CN107176370A - 一种自动行走载货箱 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自动行走载货箱，包括：载货箱体，载货箱体上安装有的旋转红外摄像头、超声波传感器，条码扫描仪、FRID扫描仪、电机控制锁匙、内置GPS定位系统、蓝牙传感器、喇叭、摄像头、中央处理器和带有APP程序及显示器的电脑，以及重心调节机构；载货箱体套在双腿髋关节机构上，双腿髋关节机构由左右腿连接支撑，左右腿分别由上述的脚掌关节机构连接支撑。本发明把双足行走的双腿髋的关节机构用作机器人的髋关节机构，此时，机器人可以进行多种动作，比如，能载货、旋转或上下楼梯等，用脚部的轮子自动滑行，也能够自然行走。

Description

一种自动行走载货箱

技术领域

本发明属于一种自动行走载货箱，尤其属于其脚掌关节机构、双腿髋关节机构、重心调节机构、带刹车外转子直流一体电机、主控载货箱和远程控制及检测部分。

背景技术

小型机器人行走机构已经被开发出来，包括摆臂传动系统、底盘系统、曲柄连杆机构、承载轮机构和行走驱动系统；所述摆臂传动系统包括摆臂系统、摆臂电机和摆臂减速器；另有机器人行走机构，包括驱动连杆、机架、行走导轨、机械脚、机械腿、机械腿套筒、第二连杆及其他机构，总体来说行走机构异常复杂，很难产业化，与现有技术对比的优点在于：本发明从实际出发，利用带刹车外转子直流一体电机，在平坦路面可用轮子移动，减少能耗，上下楼梯时可模拟人类自然走路姿势行走。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种平坦路面上用轮子快速移动，上下楼梯时用双足行走的双腿髋的自动行走载货箱的关节机构，中央处理器能够通过重心传感器及超声波传感器反馈的信息，通过判断流程调节电机实时调整双腿髋关节的重心，做到防止自动行走载货箱跌倒，并且能够自然上下楼梯。

本发明的另一个目的是提供自动行走载货箱，自动行走载货箱安装有与环境及人类交互检测传感器、中央处理器、显示器及APP程序。尤其是涉及自动规划行走线路，自动上下楼梯、按电梯楼层，并与用户货物的远程自动交接及确认。

本发明的另一个目的是旋转电机使用带刹车外转子直流一体电机即驱动器安装在电机的尾部。

本发明的目的是这样实现的，一种自动行走载货箱的脚掌关节机构，其包括：左右各带有一个带刹车外转子直流一体电机和一个辅助轮子的脚掌，左右脚掌上各安装有两个方向的超声波传感器。

所述左右脚掌各起到左右脚部支撑作用，带刹车外转子直流一体电机和辅助轮子分别安装在左右脚掌内部，左脚掌外侧设有的超声波传感器检测与左边物体的距离，左脚掌前端设有的超声波传感器检测与左前端物体的距离，右脚掌外侧设有的超声波传感器检测与右边物体的距离，右脚掌前端设有的超声波传感器检测与右前端物体的距离。

一种自动行走载货箱的双腿髋关节机构，其包括：左右腿的3个关节部各安装有带刹车外转子直流一体电机，并被分别连接到双腿髋关节上，左右腿分别与上述的脚掌关节机构连接，左右腿的小腿部安装有可充电的动力电源，可无线充电。

所述双腿髋关节机构通过带刹车外转子直流一体电机与脚掌连接，小腿与大腿也通过带刹车外转子直流一体电机连接，大腿与髋关节也通过带刹车外转子直流一体电机连接，且被用作自动行走载货箱的支撑作用并自带动力电源装置且能充电（包括无线充电），各关节连接部的带刹车外转子直流一体电机可在一定角度自由旋转。

