CN105945982B - 一种模块化机器人驱动关节 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于液压摆动缸以及电位传感器闭环控制的机器人驱动关节，由机械部分和控制部分组成，所述的机械部分包括：驱动关节L型托架、平面侧板、液压摆动缸、摆动缸齿轮、电位器齿轮、电位器连接块、液压摆动缸垫块，摆动缸垫板A、摆动缸垫板B、固定端盖、电机与液压泵支架、联轴器，所述控制部分包括：上位机、电位器传感器、控制信号卡、流量计、液压泵、液压泵驱动电机。本发明的特点是通过建立的液压泵流量和驱动关节液压摆动缸转动角度之间的函数关系，对其进行适时调节，因而形成闭环反馈回路，实现对液压摆动缸的精确控制；其次，该机器人液压驱动关节可输出更大的扭矩，且结构简单，具有模块化、标准化的特点，可实现机械臂关节的串联连接和多自由度机械臂的快速搭建，并实现模块化生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种机器人的驱动关节，具体涉及一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节。
背景技术
机械臂是目前机器人领域中得到最广泛应用的自动化机械装置，而传统的机械臂都是依据特有的任务设计完成，不能灵活的进行改变与调整，其根据需求变化的能力较弱。机器人设计往往会根据实际工作需求来具体设计各段机械臂本体结构等，导致机器人工作方式单一，设计完成的机器人组件很难与其他机器人通用，多为非模块化设计，部件通用性较差。因而机器人驱动关节的模块化也是必然的发展趋势。
在现有的工业机器人中，多自由度运动大多是由各关节处的伺服电机驱动完成，而产生的问题是各关节处伺服电机产生的驱动力矩较小，亟需一种可以承受大扭矩及输出大力矩的机器人驱动关节。
发明内容
为了克服以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节，其驱动部分由液压摆动缸来产生驱动力，可以获得更大的输出扭矩与输出力，又根据其模块化设计，可以按照工作及任务要求实现灵活的转变且加工安装方便。
本发明提供一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节，其特征在于：所述的机器人驱动关节包括机械部分和控制部分，所述的机械部分包括：驱动关节L型托架、平面侧板、液压摆动缸、摆动缸齿轮、电位器齿轮、电位器连接块、液压摆动缸垫块、摆动缸垫板A、摆动缸垫板B、固定端盖、电机与液压泵支架、联轴器；所述控制部分包括：上位机、电位器传感器、控制信号卡、流量计、液压泵、液压泵驱动电机、三位四通电磁换向阀、溢流阀A、溢流阀B；所述驱动关节L型托架和平面侧板用于实现液压摆动缸的固定连接，所述的液压摆动缸固定于驱动关节L型托架内部；所述的摆动缸齿轮和电位器齿轮形成啮合传动，并且电位器齿轮固定于电位器连接块上，液压摆动缸垫块用于固定液压摆动缸；所述平面侧板和L型托架侧面均设置有通孔，所述液压摆动缸的输出轴端依次穿过平面侧板上的通孔、液压摆动缸垫块、摆动缸齿轮、驱动关节支撑架L型托架侧面中心通孔并通过螺栓固定于驱动关节支撑架L型托架内；所述液压摆动缸垫块位于液压摆动缸与驱动关节支撑架L型托架之间，用于固定液压摆动缸；所述的摆动缸垫板A和摆动缸垫板B用于固定驱动关节液压摆动缸，其中摆动缸垫板A位于平面侧板与驱动关节液压摆动缸末端之间，摆动缸垫板B位于液压摆动缸垫块与摆动缸齿轮之间；所述液压摆动缸垫块的中心与驱动关节支撑架L型托架侧面的通孔同心；所述电位器传感器通过螺钉固定在电位器连接块上，电位器连接块通过螺钉固定在摆动缸垫板上，电位器传感器上固定电位器齿轮,所述液压摆动缸输出轴上固定摆动缸齿轮,并与电位器齿轮形成啮合传动。所述的电机液压泵支架呈U型，两侧面设置有通孔，且通孔同心，用于电机和液压泵的固定，所述的联轴器用于连接液压泵驱动电机输出轴和液压泵的驱动轴。
