CN106335076A - 智能安全型一体化服务机器人关节 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能安全型一体化服务机器人关节包括输入端、中空直流无刷电机、中空光栅式绝对编码器、中空谐波减速器、转矩传感器、输出端以及控制装置；其中，中空直流无刷电机一方面与输入端连接，另一方面驱动中空谐波减速器；所述中空光栅式绝对编码器用于测量中空直流无刷电机的输出转速；所述中空直流无刷电机通过中空谐波减速器驱动所述输出端转动；所述控制装置用于控制中空直流无刷电机运转；所述通过转矩传感器设置在输出端上，所述转矩传感器电连接所述控制装置。本发明的机构设计精巧实用，占用空间较小，非常接近于人体关节尺寸，较传统的一体化关节更为小巧，性能更加优越。

Description

智能安全型一体化服务机器人关节

技术领域

本发明涉及机器人关节，具体地，涉及一种智能安全型一体化服务机器人关节，尤其适用于服务型机器人的快速、低成本的模块化组合及应用。

背景技术

随着现代社会的发展，服务业的增长越来越迅速，人员的需求量日益增长，但是我国的人口红利正在逐渐消失，服务业的成本也在逐渐提升，引入服务型机器人就成为了一种必然的趋势。但是传统的服务型机器人成本较高，而且缺乏可靠的安全保护装置，这些都在一定程度上限制了服务机器人的大规模应用。本发明可以实现关节的模块化生产，降低关节的生产成本，同时使得服务型机器人的机械臂不需要重新设计，只需要选择合适的一体化关节进行组合，缩短了研发周期，进一步降低了成本，同时本发明具有多种安全保护装置，提高了最终产品的安全性。

一体化服务机器人关节目前已经有一定的研究，具体描述如下：

专利公开号为CN 105313134 A，名称为轻量型机械臂模块化关节的发明专利中，公开了一种轻量型机械臂模块化关节，包括中空电机、减速器、高速电机轴承、模块化关机输出轴、编码器。该发明在模块化关节的基础上进行了彻底的优化和改进，具有质量轻、传动精度高、体积小的优点，而且对结构进行了简化。但此系统没有力矩传感作用，因此安全性不佳。

专利公告号为CN105437255A，名称为一种中空走线的机电一体化关节的中国实用新型专利中，公开了一种中空走线的机电一体化关节，包括力矩传感器、中空电机定子、中空电机转子、电磁抱闸、驱动控制器、电机支撑外壳、中空驱动轴、中空谐波减速器、大跨距轴承。此系统安装了力矩传感器，保证了一定的安全性，但是没有相应位置采集装置，位置控制精度不高。

还有一些有关模块化关节的设计，如“空间机械臂模块化关节”(专利公告号CN1807032 A)、“驱动控制一体化智能集成关节”(专利公告号CN 104552329 B)，虽有一定的参考价值，但与本发明的关系不大，不再赘述。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种智能安全型一体化服务机器人关节，具体为一种能够高效稳定运行的、接近于人体尺寸，单机传动，多重智能传感结合，便于服务行业应用及智能集成，具有面向人的安全保护功能的一体化服务机器人关节。

