CN106054734A - 基于工业以太网的一体化伺服执行器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于工业以太网的一体化伺服执行器，包括一体集成在壳体内的智能控制器、双输出伺服传动机构、驱动器和人机界面，智能控制器接收外部控制信号和反馈信号，并发出驱动信号给驱动器，驱动器驱动双输出伺服传动机构的输出轴转动，人机界面与智能控制器信号连接，用于设定系统参数和模式以及手动调试双输出伺服传动机构实现正反转、定位和停止，智能控制器设有工业以太网通讯接口。本发明采用模块化思路，将工业以太网EtherCAT、智能控制器、驱动器、电机、减速器、编码器和人机界面等部件巧妙集成在一起，具有模块化、标准化、智能化、网络化、高性能、低成本的突出特点。

Description

基于工业以太网的一体化伺服执行器

技术领域

本发明涉及服务机器人技术领域，特别是涉及一种高度集成的基于工业以太网的一体化伺服执行器。

背景技术

随着服务机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，服务机器人的应用范围还在不断地扩大。关节机器人是当今领域中最常见的服务机器人的形态之一，适合用于诸多服务领域的自动化作业，比如，餐饮、医疗和看护等诸多领域，服务机器人结构紧凑、内部空间小、运动关节分散的现状，关节驱动多采用电机和控制器进行驱动，现有技术中主要包括以下几种方式：

1、采用伺服驱动系统，电机和驱动器是相互独立的，编码器安装于电机的尾部，这种结构成熟、稳定、在普通设备中使用没有任何问题，但对于安装空间受限、对伺服系统体积和重量敏感的场合就完全不适用，比如自主移动的机器人，主要不足有：驱动器体积大难以嵌入式安装；电机与驱动分体结构增加了额外的防护结构及重量；传输速度慢，接线复杂；只是位置的半闭环控制，系统无减速机构，需额外装配，增加安装难度及成本投入；因电机尾部的编码器、制动器的封闭结构使得电机无法两端出轴；仅仅为动力驱动系统，本身无智能控制功能，不能单机独立运行。

2、采用一体化步进伺服系统，一体化步进伺服系统是近年来出现的一种新技术，它将步进电机、驱动器、编码器集成在一起，从而实现步进电机的位置闭环控制，该技术虽然在传统伺服系统的基础上进行了一定集成，但还不包含减速机构，不带人机操作界面，仅仅是动力驱动，无智能控制功能，整体防护性不好，无双端出轴结构，编码器无法检测最终负载位置。

3、采用工业舵机，工业舵机是由普通舵机基础上演变而来，具有更大的输出力矩，更可靠的性能，主要应用于旋转角度±360°以内的运动，主要不足：系统采用RV减速器，价格昂贵；编码器安装于电机输出轴末端以及一级减速之后，并非检测实际的机械位置，因此只能是位置的半闭环控制；单轴输出结构，不利于平衡负载；无人机操作界面，无法单机调试运行；采用CAN总线、RS-485总线通讯，速度较慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，针对市场上缺乏服务机器人伺服系统这一现状，结合服务机器人结构紧凑、内部空间小、运动关节分散的现状，提供一种基于工业以太网的一体化伺服执行器，具有集成度高、结构紧凑、智能化、使用方便等优点。

本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种基于工业以太网的一体化伺服执行器，包括一体集成在壳体内的智能控制器、双输出伺服传动机构、驱动器和人机界面，所述智能控制器接收外部控制信号和反馈信号，并发出驱动信号给驱动器，所述驱动器驱动所述双输出伺服传动机构的输出轴转动，所述人机界面与所述智能控制器信号连接，用于设定系统参数和模式以及手动调试所述双输出伺服传动机构实现正反转、定位和停止，所述智能控制器设有工业以太网通讯接口。将智能控制器、双输出伺服传动机构、驱动器和人机界面均集成在一起减小了体积和重量，使结构更加紧凑，具有模块化、标准化、智能化、网络化、高性能、低成本的突出特点，采用EtherCAT工业以太网作为主通讯接口，最高通讯速率可达100M，最多容纳从站关节机构65535个，满足多关节服务机器人对通讯速度、实时性和同步性的要求，双轴输出传动机构采用双端出轴有利于平衡负载。

