CN105437233A - 一种不用减速机的机器人多关节传动结构 - Google Patents

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徐伟业
柴晓峰
章华群
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Abstract

本发明涉及一种不用减速机的机器人多关节传动结构，包括电机、机械臂，所述的电机的转子轴由前轴和后轴组成，该电机的前轴与机械臂相连接，电机的后轴上装有编码器，编码器的信号输出线与电子闭环控制器的信号输入接口相连接，电机的输入电源线与电子闭环控制器的电源输出接口相连接，电子闭环控制器的输入电缆线与电源线相连接；所述的电子闭环控制器内的控制系统包括LM629芯片和PIC16F877单片机；本发明具有传动灵活、精度高、结构简单、制造容易、可靠性好、寿命长、价格便宜、维护工作量少、使用方便等优点。

Description

一种不用减速机的机器人多关节传动结构
技术领域
本发明属于多关节机器人技术领域，尤其涉及一种不用减速机的机器人多关节传动结构。
背景技术
1、现在市场上的多关节机器人，都采用伺服电机+减速机的传动方法，以达到降低输出速度提高输出扭矩的功能。
2、由于多关节机器人对传动精度要求很高，所以减速机的机械传动误差必须控制在“μm”级范围内。国产的减速机达不到这个水平，满足不了和多关节机器人配套的要求。
3、目前国产多关节机器人的传动部件，绝大多数都采用进口的高性能伺服电机和高精度谐波或RV减速机，价格昂贵。两个关键部件就占了整个多关节机器人生产成本的50％。
4、高性能伺服电机和高精度减速机已经成了制约国内多关节机器人产业发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构简单、精度更高的不用减速机的机器人多关节传动结构。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，包括电机、机械臂，所述的电机的转子轴由前轴和后轴组成，该电机的前轴与机械臂相连接，电机的后轴上装有编码器，编码器的信号输出线与电子闭环控制器的信号输入接口相连接，电机的输入电源线与电子闭环控制器的电源输出接口相连接，电子闭环控制器的输入电缆线与电源线相连接。
作为优选，所述的电子闭环控制器内的控制系统包括LM629芯片和PIC16F877单片机，PIC16F877单片机通过数据线和控制线与LM629芯片内的数据和控制口模块相连接，LM629芯片内的PID控制器通过PWM幅度和方向信号模块控制于L298N功率芯片，该L298N功率芯片与电机相连，电机通过其后轴上所相连的编码器将反馈信号传输至LM629芯片内的指令位置模块，该指令位置模块与PID控制器相连，同时该指令位置模块还与LM629芯片内的数据和控制口模块相连接。
作为优选，所述的LM629芯片通过6位数据线和6根控制线与PIC16F877单片机的I/O相连。
作为优选，所述的PIC16F877单片机通过无线通信方式与PC机相连。
本发明的有益效果为：机电一体化结构新技术超越了现有市场上所有用伺服电机+减速机结构传动的技术水平，使多关节机器人的传动系统精度达到一个新的高度，特别适用于高精度传动设备的运行工况需要，可广泛应用于汽车、电焊、搬运、堆架、机床、机械加工、纺织、印染、印刷、包装、冶金、医疗、传动等行业，具有很大的应用价值和应用市场。
附图说明
图1是本发明的电机结构和运行原理示意图。
图2是本发明的电子闭环控制器系统和运行原理示意图。
图3是本发明的电子闭环控制器驱动电机及机械臂示意图。
图4是本发明的机器人多关节传动结构示意图。
附图中的标号分别为：1、电机；2、编码器；3、电子闭环控制器；4、机械臂；11、前轴；12、后轴。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：如附图1至4所示，本发明包括电机1、机械臂4，所述的电机1的转子轴由前轴11和后轴12组成，该电机的前轴11与机械臂4相连接，电机的后轴12上装有编码器2，编码器2的信号输出线与电子闭环控制器3的信号输入接口相连接，电机1的输入电源线与电子闭环控制器3的电源输出接口相连接，电子闭环控制器3的输入电缆线与电源线相连接。
所述的电机1为低速大转矩伺服电机，该电机1的特点在于：既具有高性能伺服电机的响应快、恒转矩、控制精度高、过载能力强、运行速度稳的特点，又具有谐波和RV减速机那种转速低、扭矩大、传动精密的特点，可以满足机器人多关节手臂运动的特定工况需要，简化和替代传统机器人多关节用的高性能伺服电机+精密减速机的传动方式。
电子闭环控制器3内装有多关节机器人手臂的传动程序，电子闭环控制器3可存储控制程序和运行数据，可驱动和控制电机1的运转变化；能接受电机1的后轴12上编码器2输出的转子反馈信号；能自动检测、计算、比较电机1上编码器反馈信号的数据与存储在电子闭环控制器中的运行参数和要求的差别；能自动改变电机的输出转速，来修正输出轴的转速和定位精度。