一种自动行走载货箱的重心调节机构，其包括：所述的双腿髋关节机构上连接的载货箱体，载货箱体内安装有电机，电机前端安装有重心调节块，还包括重心传感器。

所述自动行走载货箱的左右重心能通过电机的转动调节自动行走载货箱的整体重心。

一种自动行走载货箱，其包括：载货箱体，载货箱体上安装有的旋转红外摄像头、超声波传感器，条码扫描仪、FRID扫描仪、电机控制锁匙、内置GPS定位系统、蓝牙传感器、喇叭、摄像头、中央处理器和带有APP程序及显示器的电脑，以及上述的重心调节机构；载货箱体套在上述的双腿髋关节机构上，双腿髋关节机构由左右腿连接支撑，左右腿分别由上述的脚掌关节机构连接支撑。 上述中央处理器根据重心传感器反馈的信息，超声波检测外部环境的状态，通过流程判断驱动带刹车外转子直流一体电机运动，做到防止自动行走载货箱跌倒，自动发声提示路人防止碰撞，自动规划行走线路及防止走失，自动走楼梯、按电梯楼层，当与用户货物交接时，通过安装在自动行走载货箱的条码扫描仪或FRID扫描仪扫描货物并确认正确的货物，如果用户拿错需及时发声提醒。

上述的左右腿包括左小腿、右小腿、左大腿和右大腿；

所述的左小腿包含左小腿部、左下连接部和左上连接部，左小腿部上连接有左上连接部、下连接有左下连接部，左下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与左脚掌的上连接部相连，左动力电池直接安装在左小腿上；右小腿包含右小腿部、右下连接部和右上连接部，右小腿部上连接有右上连接部、下连接有右下连接部，右下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与右脚掌的上连接部相连，右动力电池直接安装在右小腿上；

所述的左大腿包含左大腿部、左下连接部和左上连接部，左大腿部上连接有左下连接部、下连接有左下连接部，左下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与左小腿的左上连接部相连；左上连接部并通过带刹车外转子直流一体电机与髋关节的左连接部相连；右大腿包含右大腿部、右上连接部和右下连接部，右大腿部上连接有右上连接部、下连接有右下连接部，右下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与右小腿的右上连接部相连；右上连接部并通过带刹车外转子直流一体电机与髋关节的右连接部相连。

所述的带刹车外转子直流一体电机中使用的电机为外传子的DDSM电机,所述的DDSM电机包括电机定子和电机外转子，所述的带刹车外转子直流一体电机包含有带定位柱左端盖、刹车电磁铁一、刹车电磁铁二、支撑柱、刹车活动片、刹车摩擦片、锁紧螺母，电机定子、电机外转子、转子外轮、轴承一、轴承二、编码器转盘、右端盖、读头固定座、光电编码器读头,电路板安装壳、第一电路板、第二电路板和电路板支撑柱，带定位柱左端盖通过轴承一与转子外轮的左侧面接触，右端盖嵌套在带定位柱左端盖的定位柱的右侧通过轴承二与转子外轮右侧面接触，读头固定座嵌套在左端盖的定位柱的右侧与电机定子的右侧面相接触，通过锁紧螺母把带定位柱左端盖、电机定子、读头固定座、右端盖固定在一起；电机外转子嵌套在转子外轮里面且能带动转子外轮一起转动，电机定子嵌套在电机外转子里面，并且电机定子嵌套在带定位柱左端盖的定位柱上而固定，带定位柱左端盖侧面上安装有刹车电磁铁一、刹车电磁铁二，刹车活动片所设有的凹槽处套在刹车电磁铁一、刹车电磁铁二的边缘上，刹车摩擦片通过支撑柱固定在刹车活动片上，第一电路板、第二电路板安装在电路板安装壳里面，电路板安装壳嵌套在带定位柱左端盖的定位柱上而固定；编码器转盘固定在转子外轮的右侧且能随着转子外轮转动，光电编码器读头固定在读头固定座上且能与编码器转盘相配合，光电编码器读头能读取编码器转盘的信息传输给第一电路板的光电编码器接口电路，传入第一电路板或/和第二电路板所设有的伺服驱动器；