现有的双轴输出传动机构的两输出轴都与动力机构的输出端直接连接，两侧都直接输出转矩，在与外部执行机构进行机械装配时，由于机械结构之间的安装不能做到百分之百对称，两输出轴都与动力机构直接连接，都主动输出扭矩，而两侧机械结构的装配存在误差，使两端的输出轴之间产生轴向的扭转角，从而产生相对的扭转的剪切力，输出轴长期工作在这种状态下，影响整体机构的寿命以及输出轴的输出精度；另一方面，两侧的输出轴都是直接与动力机构连接，这就势必有一侧的输出轴需要沿轴线方向穿过减速机构和电机，使该侧输出轴很长，输出轴过长在转动过程中会产生较大的抖动，长轴的轴根处剪切力较大，带负载能力差。

因此，进一步，所述双输出伺服传动机构包括依次连接的前端盖、行星减速机构、连接块、电机和后端盖，所述前端盖一侧设有主动输出轴，所述电机、行星减速机构和主动输出轴依次传动连接，所述后端盖一侧转动连接从动输出轴，所述从动输出轴随所述主动输出轴转动，且所述电机、行星减速机构、主动输出轴和从动输出轴的轴线重合，所述主动输出轴伸出前端盖的一端设有编码器。

两输出端的一侧是主动输出轴，提供输出扭矩，另一侧为从动输出轴，跟随主动输出轴运动，从动输出轴本身不产生扭矩，避免了因机械装配误差使输出轴之间产生轴向的扭转角，提高了寿命和可靠性，两侧是独立的输出轴，轴长较短可以避免抖动，提高稳定性，便于维护。采用主动输出轴上设置编码器解决位置全闭环控制问题，实现更精确的检测负载的实际位置。

进一步，所述电机包括从外到内依次同轴设置的电机壳、定子和转子，所述定子为内壁为圆形且外壁为至少六条边的正多边形的柱体，所述电机壳内孔形状与所述定子外壁形状匹配，所述定子两端分别与连接块和后端盖连接，所述转子与所述行星减速机构连接。通过形面进行限位防止定子轴向的转动，优选的，定子外壁为正六边形或正八边形。

进一步，为了便于导线的引出，所述连接块和后端盖与所述定子连接的一侧均设有与定子端面形状匹配的连接槽，所述后端盖靠近所述智能控制器的一侧设有朝向定子一侧的U形开口。

进一步，所述行星减速机构至少包括一行星架、一太阳轮和多个行星轮，所述太阳轮和行星轮位于行星架的两侧，所述太阳轮与所述行星架固定连接，且所述行星轮通过转轴与所述行星架连接，，当所述行星减速机构为多级行星减速机构时，前一级的太阳轮与后一级的行星轮啮合，行星减速机构的输入端的行星轮直接与所述电机的输出轴传动连接或通过输入齿轮与所述电机的输出轴传动连接，行星减速机构的输出端的太阳轮与所述主动输出轴连接。客户根据实际应用的需求可以任意配置行星减速机构的级数设置，以获得合适的减速比。

进一步，所述编码器包括磁性码盘和绝对值位置检测线路板，所述磁性码盘与所述主动输出轴固定连接，所述绝对值位置检测线路板固定设置在所述前端盖上，且与所述磁性码盘匹配。磁性码盘安装于行星减速器的输出轴上并跟随输出轴转动，绝对值位置检测线路板安装于电机前端盖的侧面，用于读取磁性码盘的转动位置，并反馈至智能控制器，实现精确的位置检测，提高控制精度。

进一步，为了便于与外部的执行机构连接，所述主动输出轴和从动输出轴上均设有输出法兰。

进一步，为了便于安装，所述壳体包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体固定连接，所述上壳体上设置有所述人机界面窗口。

进一步，为了减小执行器的整体体积，所述智能控制器和驱动器位于所述双输出伺服传动机构的一侧，且所述人机界面、智能控制器和驱动器从上到下依次设置，所述智能控制器和驱动器之间设有隔离柱。将各个机构进行空间布局，更好的利用空间位置，减小了整体的体积。

进一步，为了便于通讯，还包括与所述智能控制器连接的控制接口，所述控制接口包括CAN总线信号接口、RS-485总线信号接口、IIC总线信号接口、脉冲方向信号接口、I/O电平信号接口、舵机PPM信号接口。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于工业以太网的一体化伺服执行器具有以下优点：

(1)高度集成的一体化结构，采用模块化思路，将工业以太网EtherCAT、智能控制器、驱动器、电机、减速器、编码器和人机界面等部件巧妙集成在一起，整个机构超越了电机的范畴，属于一种全新的结构形式，它是按物联网和工业4.0思路设计出的一种新型一体化伺服执行器，具有模块化、标准化、智能化、网络化、高性能、低成本的突出特点，实现机器人核心部件的即插即用；

