CN106357074A - 机器人行走系统用轮毂电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人行走系统用轮毂电机，包括轮毂、主轴、定子、信号线、驱动器、永磁体、磁编码器、磁传感器、磁片和磁轭，其中主轴安装轮毂内，定子安装在主轴上，信号线从主轴内穿出，并分别与驱动器和磁编码器连接，驱动器安装在定子上，磁轭安装在轮毂内，永磁体安装在磁轭上，并与定子相匹配，磁编码器安装在主轴上，磁传感器安装在磁编码器上，磁片安装在轮毂内，并与磁传感器相匹配。本发明将各部件均集成在轮毂内，无需在轮毂外设置额外传动机构，以实现对轮毂的驱动和控制，简化了结构，集成度高，并且利用了磁编码器和驱动器的混合使用，能实现精确到0.1度的旋转角度控制，能在需要高精度、小型化的机器人上使用。

Description

机器人行走系统用轮毂电机
技术领域
本发明涉机械设计领域，尤其是涉及一种电机。
背景技术
随着科学技术的进步，近几年在娱乐、服务和工业等领域中，机器人的应用越来越广泛，而为了方便机器人的运动以使机器人能具有实现更多的动作，机器人行走系统的设计和研究一直是机器人研究中的一个重要组成部分，目前，最常见的机器人行走系统一般为轮毂式或者履带式，两者均是通过外部的电机通过齿轮箱等对其进行驱动工作，这样结构，存在传动效率低、摩擦损耗大、寿命低、噪音大、控制性能差等缺点。
如今，市面上还出现了一种将电机和轮毂组合的轮毂电机，其电机的转动即为轮毂的转动，这种电机虽然消除了传动过程中的各种问题，但是该类电机驱动器组件部分依然需要外置，其结构复杂，集成度低，导致驱动方式繁琐，而且位置精度调节性能差，难以实现准确，精密的控制，难以在需要高精度、小型化的机器人行走系统上进行使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，集成度高，控制精度高的机器人行走系统用轮毂电机。
根据本发明的一个方面，提供了一种机器人行走系统用轮毂电机，包括轮毂、主轴、定子、信号线、驱动器、永磁体、磁编码器、磁传感器、磁片和磁轭，其中主轴安装轮毂内，定子安装在主轴上，信号线从主轴内穿出，并分别与驱动器和磁编码器连接，驱动器安装在定子上，磁轭安装在轮毂内，永磁体安装在磁轭上，并与定子相匹配，磁编码器安装在主轴上，磁传感器安装在磁编码器上，磁片安装在轮毂内，并与磁传感器相匹配。
本发明的有益效果是：本发明的驱动器通过信号线来进行设定，并按照设定驱动定子产生磁场，而磁轭将磁场导引到永磁体处，使得永磁体转动，永磁体带动轮毂转动，而轮毂旋转过程中，由于磁片会随轮毂转动，因此磁片产生的磁场角度会有改变，磁传感器会感应上述磁场角度的改变，使得磁编码器获得轮毂实时位置，并将其反馈到驱动器中，驱动器再以此来改变定子的电流方向，以保证轮毂能不停地旋转下去，并当旋转角度到达设定值时，驱动器能使轮毂停止旋转。本发明将各部件均集成在轮毂内，无需在轮毂外设置变速箱、皮带等传动机构，即可实现对轮毂的驱动和控制，简化了结构，集成度高，并且利用了磁编码器和驱动器的混合使用，能实现精确到0.1度的旋转角度控制，控制精度高，能很好地在需要高精度、小型化的机器人上使用。
在一些实施方式中，定子包括铁芯、绕组和骨架，其中骨架安装在铁芯上，绕组绕在骨架上，驱动器安装在骨架上，并与绕组电性连接。骨架能分开铁芯和绕组，并方便驱动器的安装，而驱动器能改变通入绕组的电流方向和电流大小，以此使得绕组产生的磁场准确，以保证本发明的准确工作。
在一些实施方式中，轮毂包括前端盖和后端盖，其中前端盖和后端盖相连接。轮毂分为两部分，能方便各部件的安装和固定。
在一些实施方式中，前端盖和主轴间设有油封。油封的设置能保证主轴从前端盖伸出处的密封性，提高本发明的防护等级。
在一些实施方式中，驱动器包括主控MCU(Microcontroller Unit的简称，即微控制单元)、驱动控制模块、485通讯模块和功率开关模块，其中驱动控制模块和485通讯模块均与主控MCU电性连接，驱动控制模块和功率开关模块电性连接，功率开关模块与定子电性连接，主控MCU与磁编码器电性连接。驱动控制模块和功率开关模块的共同设置能实现定子上的磁场的开闭、磁场方向的改变和磁场大小的变化，以此使得对应永磁体转动能符合用户的需要，而485通讯模块则能方便用户通过485协议来对主控MCU发送指令，提高本发明的灵活性，且485通讯方式仅需使用两根通讯线，能明显减少信号线内部所需的导线，简化信号线的结构。