所述的伺服驱动器包含有稳压电源模块、晶振模块、外部存储模块、光电编码器接口、PWM三相桥功率放大电路、DSP嵌入式微控制器模块、带隔离电路的RS232通讯模块、带隔离电路的CAN通讯模块或EtherCAT通讯模块、大功率场效应管驱动电路，所述的晶振模块、带隔离电路的RS232通讯模块、带隔离电路的CAN通讯模块或EtherCAT通讯模块、光电编码器接口、电流检测模块、外部存储模块、PWM三相桥功率放大电路模块分别与DSP嵌入式微控制器模块连接，大功率场效应管驱动电路与PWM三相桥功率放大电路模块连接后控制DDSM电机运动， DDSM电机经光电编码器、光电编码器接口与DSP嵌入式微控制器模块连接；RS232通讯模块与CAN通讯模块或EtherCAT通讯模块分别与中央处理器连接。

根据本发明双腿髋的自动行走载货箱的关节机构包括：各关节部全部通过带刹车外转子直流一体电机（即自带驱动器且中空）连接，小腿部安装有动力源，电线及连接线全部从中间穿过最终与电脑相连，带刹车外转子直流一体电机使用的电机为外传子DDSM电机,DDSM电机包括电机定子和电机外转子。

本发明的有益效果是：根据本发明双足行走的双腿髋的自动行走载货箱的关节机构可以被用作机器人的髋关节机构，此时，机器人可以进行多种动作，比如，身体的旋转，用脚部的轮子自动滑行，也能够自然行走。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明进行描述。

图1为本发明的自动行走载货箱的示意图。

图2为本发明的小腿与脚掌连接的示意图。

图3为本发明的大腿与小腿连接的示意图。

图4为本发明的双腿髋关节与大腿连接的示意图。

图5为本发明的自动行走载货箱的重心调节实例的立体示意图。

图5a为本发明的自动行走载货箱的重心调节实例的主视图。

图5b为本发明的自动行走载货箱的重心调节实例的左视图。

图6为采用本发明自动行走载货箱的行走的立体示意图。

图6a为采用本发明自动行走载货箱的行走的主视图。

图6b为采用本发明自动行走载货箱的行走的左视图。

图7a为采用本发明自动行走载货箱的下楼梯动作的示意图。

图7b为采用本发明自动行走载货箱的上楼梯动作的示意图。

图8为本发明的自动行走载货箱的电梯楼层操作的立体示意图。

图8a为本发明的自动行走载货箱的电梯楼层操作的右视图。

图9为本发明的自动行走载货箱的货物交接时的立体图。

图9a为本发明的自动行走载货箱的货物交接时的左视图。

图10为本发明的直流电机与重心调节块的3D图。

图10a为本发明的直流电机与重心调节块的主视图。

图10b为本发明的直流电机与重心调节块的左视图。

图11为本发明的带刹车外转子直流一体电机的主视图。

图11-1为本发明的图11的A-A剖视结构示意图。

图11-2为本发明的带刹车外转子直流一体电机的各部件的分解分布结构图。

图11-3为本发明的带刹车外转子直流一体电机的各部件的分解分布结构图。

图12 为带刹车外转子直流一体电机的伺服驱动器原理框图。

图13 为本发明的工作原理流程图。

图14 为本发明的中央处理器调节重心的流程图。

图15 为本发明的带刹车外转子直流一体电机寻找零点流程图。

图16 为本发明的带刹车外转子直流一体电机的工作流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的包含脚掌关节机构和髋关节机构的自动行走载货箱的实施例的示意图。在图1所示实施例中，其包括：第一部分左脚掌1-1、右脚掌1-2；第二部分左小腿2-1、右小腿2-2；第三部分左大腿3-1、右大腿3-2；第四部分双腿髋关节4；第五部分载货箱5；第六部分带刹车外转子直流一体电机D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、调节重心直流电机D9、直流电机D10、开锁直流电机D11；