(2)真正的全闭环位置控制，常规伺服、步进电机编码器只能安装在电机的尾部，检测电机转轴位置，不能检测减速器的输出轴位置，因而只能实现半闭环位置控制，本专利中位置检测环节采用离轴式绝对值磁性编码器，可以有效解决传统绝对值编码器体积过大的问题，因为是非接触式测量，可以避免传统电位器模式在检测位置时的磨损问题，可以解决传统实心编码器不能套轴安装的问题，磁性码盘安装在最终输出轴上，实现真正的全闭环位置控制，解决了常规伺服、步进电机只能实现半闭环位置控制的问题；

(3)电机外壳采用扁平式、左右两端出轴，结构紧凑、坚固，可作为机械安装部件直接装配于机械人的关节处，两端输出轴可保证连接牢固、受力均衡；

(4)减速器、电机、输出轴模块化设计，使整个电机传动部分形成了一个独立模块，进一步使结构紧凑、减小体积，并且两端输出同轴，能够保证左右两端的输出轴的同轴度，也极大的方便了生产、装配工作，降低成本，适合大批量生产制造；

(5)自带人机操作界面，可以实现在脱离机器人控制系统的情况下，独立设置参数、调试、运行等功能，目前还没有任何一款类似产品自带人机界面。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明最佳实施例的结构示意图；

图2是本发明去掉上壳体的结构示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是图3中A-A的剖视图；

图5本发明的行星减速机构与电机的一种连接方式；

图6是双输出伺服传动机构的结构示意图；

图7是连接块的结构示意图；

图8是后端盖的结构示意图；

图9是本发明的结构原理图。

图中：1、壳体，1-1、上壳体，1-2、下壳体，1-3、人机界面窗口，2、智能控制器，3、双输出伺服传动机构，3-1、前端盖，3-2、行星减速机构，3-21、行星架，3-22、太阳轮，3-23、行星轮，3-24、转轴，3-25、输入齿轮，3-3、连接块，3-31、第一连接槽，3-4、电机，3-41、电机壳，3-42、定子，3-43、转子，3-44、转子轴，3-45、齿，3-5、后端盖，3-51、第二连接槽，3-52、U形开口，3-53、从动输出轴安装孔，3-54、转子安装孔，3-6、主动输出轴，3-7、从动输出轴，3-8、编码器，3-81、磁性码盘，3-82、绝对值位置检测线路板，3-9、轴承，3-10、输出法兰，4、驱动器，5、人机界面，6、控制接口，7、隔离柱。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-9所示，本发明的一种基于工业以太网的一体化伺服执行器，包括壳体1，以及一体集成在壳体1内的智能控制器2、双输出伺服传动机构3、驱动器4和人机界面5，所述智能控制器2接收外部控制信号和反馈信号，并发出驱动信号给驱动器4，所述驱动器4驱动所述双输出伺服传动机构3的输出轴转动，所述人机界面5与所述智能控制器2信号连接，用于设定系统参数和模式以及手动调试所述双输出伺服传动机构3实现正反转、定位和停止，所述智能控制器2设有控制接口6，所述智能控制器2和驱动器4位于所述双输出伺服传动机构3的一侧，且所述人机界面5、智能控制器2和驱动器4从上到下依次设置，所述智能控制器2和驱动器4之间设有隔离柱7用于支撑和固定智能控制器2。

如图1所示，壳体1包括对扣连接的上壳体1-1和下壳体1-2，并且用螺钉紧固形成一个整体，上壳体1-1上设置有人机界面窗口1-3，智能控制器2和驱动器4上下对插形成一个整体，并且整体安装在下壳体1-2内的底部，双输出伺服传动机构3位于智能控制器2和驱动器4的一侧并且也固定在下壳体1-2内的底部，壳体1的两端还设有输出轴伸出孔。

如图2-8所示，双输出伺服传动机构3包括依次连接的前端盖3-1、行星减速机构3-2、连接块3-3、电机3-4和后端盖3-5，前端盖3-1一侧设有主动输出轴3-6，所述电机3-4、行星减速机构3-2和主动输出轴3-6依次传动连接，所述后端盖3-5一侧转动连接从动输出轴3-7，所述从动输出轴3-7通过安装在其上的机械关节随所述主动输出轴3-6转动，且所述电机3-4、行星减速机构3-2、主动输出轴3-6和从动输出轴3-7的轴线重合，所述主动输出轴3-6伸出前端盖3-1的一端设有编码器3-8。