所述的控制信号卡，用于发送液压泵驱动电机的驱动信号，并获得通过流量计测得的液压泵的流量与电位器传感器所转动的角度。所述的液压泵驱动电机接受来自于控制信号卡的输出信号，并根据信号来输出电机转速，来带动液压泵的转动，所述的液压泵经由液压驱动电机驱动，用于从液压油箱吸入油液，形成压力油并排出，驱动此机器人驱动关节内部的液压摆动缸，从而使关节运动；所述流量计用于测量来自液压泵的输出流量，并反馈于上位机；所述的电位器传感器用于测量液压摆动缸的转动角度，并反馈于上位机，所述的流量计测得的液压泵的输出流量值与驱动关节液压摆动缸转动角度形成一种对应关系，从而建立相应的函数关系，所述的电位器传感器用于测量液压摆动缸的转动角度，并反馈于上位机，上位机收到流量计与电位器传感器的信号后，根据所到达的实际位置与目标位置进行对比判断，若位置准确则上位机发出下一步运动指令，若有误差则通过已建立的流量计测得的液压泵流量值和驱动关节液压摆动缸转动角度之间的函数关系进行调节，形成反馈，进而形成闭环控制。
所述的模块化是该模块化机器人驱动关节，其驱动关节支撑架的L型托架的底面均设置有螺纹孔，进而通过各驱动关节的螺纹孔互相连接从而实现了便于安装与生产应用的模块化。
所述的电位器传感器闭环控制是通过上位机获取电位器转动角度，分析对比目标位置数据后输出到控制信号卡，经处理，由控制信号卡再发送控制信号控制液压泵驱动电机的转速，液压泵驱动电机带动液压泵转动后输出压力油，压力油经过流量计的测量，把输出流量反馈于上位机，压力油驱动关节内部的液压摆动缸的运动，液压摆动缸输出轴端的摆动缸齿轮与电位器齿轮的啮合传动，电位器传感器通过安装于其上的电位器齿轮获取转动信号，反馈于上位机，进而形成闭环控制。
附图说明
图1是本发明一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节的整体结构示意图。
图2是本发明一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节的爆炸图。
图3是本发明一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节的关节控制原理图。
图4是本发明一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节的液压摆动缸驱动系统部件图。
图5是本发明一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节的电位传感器连接图。
图6是本发明一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节的液压系统运行原理图。
图中各个标号的含义如下：
1：电位传感器；2：电位器连接块；3：电位器齿轮；4：驱动关节L型托架；5：固定端盖；6：摆动缸齿轮；7：摆动缸垫板A；8：液压摆动缸垫块；9：液压摆动缸；10：摆动缸垫板B；11固定端盖；12：平面侧板；13：液压泵驱动电机；14：电机与液压泵支架；15：联轴器；16：液压泵；17：流量计；18控制信号卡；20：上位机；21：三位四通电磁换向阀；22：溢流阀A；23：溢流阀B。
具体实施方式
为了更好理解本发明的技术方案和优点，以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于液压摆动缸及电位传感器闭环控制的模块化机器人驱动关节，如图1- 6所示，整个模块化机器人驱动关节包括机械部分和控制部分，所述的机械部分包括：驱动关节L型托架4、平面侧板12、液压摆动缸9、摆动缸齿轮6、电位器齿轮3、电位器连接块2、液压摆动缸垫块8、摆动缸垫板A7、摆动缸垫板B10、固定端盖11、电机与液压泵支架14、联轴器15；所述控制部分包括：上位机20、电位传感器1、控制信号卡18、流量计17、液压泵16、液压泵驱动电机13、三位四通电磁换向阀21、溢流阀A22、溢流阀B23。