第一部分的左脚掌1-1包含左脚掌的支撑部1-1-1、左辅助轮子1-1-2和带刹车外转子直流一体电机D1，左辅助轮子1-1-2和带刹车外转子直流一体电机D1安装在左脚掌的支撑部1-1-1的内部，左辅助轮子1-1-2能由转动的带刹车外转子直流一体电机D1带动而一起行走，左脚掌的上连接部1-1-3位于左脚掌的支撑部1-1-1的后端的上部位置、超声波传感器1-1-4位于左脚掌的支撑部1-1-1的前端、超声波传感器1-1-5位于左脚掌的支撑部1-1-1的左侧；右脚掌1-2包含右脚掌的支撑部1-2-1、右辅助轮子1-2-2和带刹车外转子直流一体电机D2，右辅助轮子1-2-2和带刹车外转子直流一体电机D2安装在右脚掌的支撑部1-2-1的内部，右辅助轮子1-2-2能由转动的带刹车外转子直流一体电机D2带动而一起行走，右脚掌的上连接部1-2-3位于右脚掌的支撑部1-2-1的后端的上部位置、超声波传感器1-2-4位于右脚掌支撑部1-2-1的前端、超声波传感器1-2-5位于右脚掌支撑部1-2-1的右侧；

第一部分的工作原理或过程：当自动行走载货箱开始工作时，载货箱上方的旋转红外摄像头5-4自动开启并以均匀的速度旋转，检测前方及周边的状态，并与超声波传感器的反馈的信息给中央处理器，中央处理器判断是否可直接前进，如果可以前进就发送指令给带刹车外转子直流一体电机D1、D2并让它们转动，从而相应带动左右辅助轮子一起转动行走，如果是提醒的距离则中央处理器则发送减速指令给带刹车外转子直流一体电机D1、D2并让它们降低速度，如果是危险的距离则中央处理器则发送停止指令给带刹车外转子直流一体电机D1、D2停止，则本发明的整个左脚掌1-1、右脚掌1-2停止移动。同理，中央处理器可以指令带刹车外转子直流一体电机D1、D2后退。当中央处理器控制带刹车外转子直流一体电机D1、D2不同步转动时，左脚掌1-1、右脚掌1-2能进行转弯行走，并通过侧向的超声波传感器探测到是否到达目的地或侧向障碍物情况，以控制左脚掌1-1、右脚掌1-2是否行走。

第二部分的左小腿2-1包含左小腿部2-1-1、左下连接部2-1-2和左上连接部2-1-4，左小腿部2-1-1上连接有左上连接部2-1-4、下连接有左下连接部2-1-2，左下连接部2-1-2通过带刹车外转子直流一体电机D3与左脚掌的上连接部1-1-3相连，左动力电池2-1-3直接安装在左小腿2-1上；右小腿2-2包含右小腿部2-2-1、右下连接部2-2-2和右上连接部2-2-4，右小腿部2-2-1上连接有右上连接部2-2-4、下连接有右下连接部2-2-2，右下连接部2-2-2通过带刹车外转子直流一体电机D4与右脚掌的上连接部1-2-3相连，右动力电池2-2-3直接安装在右小腿2-2上；上述的左右动力电池分别提供本发明相应位置（左或右）的要用电力的模块或元器件的电压和电流，比如左动力电池可以供应左腿的带刹车外转子直流一体电机D3、D5、D7等的电流和电压。还可以提供旋转红外摄像头、超声波传感器，条码扫描仪、FRID扫描仪、电机控制锁匙及内置GPS定位系统、蓝牙传感器、喇叭、摄像头、中央处理器、APP程序、显示器的电脑的电压电流。