电机3-4包括从外到内依次同轴设置的电机壳3-41、定子3-42和转子3-43，所述定子3-42为内壁为圆形且外壁为正八边形的柱体，定子3-42的轴向上的长度大于电机壳3-41轴向上的长度，即定子3-42两端从电机壳3-41两端伸出，所述电机壳3-41内孔形状为正八边形与所述定子3-42外壁形状匹配，所述定子3-42两端分别与连接块3-3和后端盖3-5连接，所述连接块3-3与所述定子3-42连接的一侧设有第一连接槽3-31，所述后端盖3-5与所述定子3-42连接的一侧设有第二连接槽3-51，定子3-42两伸出端分别置于第一连接槽3-31和第二连接槽3-51内，所述后端盖3-5靠近所述智能控制器2的一侧设有朝向定子3-42一侧的U形开口3-52；

所述后端盖3-5外侧设有从动输出轴安装孔3-53，内侧设有转子安装孔3-54，所述从动输出轴3-7一端通过轴承3-9与所述后端盖3-5的从动输出轴安装孔3-53转动连接，所述从动输出轴3-7另一端延伸出壳体1端部设有输出法兰3-10，所述转子3-43一端与转子安装孔3-54转动连接，所述转子3-43另一端的转子轴3-44与所述行星减速机构3-2连接。

所述行星减速机构3-2为三级行星减速机构3-2，每级行星减速机构3-2包括一行星架3-21、一太阳轮3-22和多个行星轮3-23，所述太阳轮3-22和行星轮3-23位于行星架3-21的两侧，所述太阳轮3-22与所述行星架3-21固定连接，且所述行星轮3-23通过转轴3-24与所述行星架3-21连接，前一级的太阳轮3-22与后一级的行星轮3-23啮合，行星减速机构3-2的输入端的行星轮3-23直接与所述电机3-4的转子轴3-44传动连接或通过输入齿轮3-25与所述电机3-4的转子轴3-44连接，如图5所示，当转子轴3-44的外圆周上一体设有齿3-45时，行星轮3-23直接与转子轴3-44啮合，当转子轴3-44为光轴时，需要通过输入齿轮3-25作为中间的传动部件实现行星减速机构3-2与电机3-4的传动连接，行星减速机构3-2的输出端的太阳轮3-22与所述主动输出轴3-6一端连接，所述主动输出轴3-6另一端通过轴承3-9与所述前端盖3-1转动连接并延伸出壳体1，端部也设有输出法兰3-10，优选的，可以将行星减速机构3-2的输出端的太阳轮3-22直接作为主动输出轴3-6，即太阳轮3-22和主动输出轴3-6一体连接。

所述编码器3-8包括磁性码盘3-81和绝对值位置检测线路板3-82，所述磁性码盘3-81与所述主动输出轴3-6固定连接，所述绝对值位置检测线路板3-82固定设置在所述前端盖3-1上，且与所述磁性码盘3-81匹配。

如图9所示，智能控制器2连接的控制接口6包括工业以太网EtherCAT接口、CAN总线信号接口、RS-485总线信号接口、IIC总线信号接口、脉冲方向信号接口、I/O电平信号接口、舵机PPM信号接口，其中，工业以太网EtherCAT作为主通讯接口，最高通讯速率可达100M，最多容纳从站关节机构65535个，而满足多关节服务机器人对通讯速度、实时性、同步性的要求；其他通讯还支持，CAN总线信号、RS-485总线信号、IIC总线信号、S总线信号、脉冲方向信号、I/O电平信号、舵机PPM信号接口，可以实现与PLC、运动控制卡、舵机控制器、总线控制器以及手动开关的无缝连接。

智能控制器2是控制系统的核心，它接受各种控制、反馈信号，发出驱动信号给驱动器4驱动电机3-4旋转，电机3-4输出轴连接行星减速机构3-2转动，磁性码盘3-81跟随行星减速机构3-2转动获得主动输出轴3-6绝对位置，绝对值位置检测线路板3-82读取磁性码盘3-81的位置信息，并将信息反馈到智能控制器2进行比较、计算，通过PID算法得到驱动指令。人机界面5用于设定系统参数、模式，也可以手动调试电机3-4，实现电机3-4正、反转，定位、停止等操作。