在一些实施方式中，驱动器还包括变压模块，其中变压模块与主控MCU和驱动控制模块分别电性连接。变压模块的设置能保证主控MCU和驱动控制模块的工作电压的稳定，防止因接入电压过大而损坏本发明。
在一些实施方式中，主轴内设有空腔，其中信号线从空腔穿出，信号线脱离空腔处设有密封胶。空腔的设置能保证信号线的位置的固定，并能更好地保护信号线，而密封胶的设置能信号线脱离空腔处的密封性，提高本发明的防护等级。
附图说明
图1为本发明的一种实施方式的机器人行走系统用轮毂电机的正视图。
图2为的机器人行走系统用轮毂电机的正视图的剖视图。
图3为的机器人行走系统用轮毂电机的未安装轮毂的正视图的剖视图。
图4为的机器人行走系统用轮毂电机的驱动器的原理方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-图4，本发明的机器人行走系统用轮毂电机，包括轮毂1、主轴2、定子3、信号线4、驱动器5、永磁体6、磁编码器7、磁传感器8、磁片9和磁轭10。
轮毂1包括前端盖11和后端盖12，前端盖11和后端盖12通过螺栓相连接。主轴2的一端通过轴承安装在后端盖12内，其中部通过轴承安装在前端盖11内，而另一端则从前端盖11伸出，使得主轴2被固定在轮毂1内，另外，主轴2从前端盖11的伸出位置设有油封13。主轴2内还设有空腔21，信号线4一部分位于空腔21内，且一端从空腔21穿出，而信号线4该端脱离空腔21处设有密封胶22。
定子3包括铁芯31、绕组32和骨架33，骨架33可以为塑胶等绝缘体，铁芯31固定安装在主轴2上，骨架33固定安装在铁芯31上，绕组32绕在骨架33上。磁轭10安装在后端盖12内，而永磁体6安装在磁轭10上，即永磁体6通过磁轭10安装在轮毂1内，且永磁体6的位置和定子3的位置相匹配，使得绕组32产生磁场时，永磁体6能相应转动。
驱动器5安装在定子3的骨架33上，驱动器5包括主控MCU 51、驱动控制模块52、485通讯模块53、功率开关模块54和变压模块55。主控MCU51采用意法半导体集团供应的型号为STM32F030C6T6的MCU，驱动控制模块52采用国际整流公司供应的型号为IRS2003的驱动芯片，485通讯模块53采用美信电子有限公司供应的MAX485EN元件，功率开关模块51采用Diodes公司供应的AH173元件，变压模块55采用上海芯龙半导体技术股份有限公司供应的XL7025元件。
上述主控MCU 51、驱动控制模块52、485通讯模块53、功率开关模块54和变压模块55能集成在PCB上，使得驱动控制模块52和485通讯模块53均与主控MCU 51电性连接，驱动控制模块52与功率开关模块54电性连接，变压模块55与主控MCU 51和驱动控制模块52分别电性连接。
另外，驱动器5与信号线4连接，使得485通讯模块53能通过信号线4接收外部的指令，且变压模块55功率开关模块54能通过信号线4获得供电，而驱动器5还与定子3的绕组32连接，使得功率开关模块54与绕组32电性连接，以此功率开关模块54能控制绕组32的通电与否和磁场方向。
而磁编码器7通过螺栓安装在主轴2的端部，磁传感器8则安装在磁编码器7上，并与磁编码器7电性连接，磁片9为一对极径向充磁的永磁体，其嵌在后端盖12的中部内，且磁传感器8的位置与磁片9的位置相匹配，使得磁传感器8能感应到磁片9的磁场。另外，磁编码器7还与信号线4连接，使得磁编码器7能与驱动器5的主控MCU 51电性连接，即磁编码器7所接收到的信号能传到主控MCU 51中。
本发明使用前，用户可以先通过信号线4将驱动器5与单片机等编码器连接，编码器通过信号线4向驱动器5输入指令，指令在通过485通讯模块53转换成相应信号后输入到主控MCU 51中，以此对主控MCU 51进行设定。