根据本发明提供的智能安全型一体化服务机器人关节，包括输入端、中空直流无刷电机、中空光栅式绝对编码器、中空谐波减速器、转矩传感器、输出端以及控制装置；

其中，中空直流无刷电机一方面与输入端连接，另一方面驱动中空谐波减速器；

所述中空光栅式绝对编码器用于测量中空直流无刷电机的输出转速；

所述中空直流无刷电机通过中空谐波减速器驱动所述输出端转动；

所述控制装置用于控制中空直流无刷电机运转；

所述通过转矩传感器设置在输出端上，所述转矩传感器电连接所述控制装置。

优选地，所述的中空直流无刷电机包括中空电机转子、中空电机定子以及中空电机轴；

其中，所述中空电机定子与所述的输入端相连；所述中空电机转子通过中空电机轴所述的中空谐波减速器相连；所述中空电机轴用于中空布线。

优选地，所述中空光栅式绝对编码器电连接所述控制装置，用于将空电机转子的输出转速反馈给所述控制装置。

优选地，所述的中空谐波减速器包括波发生器、柔轮、钢轮以及十字交叉滚子轴承；

其中，波发生器与所述的中空直流无刷电机的中空电机轴相连；所述柔轮与十字交叉滚子轴承外圈、所述输入端相连；钢轮与十字交叉滚子轴承内圈、所述的输出端相连。

优选地，当所述输出端在旋转过程中时，通过所述转矩传感器检测到输出端旋转过程的力矩大于力矩阈值时，所述控制装置控制中空直流无刷电机停机或向运动反方向运转。

优选地，还包括中空布线装置，所述中空布线装置包括中空布线管和中空束线器；所述中空布线管和所述中空束线器同轴设置；

所述中空布线管和中空束线器设置在所述中空电机轴内侧。

优选地，所述的控制装置，包括stm32控制板和直流无刷电机驱动板；

所述stm32控制板连接所述直流无刷电机驱动板；所述stm32控制板用于向直流速刷电机驱动板传递控制信号；所述直流无刷电机驱动板电连接所述中空直流无刷电机；

所述stm32控制板电连接所述空光栅式绝对编码器、所述转矩传感器，用于处理所述空光栅式绝对编码器、所述转矩传感器采集的数据。

优选地，所述的stm32控制板，采用系列号为stm32f4xx的控制芯片。

优选地，所述的stm32f4xx控制芯片采用SCI异步串行通讯的方式来与上位机进行通讯，通过CAN总线向所述直流无刷电机驱动板的驱动器发送指令，并接收从驱动器反馈回来的信息。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的机构设计精巧实用，占用空间较小，非常接近于人体关节尺寸，较传统的一体化关节更为小巧，性能更加优越；

2、本发明能够实现较高的控制精度，本发明采用stm32作为控制器，并采用了电机驱动板来对电机进行精确的控制，并且本发明通过高精度的中空光栅绝对式编码器来进行位置的反馈，通过CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)来进行信号的传输；

3、本发明具有很高的安全性和可靠性。本发明的是专为服务型机器人而设计的，服务机器人由于其工作特点，会经常和人发生接触，因此它的安全性和可靠性十分重要。为了提高一体化关节的安全性和可靠性，本发明利用力矩传感器和光栅绝对式编码器等设备来对当前关节的状态进行检测，一旦发现异常，本发明将迅速做出反应，终止当前动作，保护使用者的安全；

4、本发明可以实现模块化之间的快速衔接，本发明模块与模块之间的通讯方式为CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)通讯方式，只需要将对应的CAN总线接头和电源接头对于接通即完成了模块之间的硬件连接。

5、本发明中通过CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)通讯方式对模块化一体化服务机器人关节进行实时反馈控制，提高了机械臂作业中的承载操作平稳性及实时操作性，本发明为服务机器人的组装及使用提供了一种简单方便，易于组装，稳定可靠的应用产品。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的智能安全型一体化服务机器人关节的结构示意图。

图中：1为转矩传感器；2为中空谐波减速器；3为中空光栅式绝对编码器；4为中空无刷直流电机控制输出端；5为中空直流无刷电机；6为控制装置。

图2为本发明的智能安全型一体化服务机器人关节的控制示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的智能安全型一体化服务机器人关节，包括输入端、中空直流无刷电机5、中空光栅式绝对编码器3、中空谐波减速器2、转矩传感器1、输出端以及控制装置6；