第三部分左大腿3-1包含左大腿部3-1-1、左下连接部3-1-2和左上连接部3-1-3，左大腿部3-1-1上连接有左下连接部3-1-2、下连接有左下连接部3-1-2，左下连接部3-1-2通过带刹车外转子直流一体电机D5与左小腿的左上连接部2-1-4相连；左上连接部3-1-3并通过带刹车外转子直流一体电机D7与髋关节的左连接部4-2-1相连；右大腿3-2包含右大腿部3-2-1、右上连接部3-1-3和右下连接部3-2-2，右大腿部3-2-1上连接有右上连接部3-1-3、下连接有右下连接部3-2-2，右下连接部3-2-2通过带刹车外转子直流一体电机D6与右小腿的右上连接部2-2-4相连；右上连接部3-1-3并通过带刹车外转子直流一体电机D8与髋关节的右连接部4-2-2相连；

第四部分的双腿髋关节4包含双腿髋关节框4-1，双腿髋关节框4-1左侧边有左腿连接部4-2-1、双腿髋关节框4-1的右侧边有右腿连接部4-2-2、调节重心直流电机D9固定在双腿髋关节框4-1内部，重心调节块4-3为偏心结构，这样才会起到调节重心的作用，重心调节块4-3安装在调节重心直流电机D9的电机轴前端，调节重心直流电机D9转动带动重心调节块4-3转动达到调节载货箱的重心位置，重心传感器4-4-1 和重心传感器4-4-2安装在髋关节框4-1内部，中央处理器根据重心传感器4-4-1、4-4-2反馈的三维信息和将要执行的动作为运算的闭环条件，中央处理器发送指令给调节重心直流电机D9，中央处理器能边运算边调整指令使自动行走载货箱的重心到达理想状态；

如图14所示，第二、三、四部分的工作过程：比如本发明的中央处理器根据载货箱体上设有的旋转红外摄像头5-4获得外围环境的情况，判断是否需要上楼梯，如果需要中央处理器则发指令启动调节重心直流电机D9结合重心传感器反馈的三维信息，启动左腿部的带刹车外转子直流一体电机D3、D5和D7抬起左腿，启动右腿部的带刹车外转子直流一体电机D4、D6和D8以及调节重心直流电机D9使重心调节块4-3转动达到调节自动行走载货箱的重心放在右腿上，并结合左脚掌的超声波传感器探测的信息，使左腿前进上楼梯，然后中央处理器发送指令启动调节重心直流电机D9使重心调节块4-3转动以及结合重心传感器反馈的三维信息，启动左腿部的带刹车外转子直流一体电机D3、D5和D7使自动行走载货箱的重心放在左腿上，启动右腿部的带刹车外转子直流一体电机D4、D6和D8抬起右腿，并结合右脚掌的超声波传感器探测的信息，使右腿前进上楼梯，如此反复，这样就能很好地上下楼梯或过坑洼地带等。

第五部分的载货箱5包含载货箱体5-1、四个方向超声波传感器5-2-1、5-2-2、5-2-3、5-2-4、内置摄像头、GPS定位系统、蓝牙传感器、喇叭、中央处理器、显示器及APP应用程序的电脑5-3、旋转红外摄像头5-4、转动臂5-5、条码扫描仪5-6、FRID扫描仪5-7、直流电机D10、开锁直流电机D11，转动臂5-5由直流电机D10带动转动，载货箱的盖子由开锁直流电机D11带动开启或闭合；载货箱体5-1内或上安装有内置摄像头、GPS定位系统、蓝牙传感器、喇叭、中央处理器、显示器及APP应用程序的电脑5-3、旋转红外摄像头5-4、转动臂5-5、条码扫描仪5-6、FRID扫描仪5-7、直流电机D10、开锁直流电机D11，并且直接套在或连接在双腿髋关节4上。