本发明工作时，本发明通过信号线4接入电源，电源为变压模块55和功率开关模块54供电，变压模块55将电源电压转换为适合电压后，输入到主控MCU 51和驱动控制模块52中，MCU 51发送信号到驱动控制模块52中，驱动控制模块52驱动功率开关模块54导通绕组32，绕组32通入电流后产生磁场，永磁体6在磁场内开始旋转，并带动轮毂1旋转。此时，由于轮毂1旋转，位于轮毂1的后端盖12内的磁片9也随之旋转，由于磁片9旋转的角度不同，其磁场位置则会有相应的变化，而磁传感器8则由于主轴2固定不动而维持不动，磁传感器8因此能感应到磁片9旋转时的不同磁场并产生相应电信号，磁传感器8将该电信号传到磁编码器7中，磁编码器7再根据该电信号以获得相应的位置信号，最后将该位置信号传输到驱动器5的MCU 51中，MCU 51能获据此得轮毂1的位置，会适时地发送信号到驱动控制模块52中，驱动控制模块52根据该信号驱动功率开关模块54适时改变绕组32中的电流方向，即改变磁场方向，使得永磁体6能一直不停地旋转下去，即轮毂1不停地旋转。而且在在当轮毂1的旋转位置到达用户的设定值时，MCU 51会发送信号到驱动控制模块52中，驱动控制模块52驱动功率开关模块54截止绕组32，绕组32断电并且磁场消失，永磁体6停止旋转，即轮毂1停止旋转，本发明完成用户设定的工作。
另外，本发明在使用过程中，MCU 51还能根据获得的轮毂1旋转位置发送相应信号到485通讯模块53中，485通讯模块53能将其转换成相应的数据后输出，由此，用户能通过将解码设备通过信号线4连接上485通讯模块53，以此获得当前的轮毂1的旋转位置。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，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。

Claims (7)

1.机器人行走系统用轮毂电机，其中，包括轮毂(1)、主轴(2)、定子(3)、信号线(4)、驱动器(5)、永磁体(6)、磁编码器(7)、磁传感器(8)、磁片(9)和磁轭(10)，所述主轴(2)安装轮毂(1)内，所述定子(3)安装在主轴(2)上，所述信号线(4)从主轴(2)内穿出，并分别与驱动器(5)和磁编码器(7)连接，所述驱动器(5)安装在定子(3)上，所述磁轭(10)安装在轮毂(1)内，所述永磁体(6)安装在磁轭(10)上，并与定子(3)相匹配，所述磁编码器(7)安装在主轴(2)上，所述磁传感器(8)安装在磁编码器(7)上，所述磁片(9)安装在轮毂(1)内，并与磁传感器(8)相匹配。
2.根据权利要求1所述的机器人行走系统用轮毂电机，其中，所述定子(3)包括铁芯(31)、绕组(32)和骨架(33)，所述骨架(33)安装在铁芯(31)上，所述绕组(32)绕在骨架(33)上，所述驱动器(5)安装在骨架上(33)，并与绕组(32)电性连接。
3.根据权利要求1所述的机器人行走系统用轮毂电机，其中，所述轮毂(1)包括前端盖(11)和后端盖(12)，所述前端盖(11)和后端盖(12)相连接。
4.根据权利要求3所述的机器人行走系统用轮毂电机，其中，前端盖(11)和主轴(2)间设有油封(13)。
5.根据权利要求1所述的机器人行走系统用轮毂电机，其中，所述驱动器(5)包括主控MCU(51)、驱动控制模块(52)、485通讯模块(53)和功率开关模块(54)，所述驱动控制模块(52)和485通讯模块(53)均与主控MCU(51)电性连接，所述驱动控制模块(52)和功率开关模块(54)电性连接，所述功率开关模块(54)与定子(3)电性连接，所述主控MCU(51)与磁编码器(7)电性连接。
6.根据权利要求5所述的机器人行走系统用轮毂电机，其中，所述驱动器(5)包括变压模块(55)，所述变压模块(55)与主控MCU(51)和驱动控制模块(52)分别电性连接。
7.根据权利要求1所述的机器人行走系统用轮毂电机，其中，所述主轴(2)内设有空腔(21)，所述信号线(4)从空腔(21)穿出，所述信号线(4)脱离空腔(21)处设有密封胶(22)。
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