本发明中的驱动关节L型托架4、平面侧板12、摆动缸齿轮6、电位器齿轮3、电位器连接块2、液压摆动缸垫块8、摆动缸垫板A7、摆动缸垫板B10、固定端盖11、电机与液压泵支架14都需要按照设计要求进行加工；液压摆动缸9，电位传感器1、液压泵驱动电机13、液压泵16、流量计17、上位机20、控制信号卡18、联轴器15、三位四通电磁换向阀21、溢流阀A22、溢流阀B23都需要按照所需求的尺寸进行匹配购买。
如图1、图2所示，所述驱动关节L型托架4和平面侧板12用于实现液压摆动缸9的固定连接，所述的液压摆动缸9固定于驱动关节L型托架4内部；所述的摆动缸齿轮6和电位器齿轮3形成啮合传动，并且电位器齿轮3固定于电位器连接块2上，液压摆动缸垫块8用于固定液压摆动缸9；所述平面侧板12和L型托架侧面均设置有通孔，所述液压摆动缸9的输出轴端依次穿过平面侧板12上的通孔、液压摆动缸垫块8、摆动缸齿轮6、驱动关节L型托架侧面中心通孔并通过螺栓固定于驱动关节L型托架内；所述液压摆动缸垫块8位于液压摆动缸9与驱动关节L型托架之间，用于固定液压摆动缸9；所述的摆动缸垫板A7和摆动缸垫板B10用于固定驱动关节液压摆动缸9，其中摆动缸垫板A7位于平面侧板12与驱动关节液压摆动缸9末端之间，摆动缸垫板B10位于液压摆动缸垫块8与摆动缸齿轮6之间；所述液压摆动缸垫块8的中心与驱动关节L型托架侧面的通孔同心；所述电位器传感器通过螺钉固定在电位器连接块2上，电位器连接块2通过螺钉固定在摆动缸垫板上，电位器传感器上固定电位器齿轮3,所述液压摆动缸9输出轴上固定摆动缸齿轮6,并与电位器齿轮3形成啮合传动。
如图2所示，关节L型托架和平面侧板12通过螺钉固定，驱动关节液压摆动缸9的末端轴部穿过摆动缸垫板A7和平面侧板12，液压摆动缸9的输出轴端依次穿过液压摆动缸垫块8、摆动缸垫板B10和摆动缸齿轮6、托架L型托架的侧面通孔，并通过螺钉固定，电位器连接块2通过螺钉固定于摆动缸垫板B10上，电位器传感器穿过电位器连接块2与电位器齿轮3相连，电位器齿轮3与摆动缸齿轮6形成啮合传动。
如图3所示，为本发明的整体系统控制原理图，其中由上位机20设定目标位置并发出控制指令并接收来自于流量计17和电位器传感器反馈回的数据，其接收的反馈数据经过与目标位置对比后发送对比信号到控制信号卡18，控制信号卡18根据上位机20程序所分析的经过与目标位置对比后所得数据，来发出下一步控制指令，控制液压泵驱动电机13的转速，液压泵16通过液压泵驱动电机13的带动，吸入液压油，形成压力油，输出压力油，从而使驱动关节内部的液压摆动缸9获得运动，其输出的压力油流量通过流量计17计算后反馈回上位机20，而液压摆动缸9的转动角度参数通过摆动缸齿轮6和电位器齿轮3的啮合传动后数据由电位器传感器获取反馈于上位机20，进而实现所述的基于液压摆动缸9以及电位传感器1闭环控制的模块化机器人驱动关节。
如图4所示，为本发明驱动关节中的液压摆动缸9驱动系统部件图，其中，液压泵驱动电机13和液压泵16通过联轴器15相连，并固定于电机与液压泵支架14上，液压泵驱动电机13，控制信号由控制信号卡18发送，当其转动后，带动液压泵16转动，液压泵16吸入液压油，形成液压油，输出压力油到驱动关节内部的液压摆动缸9，形成关节的转动。
如图5所示，为本发明驱动关节中电位传感器1的安装连接图，电位器连接块2通过螺钉固定在摆动缸垫板B10上，电位传感器1穿过电位器连接块2上的孔固定在电位器连接块2上，其中电位传感器1末端连接电位器齿轮3，并与安装在液压摆动缸9上的摆动缸齿轮6形成啮合传动。