如图13所示，第五部分的工作过程：本发明的自动行走载货箱在工作过程中，旋转红外摄像头5-4以匀速旋转，把与周围环境交互的信息反馈给中央处理器，中央处理器结合四个方向超声波传感器5-2-1、5-2-2、5-2-3、5-2-4判断自动行走载货箱行走时危险程度，并发送指令给带刹车外转子直流一体电机D1、D2，让它们做相应的动作，当到达电梯时，通过旋转红外摄像头5-4获取的信息，启动直流电机D10，让转动臂5-5转动而按下电梯楼层，到达目的地后，发送信息给用户，用户向自动行走载货箱发送取货信息，启动开锁直流电机D11，打开自动行走载货箱的盖子，用喇叭提醒用户货物所在位置，当用户取货物时条码扫描仪5-6或FRID扫描仪5-7直接读取货物的信息，并核对信息的对错，如对的话，启动开锁直流电机D11关上盖子，如不对的话提醒用户重新取货物，或让人工远程帮助。

如图2所示左脚掌的连接部1-1-3通过带刹车外转子直流一体电机D3与左小腿的下连接部2-1-2连接；右脚掌的连接部1-2-3通过带刹车外转子直流一体电机D4与右小腿的下连接部2-2-2连接；

如图3所示左小腿的左上连接部2-1-4通过带刹车外转子直流一体电机D5与左大腿的左下连接部3-1-2连接；右小腿的右上连接部2-2-4通过带刹车外转子直流一体电机D6与右大腿的右下连接部3-2-2连接；

如图4所示左大腿的左上连接部3-1-3通过带刹车外转子直流一体电机D7与双腿髋关节的左腿连接部4-2-1连接；右大腿的右上连接部3-2-3通过带刹车外转子直流一体电机D8与双腿髋关节的右腿连接部4-2-2连接；

如图5、图5a、图5b所示当调节重心直流电机D9往左转时、带动前端所连接的重心调节块往左边转动，载货箱的重心也往左边转动，当调节重心直流电机D9往右边转动时、带动前端所连接的重心调节块往右边转动，载货箱的重心也往右边；重心调节块详细图见图10、图10a、图10b。

如图6、图6a、图6b、图7a、图7b所示中央处理器根据重心传感器4-4-1、4-4-2的三维数据并辅以超声波传感器1-1-4、1-2-4、1-1-5、1-2-5、5-2-1、5-2-2、5-2-3、5-2-4的反馈数据，整体操作相应的带刹车外转子直流一体电机D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8及调节重心直流电机D9使左腿或右腿抬起或行走，从而实现上下楼梯或在崎岖路面行走；也可同时驱动带刹车外转子直流一体电机D1、D2可实现前进或后退，当带刹车外转子直流一体电机D1、D2单个驱动时可实现转弯。

如图8、图8a所示中央处理器给予直流电机D10指令转动臂5-5实现楼层数的选择。

图9、图9a所示当用户发送短信或密码时，通过开锁直流电机D11打开载货箱的盖子，提示用户货物所在地方，并通过自带的条码扫描仪5-6或FRID扫描仪5-7确认用户的货物，如果用户拿错时用语音提示用户并通知客户中心请求人工协助。