电子闭环控制器3通过电机转子轴上的编码器2反馈信号对电机1输出转速和定位角度进行闭环控制，使电机输出轴的转速和定位角度达到程序所设定的精确无误的要求。
电子闭环控制器3可按各种使用情况运行要求，自由设定和改变各种程序参数，对电机1运行情况进行闭环精确控制，进而达到对连接在电机1的前轴11上的机械臂4的运行情况进行闭环精确控制。
所述的电子闭环控制器3内的控制系统包括LM629芯片和PIC16F877单片机，PIC16F877单片机通过数据线和控制线与LM629芯片内的数据和控制口模块相连接，LM629芯片内的PID控制器通过PWM幅度和方向信号模块控制于L298N功率芯片，该L298N功率芯片与电机1相连，电机1通过其后轴12上所相连的编码器2将反馈信号传输至LM629芯片内的指令位置模块，该指令位置模块与PID控制器相连，同时该指令位置模块还与LM629芯片内的数据和控制口模块相连接；所述的LM629芯片通过6位数据线和6根控制线与PIC16F877单片机的I/O相连。
PIC16F877单片机通过数据线向LM629芯片发送位置或速度命令，设定PID控制器调节参数，并从LM629芯片中读取速度、加速度等数值。LM629芯片输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动L298N功率芯片，经过功率放大后驱动电机。电机拖动机器人手臂运转时，电机轴上的编码器提供闭环控制所需的反馈信号(A.B.IN)，梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运行轨迹。
PIC16F877单片机为LM629芯片提供加速度、速度和目标位置量，在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值，将其作为指令值。
由编码器2检测电机轴的实际位置，其输出信号经过LM629芯片四倍频后进行解码，形成位置反馈值。
指令值与反馈值的差值作为数字PID控制器校正环节的输入，通过数PID控制器计算，LM629芯片输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS，用于控制L298N功率芯片，进而驱动电机1运动到指定位置，再由电机1拖动机器人关节手臂达到指定位置。
LM629芯片在进行位置控制的同时，还对速度进行控制，LM629芯片在接收到主机送来的位置信号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横幅所包围的面积就是指定位置。
PID控制器算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修改，因此，将它们存储在PIC16F877单片机的E2PROM中，PIC16F877单片机和PC机通过无线发射和接收模块进行串行通信。
本发明的运行原理为：
①电子闭环控制器3向电机1发出程序指令----驱动电机1按程序要求转动；
②电机1的前轴11拖动机器人关节手臂作上、下、左、右、前进、后退、旋转动作；
③电机1的后轴12上的编码器2将电机1的转动信号反馈给电子闭环控制器3；
④电子闭环控制器3从每个反馈信号中计算出电机1的实际运行速度和位置角度；
⑤将计算出的数据与存储在电子闭环控制器3的运行参数进行比较、自动修正，改变电机1的转速、位置和角度的精度，达到程序所设定的精确无误的要求；
⑥发出新的指令值给电机1，命令电机1拖动机器人关节手臂，按精确定速定位转动。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种不用减速机的机器人多关节传动结构，包括电机(1)、机械臂(4)，其特征在于：所述的电机(1)的转子轴由前轴(11)和后轴(12)组成，该电机的前轴(11)与机械臂(4)相连接，电机的后轴(12)上装有编码器(2)，编码器(2)的信号输出线与电子闭环控制器(3)的信号输入接口相连接，电机(1)的输入电源线与电子闭环控制器(3)的电源输出接口相连接，电子闭环控制器(3)的输入电缆线与电源线相连接。
2.根据权利要求1所述的不用减速机的机器人多关节传动结构，其特征在于：所述的电子闭环控制器(3)内的控制系统包括LM629芯片和PIC16F877单片机，PIC16F877单片机通过数据线和控制线与LM629芯片内的数据和控制口模块相连接，LM629芯片内的PID控制器通过PWM幅度和方向信号模块控制于L298N功率芯片，该L298N功率芯片与电机(1)相连，电机(1)通过其后轴(12)上所相连的编码器(2)将反馈信号传输至LM629芯片内的指令位置模块，该指令位置模块与PID控制器相连，同时该指令位置模块还与LM629芯片内的数据和控制口模块相连接。
3.根据权利要求2所述的不用减速机的机器人多关节传动结构，其特征在于：所述的LM629芯片通过6位数据线和6根控制线与PIC16F877单片机的I/O相连。
4.根据权利要求2所述的不用减速机的机器人多关节传动结构，其特征在于：所述的PIC16F877单片机通过无线通信方式与PC机相连。
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