工作流程如下：

通过人机界面5或总线指令设置参数、运行模式、坐标零点等数据，完成初始化工作；

通过控制接口6向电机3-4发送运动指令；

智能控制器2上的微控制器根据设定的运行模式以及速度、加速度极限指标优化输出指令；

输出指令驱动驱动器4，控制电机3-4按指令运动；

电机3-4带动行星减速机构3-2运动，进一步提高输出转矩，现实大扭矩输出；

绝对值位置检测线路板3-82实时检测实际位置，并且与输出指令进行比较，通过PID算法器调整，进一步修正输出指令，从而构成位置闭环控制，保证系统高精度运行。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：包括一体集成在壳体(1)内的智能控制器(2)、双输出伺服传动机构(3)、驱动器(4)和人机界面(5)，所述智能控制器(2)接收外部控制信号和反馈信号，并发出驱动信号给驱动器(4)，所述驱动器(4)驱动所述双输出伺服传动机构(3)的输出轴转动，所述人机界面(5)与所述智能控制器(2)信号连接，用于设定系统参数和模式以及手动调试所述双输出伺服传动机构(3)实现正反转、定位和停止，所述智能控制器(2)设有工业以太网通讯接口。

2.如权利要求1所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述双输出伺服传动机构(3)包括依次连接的前端盖(3-1)、行星减速机构(3-2)、连接块(3-3)、电机(3-4)和后端盖(3-5)，所述前端盖(3-1)一侧设有主动输出轴(3-6)，所述电机(3-4)、行星减速机构(3-2)和主动输出轴(3-6)依次传动连接，所述后端盖(3-5)一侧转动连接从动输出轴(3-7)，所述从动输出轴(3-7)随所述主动输出轴(3-6)转动，且所述电机(3-4)、行星减速机构(3-2)、主动输出轴(3-6)和从动输出轴(3-7)的轴线重合，所述主动输出轴(3-6)伸出前端盖(3-1)的一端设有编码器(3-8)。

3.如权利要求2所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述电机(3-4)包括从外到内依次同轴设置的电机壳(3-41)、定子(3-42)和转子(3-43)，所述定子(3-42)为内壁为圆形且外壁为至少六条边的正多边形的柱体，所述电机壳(3-41)内孔形状与所述定子(3-42)外壁形状匹配，所述定子(3-42)两端分别与连接块(3-3)和后端盖(3-5)连接，所述转子(3-43)与所述行星减速机构(3-2)连接。

4.如权利要求3所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述连接块(3-3)和后端盖(3-5)与所述定子(3-42)连接的一侧均设有与定子(3-42)端面形状匹配的连接槽，所述后端盖(3-5)靠近所述智能控制器(2)的一侧设有朝向定子(3-42)一侧的U形开口(3-52)。

5.如权利要求2所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述行星减速机构(3-2)至少包括一行星架(3-21)、一太阳轮(3-22)和多个行星轮(3-23)，所述太阳轮(3-22)和行星轮(3-23)位于行星架(3-21)的两侧，所述太阳轮(3-22)与所述行星架(3-21)固定连接，且所述行星轮(3-23)通过转轴(3-24)与所述行星架(3-21)连接，当所述行星减速机构(3-2)为多级行星减速机构(3-2)时，前一级的太阳轮(3-22)与后一级的行星轮(3-23)啮合，行星减速机构(3-2)的输入端的行星轮(3-23)直接与所述电机(3-4)的输出轴传动连接或通过输入齿轮(3-25)与所述电机(3-4)的输出轴传动连接，行星减速机构(3-2)的输出端的太阳轮(3-22)与所述主动输出轴(3-6)连接。

6.如权利要求2所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述编码器(3-8)包括磁性码盘(3-81)和绝对值位置检测线路板(3-82)，所述磁性码盘(3-81)与所述主动输出轴(3-6)固定连接，所述绝对值位置检测线路板(3-82)固定设置在所述前端盖(3-1)上，且与所述磁性码盘(3-81)匹配。

7.如权利要求2所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述主动输出轴(3-6)和从动输出轴(3-7)上均设有输出法兰(3-10)。

8.如权利要求1所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述壳体(1)包括上壳体(1-1)和下壳体(1-2)，所述上壳体(1-1)和下壳体(1-2)固定连接，所述上壳体(1-1)上设置有人机界面窗口(1-3)。

9.如权利要求1所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：所述智能控制器(2)和驱动器(4)位于所述双输出伺服传动机构(3)的一侧，且所述人机界面(5)、智能控制器(2)和驱动器(4)从上到下依次设置，所述智能控制器(2)和驱动器(4)之间设有隔离柱(7)。

10.如权利要求1所述的基于工业以太网的一体化伺服执行器，其特征在于：还包括与所述智能控制器(2)连接的控制接口(6)，所述控制接口(6)包括CAN总线信号接口、RS-485总线信号接口、IIC总线信号接口、脉冲方向信号接口、I/O电平信号接口、舵机PPM信号接口。