其中，中空直流无刷电机5一方面与输入端连接，另一方面驱动中空谐波减速器2；

所述中空光栅式绝对编码器3用于测量中空直流无刷电机5的输出转速；

所述中空直流无刷电机5通过中空谐波减速器2驱动所述输出端转动；

所述控制装置6用于控制中空直流无刷电机5运转；

所述通过转矩传感器1设置输出端设置在输出端上，所述转矩传感器1电连接所述控制装置6。

所述的中空直流无刷电机5包括中空电机转子、中空电机定子以及中空电机轴；

其中，所述中空电机定子与所述的输入端相连；所述中空电机转子通过中空电机轴所述的中空谐波减速器相连；所述中空电机轴用于中空布线。

所述中空光栅式绝对编码器3电连接所述控制装置，用于将空电机转子的输出转速反馈给所述控制装置。

所述的中空谐波减速器2包括波发生器、柔轮、钢轮以及十字交叉滚子轴承；

其中，波发生器与所述的中空直流无刷电机5的中空电机转子相连；所述柔轮与十字交叉滚子轴承外圈、所述输入端相连；钢轮与十字交叉滚子轴承内圈、所述的输出端相连。

当所述输出端在旋转过程中时，通过所述转矩传感器检测到输出端旋转过程的力矩大于力矩阈值时，所述控制装置控制中空直流无刷电机5停机或向运动反方向运转。

本发明提供的智能安全型一体化服务机器人关节，还包括中空布线装置，所述中空布线装置包括中空布线管和中空束线器；所述中空布线管和所述中空束线器同轴设置；

所述中空布线管和中空束线器设置在所述中空电机轴内侧。

所述的控制装置，包括stm32控制板和直流无刷电机驱动板；

所述stm32控制板连接所述直流无刷电机驱动板；所述stm32控制板用于向直流速刷电机驱动板传递控制信号；所述直流无刷电机驱动板电连接所述中空直流无刷电机5；

所述stm32控制板电连接所述空光栅式绝对编码器3、所述转矩传感器1，用于处理所述空光栅式绝对编码器3、所述转矩传感器1采集的数据。

所述的stm32控制板，采用系列号为stm32f4xx的控制芯片。

所述的stm32f4xx控制芯片采用SCI异步串行通讯的方式来与上位机进行通讯，通过CAN总线向所述直流无刷电机驱动板的驱动器发送指令，并接收从驱动器反馈回来的信息。

如图2所示，本发明提供的智能安全型一体化服务机器人关节的控制部分包括主要状态处理系统，驱动系统和通讯系统。

所述的主要状态处理系统，负责对关节的状态信息进行处理，并通过通讯系统与上位机和驱动系统进行通信，主要状态处理系统的主要控制芯片为意法公司的stm32f4xx系列控制芯片，具体型号为stm32f407VG。

所述的驱动系统，负责对主要状态处理系统传来的命令进行执行，通过CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)收到来自主要状态处理系统传来的信息后，利用六路PWM模块对电机进行相应的控制。

主要状态处理系统与上位机进行通讯的方式为SCI异步串行通讯方式，主要状态处理系统从上位机获得命令并经过处理后通过CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)的方式来与驱动系统进行命令的发送和反馈的接收，关节间的通讯采用CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)的方式。

当关节姿态调整的命令发出后，主要状态处理系统可以迅速地做出运动规划，并将命令通过CAN总线(包含EtherCAT总线或Profibus总线等)发送给所述的驱动器系统，驱动器系统通过逆变电路实现交流电和直流电的转换，输出六路PWM方波，并交替更换PWM的导通角，通过光栅式绝对编码器和电流传感器的反馈信息对智能安全型一体化服务机器人关节的位置、速度进行实时的检测和控制，当关节的位置达到设定值时，立即终止驱动器系统。

本发明所采用的保护措施，主要利用三个传感器所反馈的信息，分别为转矩传感器，电流传感器以及光栅式绝对编码器，保护算法的主要原理为根据三个传感器所反馈的信息综合算出的冲击里超过所设定的阀值时，则判定关节遇到了障碍物，此时立即停机，防止意外的发生。

本发明的电流环设计，电机轴的输出转矩与电机定子的绕组电流成正比，根据KCL电流定理，只需要采集两相的电流就可以知道三相的电流量，本发明通过在电机的两路电路中串联上电流传感器来实现对于电流值的采集，并通过AD数模转换器将信息传给主要状态处理系统。