如图10、图10a、图10b所示重心调节块4-3固定在直流电机D9的输出轴上，并随直流电机D9转动而转动。

如图11、图11-1、图11-2、图11-3所示，带刹车外转子直流一体电机包含有带定位柱左端盖6-1、刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2、支撑柱6-3、刹车活动片6-4、刹车摩擦片6-5、锁紧螺母6-6，电机定子7-1、电机外转子7-2、转子外轮7-3、轴承一7-4-1、轴承二7-4-2、编码器转盘7-5,右端盖8-1、读头固定座8-2、光电编码器读头8-3,电路板安装壳9-1、第一电路板9-2-1、第二电路板9-2-2、电路板支撑柱9-3，带定位柱左端盖6-1通过轴承一7-4-1与转子外轮7-3的左侧面接触，右端盖8-1嵌套在带定位柱左端盖6-1的定位柱的右侧通过轴承二7-4-2与转子外轮7-3右侧面接触，读头固定座8-2嵌套在左端盖6-1的定位柱的右侧与电机定子7-1的右侧面相接触，通过锁紧螺母6-6把带定位柱左端盖6-1、电机定子7-1、读头固定座8-2、右端盖8-1固定在一起；电机外转子7-2嵌套在转子外轮7-3里面且能带动转子外轮7-3一起转动，电机定子7-1嵌套在电机外转子7-2里面，并且电机定子7-1嵌套在带定位柱左端盖6-1的定位柱上而固定，带定位柱左端盖6-1侧面上安装有刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2，刹车活动片6-4的凹槽处套在刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2的边缘上，这样刹车活动片6-4就不会跑位，刹车摩擦片6-5通过支撑柱6-3固定在刹车活动片6-4上，第一电路板9-2-1、第二电路板9-2-2安装在电路板安装壳9-1里面，电路板安装壳9-1为铁皮壳，能屏蔽电机转子的电磁干扰，起到散热和保护第一电路板9-2-1、第二电路板9-2-2的作用，电路板安装壳9-1嵌套在带定位柱左端盖6-1的定位柱上而固定。通过螺丝固定在左端盖6-1上的刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2为得电工作型电磁铁，刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2通电时工作，使刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2产生磁力吸住刹车摩擦片6-5，使刹车摩擦片6-5与转子外轮7-3分离，这样带刹车外转子直流一体电机得到转动信号时就可以正常转动，当自动行走载货箱报警、故障、动力电源没电时，固定在左端盖上的刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2断电后在弹簧作用下，使刹车电磁铁一6-2-1、刹车电磁铁二6-2-2中的铁芯弹出，带动刹车摩擦片6-5压住转子外轮7-3，使转子外轮7-3停止达到刹车的作用。编码器转盘7-5固定在转子外轮7-3的右侧能随着转子外轮7-3转动，光电编码器读头8-3固定在读头固定座8-2上与编码器转盘7-5相配合，读取编码器转盘7-5的信息传输给第一电路板9-2-1的光电编码器接口电路，传入下述的带刹车外转子直流一体电机的伺服驱动器。

图12 为带刹车外转子直流一体电机的伺服驱动器原理框图，带刹车外转子直流一体电机的伺服驱动器（下同电机伺服驱动器）第一电路板包含有，稳压电源模块、晶振模块、外部存储模块SARAM、光电编码器接口、PWM三相桥功率放大电路、DSP嵌入式微控制器模块TSM320F2806x，第二电路板包含有带隔离电路的RS232通讯模块、带隔离电路的CAN通讯模块、大功率场效应管驱动电路，其中TSM320F2806x还具备浮点处理单元FPU，直接存储器访问 DMA模块、多通道缓冲串口、外部存储器扩展模块EMIF、有多路的 PWM 输出模块、捕捉单元模块CAP、编码器状态采集模块QEP、代码保护模块CSM、DSP 所有的控制信号（AD、SPI、SCI、DA、CAN、IO 等）；所述的晶振模块、带隔离电路的RS232通讯模块，带隔离电路的CAN通讯模块（或者EtherCAT通讯模块）、光电编码器接口、电流检测模块、外部存储模块SARAM、PWM三相桥功率放大电路模块分别与DSP嵌入式微控制器模块连接，大功率场效应管驱动电路与PWM三相桥功率放大电路模块连接后控制DDSM电机运动，DDSM电机经光电编码器、光电编码器接口与DSP嵌入式微控制器模块连接；RS232通讯模块与CAN通讯模块（或者EtherCAT通讯模块）分别与中央处理器连接。