如图6所示，为本发明驱动关节的液压原理简图，图中，三位四通电磁换向阀21连接于液压泵16的出口处，用来改变油路的通断，进而实现驱动关节内部液压摆动缸9的换向，溢流阀A22安装在系统液压泵16出口处，以及溢流阀B23安装在驱动关节液压系统的回油处，系统正常工作时，溢流阀A22阀门关闭，只有负载超过规定的极限时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加,起安全保护作用，溢流阀B23串联在回油路上，起稳压作用。
需要说明的是，以上所述仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述介绍对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述所列出的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各所列技术方案的范围。
Claims (1)
1.一种模块化机器人驱动关节，其特征在于：所述的机器人驱动关节包括机械部分和控制部分，所述的机械部分包括：驱动关节L型托架、平面侧板、液压摆动缸、摆动缸齿轮、电位器齿轮、电位器连接块、液压摆动缸垫块、摆动缸垫板A、摆动缸垫板B、固定端盖、电机与液压泵支架、联轴器；所述控制部分包括：上位机、电位器传感器、控制信号卡、流量计、液压泵、液压泵驱动电机、三位四通电磁换向阀、溢流阀A、溢流阀B；所述驱动关节L型托架和平面侧板用于实现液压摆动缸的固定连接，所述的液压摆动缸固定于驱动关节L型托架内部；所述的摆动缸齿轮和电位器齿轮形成啮合传动，并且电位器齿轮固定于电位器连接块上，液压摆动缸垫块用于固定液压摆动缸；所述平面侧板和L型托架侧面均设置有通孔，所述液压摆动缸的输出轴端依次穿过平面侧板上的通孔、液压摆动缸垫块、摆动缸齿轮、驱动关节L型托架侧面中心通孔并通过螺栓固定于驱动关节L型托架内；所述摆动缸垫块位于液压摆动缸与驱动关节L型托架之间，用于固定液压摆动缸；所述液压摆动缸垫块的中心与驱动关节L型托架侧面的通孔同心；所述的控制部分中，液压泵驱动电机通过联轴器与液压泵相连并安装固定于电机与液压泵支架上；所述电位器传感器通过螺钉固定在电位器连接块上，电位器连接块通过螺钉固定在摆动缸垫板B上，电位器传感器上固定电位器齿轮，所述液压摆动缸输出轴上固定摆动缸齿轮，并与电位器齿轮形成啮合传动；所述的电机与液压泵支架呈U型，两侧面设置有通孔，且通孔同心，用于液压泵驱动电机和液压泵的固定；所述的联轴器用于连接液压泵驱动电机输出轴和液压泵的驱动轴；所述的三位四通电磁换向阀连接于液压泵的出口处，用来改变油路的通断，进而实现驱动关节内部的液压摆动缸的换向；所述的溢流阀A安装在系统液压泵出口处，以及溢流阀B安装在驱动关节液压系统的回油处，系统正常工作时，溢流阀A阀门关闭，只有负载超过规定的极限时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加，起安全保护作用，溢流阀B串联在回油路上，起稳压作用；所述的控制信号卡，用于发送液压泵驱动电机的驱动信号，并获得通过流量计测得的液压泵的流量与电位器传感器所转动的角度；所述的液压泵驱动电机接受来自于控制信号卡的输出信号，并根据信号来输出液压泵驱动电机转速，来带动液压泵的转动，所述的液压泵经由液压泵驱动电机驱动，用于从液压油箱吸入油液，形成压力油并排出，驱动此机器人驱动关节内部的液压摆动缸，从而使关节运动；所述流量计用于测量来自液压泵的输出流量，并反馈于上位机；所述的流量计测得的液压泵的输出流量值与驱动关节液压摆动缸转动角度形成一种对应关系，从而建立相应的函数关系，所述的电位器传感器用于测量液压摆动缸的转动角度，并反馈于上位机，上位机收到流量计与电位器传感器的信号后，根据所到达的实际位置与目标位置进行对比判断，若位置准确则上位机发出下一步运动指令，若有误差则通过已建立的流量计测得的液压泵流量值和驱动关节的液压摆动缸转动角度之间的函数关系进行调节，形成反馈，进而形成闭环控制。
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