本发明的速度和位置环设计，速度和位置环在电机的控制中具有非常重要的作用，其检测的精确性直接影响到对电机的控制精度，本发明采用一个带电池的光栅式增量编码器来实现电动机转速，电动机转向以及转子相对于定子位置的检测，本发明采用的光栅式增量编码器附带一个额外的电池来使它保持通电的状态，使它不会因为断电而造成零位的缺失，这样在保证精度的同时又省去了购买昂贵的光栅式绝对编码器的成本，使得本装置的成本进一步降低。

本发明增加了其他发明所缺乏力矩传感器，并且创新性地优化了对于人体的保护算法，使得本发明可以实现对于人体更加可靠的保护作用，并因此使得本发明更加适合用于人机交互场合较多的服务机器人，同时本发明还对于结构进行了优化，采用了中空走线的方式，简化了结构，使得本发明更加灵活，轻巧，除此之外，本系统还增加了反馈机制，采用电流反馈，速度反馈，位置反馈等多种反馈机制来增加本发明的控制的精确度。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明中的控制装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的控制装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的控制装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的控制装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的控制装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，包括输入端、中空直流无刷电机(5)、中空光栅式绝对编码器(3)、中空谐波减速器(2)、转矩传感器(1)、输出端以及控制装置(6)；

其中，中空直流无刷电机(5)一方面与输入端连接，另一方面驱动中空谐波减速器(2)；

所述中空光栅式绝对编码器(3)用于测量中空直流无刷电机(5)的输出转速；

所述中空直流无刷电机(5)通过中空谐波减速器(2)驱动所述输出端转动；

所述控制装置(6)用于控制中空直流无刷电机(5)运转；

所述通过转矩传感器(1)设置在输出端上，所述转矩传感器(1)电连接所述控制装置(6)。

2.根据权利要求1所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，所述的中空直流无刷电机(5)包括中空电机转子、中空电机定子以及中空电机轴；

其中，所述中空电机定子与所述的输入端相连；所述中空电机转子通过中空电机轴所述的中空谐波减速器相连；所述中空电机轴用于中空布线。

3.根据权利要求2所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，所述中空光栅式绝对编码器(3)电连接所述控制装置，用于将空电机转子的输出转速反馈给所述控制装置。

4.根据权利要求2所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，所述的中空谐波减速器(2)包括波发生器、柔轮、钢轮以及十字交叉滚子轴承；

其中，波发生器与所述的中空直流无刷电机(5)的中空电机轴相连；所述柔轮与十字交叉滚子轴承外圈、所述输入端相连；钢轮与十字交叉滚子轴承内圈、所述的输出端相连。

5.根据权利要求1所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，当所述输出端在旋转过程中时，通过所述转矩传感器检测到输出端旋转过程的力矩大于力矩阈值时，所述控制装置控制中空直流无刷电机(5)停机或向运动反方向运转。

6.根据权利要求1所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，还包括中空布线装置，所述中空布线装置包括中空布线管和中空束线器；所述中空布线管和所述中空束线器同轴设置；

所述中空布线管和中空束线器设置在所述中空电机轴内侧。

7.根据权利要求1所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，所述的控制装置，包括stm32控制板和直流无刷电机驱动板；

所述stm32控制板连接所述直流无刷电机驱动板；所述stm32控制板用于向直流速刷电机驱动板传递控制信号；所述直流无刷电机驱动板电连接所述中空直流无刷电机(5)；

所述stm32控制板电连接所述空光栅式绝对编码器(3)、所述转矩传感器(1)，用于处理所述空光栅式绝对编码器(3)、所述转矩传感器(1)采集的数据。

8.根据权利要求7所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，所述的stm32控制板，采用系列号为stm32f4xx的控制芯片。

9.根据权利要求8所述的智能安全型一体化服务机器人关节，其特征在于，所述的stm32f4xx控制芯片采用SCI异步串行通讯的方式来与上位机进行通讯，通过CAN总线向所述直流无刷电机驱动板的驱动器发送指令，并接收从驱动器反馈回来的信息。