轴互相重合的方式在关节外壳(4)内设置谐波减速机(2)、轴承座(3)和电机主体(5)，并且其中在关节外壳(4)内并且在电机主体(5)远离谐波减速机(2)的一侧配置刹车机构(6)、电机编码器(7)、集成电路模块(8)和关节编码器(9)；
所述谐波减速机(2)包括固定轮、输出轮和谐波发生器(23)，其中固定轮和轴承座(3)一起与关节外壳(4)固定；
所述电机主体(5)包括与关节外壳(4)固定连接的电机定子(51)、在电机定子(51)内能够旋转的电机转子(52)以及与电机转子(52)固定连接的并且中空的电机轴(53)，其中电机轴(53)由轴承座(3)中的轴承承托，电机轴(53)的一端与谐波减速机(2)的谐波发生器(23)固定连接并且另一端同时与电机编码器(7)和刹车机构(6)连接；
所述关节输出构件(1)包括端盖(11)和延伸轴(13)，端盖(11)与谐波减速机(2)的输出轮固定连接，延伸轴(13)从关节外壳(4)的一侧穿过所述电机轴(53)，使延伸轴(13)的外壁与电机轴(53)的内壁保持给定的间隙，然后穿出电机轴(53)的延伸轴(13)的自由端与关节编码器(9)连接；
所述集成电路模块(8)分别与电机主体(5)、电机编码器(7)、刹车机构(6)和关节编码器(9)连接，所述集成电路模块(8)包括智能控制器(82)，用于驱动、控制和监测所述的驱动控制一体化智能集成关节，并且根据获取的检测值产生对应的控制指令；
所述刹车机构(6)包括刹车柱(63)、圆板形状的刹车片(62)以及用于吸引刹车柱(63)来限制刹车片(62)运动的电磁吸头(61)，所述关节外壳(4)在所述电机定子(51)和所述刹车机构(6)之间形成与所述电机轴(53)的中轴线垂直的平面部(41)，该平面部(41)设有至少一个容纳刹车柱(63)的盲孔；
刹车片(62)被配置为与平面部(41)平行地靠近，并且与所述电机轴(53)固定连接，使得电磁吸头(61)能够将一部分刹车柱(63)从平面部(41)吸出以接触刹车片(62)来限制刹车片(62)的运动；
刹车柱(63)设置有缩回结构，使得电磁吸头(61)消除吸力时或者产生排斥力时，刹车柱(63)自动向其对应的平面部(41)的盲孔回弹。
2.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于：
所述关节输出构件(1)还包括阶梯形的内腔(12)，用于容纳一部分谐波减速机(2)和电机轴(53)，使关节输出构件(1)的端盖(11)的边缘靠近关节外壳(4)的边缘，从而使关节输出构件(1)和关节外壳(4)形成封闭式的结构；所述端盖(11)、所述阶梯形的内腔(12)和所述延伸轴(13)一体成型。
3.根据权利要求1或2所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于：
所述关节输出构件(1)还包括沿其中心轴线延伸的通孔(14)，用于信号线及电源线在所述驱动控制一体化智能集成关节的内部进行走线。
4.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于：
所述刹车片(62)在外圆周设有凸齿(621)，该凸齿(621)与伸出的刹车柱(63)接触以限制刹车片(62)的运动。
5.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于：
所述电机定子(51)包括三相交流绕组，所述电机转子(52)包括至少一对通过径向充磁而制成的磁瓦，该磁瓦沿电机轴(53)的外壁均匀地间隔设置并且与电机轴(53)固定，同时使相邻的磁瓦的径向磁性方向相反，从而在三相交流绕组通电的时候使电机定子(51)和电机转子(52)之间产生互相旋转作用的磁场。
6.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于，所述集成电路模块(8)还包括：
电机驱动电路(83)，该电机驱动电路(83)分别与电机主体(5)、电机编码器(7)和关节编码器(9)连接，用于接收所述智能控制器(82)的指令，向电机主体(5)供应驱动电流以及从电机编码器(7)和关节编码器(9)接收位置信息；
IO接口电路(85)，该IO接口电路(85)与刹车机构(6)连接，用于接收所述智能控制器(82)的指令以触发刹车机构(6)来限制电机主体(5)的运动。
7.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于，所述集成电路模块(8)还包括：
与电机主体(5)电连接的电流检测器(81)，用于检测电机主体(5)中的电流以判断所述电机主体(5)的运动方向及电机扭矩，输出运动方向和电机扭矩的检测值到所述智能控制器(82)。
8.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于，所述集成电路模块(8)还包括：
与关节外壳(4)关联的加速度传感器(84)，用于检测所述驱动控制一体化智能集成关节的加速度和振动，输出加速度和振动的检测值到所述智能控制器(82)。
9.根据权利要求1所述的驱动控制一体化智能集成关节，其特征在于，还包括：
温度传感器，用于检测所述电机主体(5)和/或所述集成电路模块(8)的温度，输出温度的检测值到所述智能控制器(82)。
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