上述的带刹车外转子直流一体电机使用的电机为外传子DDSM电机,DDSM电机包括上述的电机定子7-1和电机外转子7-2，电机伺服驱动器通过光电编码器读头将DDSM电机的转速、方向反馈给DSP嵌入式微控制器模块，光电编码器输出的三路差分信号经过滤波、差分信号接收器芯片处理及光电隔离后，输出EQEPA、EQEPB、EQEPZ三个信号，这三个信号分别输入DSP的QEP模块的对应引脚。QEP模块因其本身就能进行4倍频，故不需要其他外部电路就可以对脉冲的前沿进行计数，并可根据A、B两路脉冲的次序判别DDSM电机转向。当带刹车外转子直流一体电机D1、D2中的A相比B相同时超前90°时，DDSM电机正转带动转子外轮7-3转动，自动行走载货箱前进，反之则DDSM电机反转带动转子外轮7-3转动，自动行走载货箱后退。而Z相是一个基准参照信号，用于校准脉冲计数，将给定的信号与采集的信号进行比较，经过PID控制算法后输出PWM波形，使DDSM电机达到所设定位置值。检测速度的方法是对一定时间内的光电编码器反馈脉冲进行计数，运用合适的数学计算公式，通过软件编程得到DDSM电机转速。

前级功率驱动电路采用PWM三相桥功率放大电路模块IR2181芯片和大功率场效应管驱动电路。IR2181是一种高电压、高速度的功率MOSFET和大功率场效应管驱动电路。IR2181具有过流保护功能，如果外部反馈电流超出设定值，IR2181就会启动电流保护电流，关闭输出通道，从而对系统起到保护作用。当采用IR2181芯片搭建电路时，需提供三对IR2181芯片电路来驱动6个大功率场效应管电路。

电流检测模块采用其内置的电流传感器检测DDSM电机电流，DDSM电机三相中某一相的电流等于其它两相电流之差或者之和。因此，只要知道其中两相的电流便可以计算出第三相电流，故电流检测只需要检测DDSM电机其中两相的电流（图中显示两相电流Ia、Ib）即可。本系统采用采用高压线性电流传感器ir2175来检测电流。它内置电流检测和保护电路，可通过串联在绕组回路的采样电阻来进行电流采样，并且该芯片能自动将输入的模拟信号转换成数字PMW信号并可以直接送于处理器进行数据处理。

如图15所示，带刹车外转子直流一体电机上电时，刹车电磁铁得电，转子外轮处于自由状态，中央处理器零点指令，驱动DDSM电机工作，读取光电编码器信息，当达到零点时，DDSM电机置为零点，否则回到驱动DDSM电机步骤。如图16所示（图中所述的电机为DDSM电机），当读取DDSM电机当前状态时，执行中央处理器运行指令，驱动DDSM电机工作，判断DDSM电机是否发生异常情况，如果发生则使刹车电磁铁失电，刹车摩擦片压住转子外轮，DDSM电机停止，保持光电编码器信息，异常情况处理后，刹车电磁铁得电，读取光电编码器信息，判断DDSM电机是否达到指定位置，是的话进行下一条中央处理器运行指令；否则回到驱动DDSM电机工作，读取光电编码器信息步骤。

本系统采用两种方式与电脑的中央处理器进行通信，分别是RS232串口通讯和CANOPEN实时以太网通讯（也可用更快速度的EtherCAT通讯）两种通讯模块。

软件系统的设计对应于系统的硬件电路设计，按照控制系统的工作原理，将各功能进行模块化处理。系统主程序主要包括对时钟的配置、各功能模块函数的初始化以及定时器中断子程序等。基于TMS320F2806x丰富的片上资源和接口资源，本文设计的伺服电机驱动器可实现对DDSM电机的电流、位置及速度的控制，实现通过PID方法输出PWM波形来控制带刹车外转子直流一体电机。

如图1所示旋转红外摄像头5-4、超声波传感器5-2-1、5-2-2、5-2-3、5-2-4可以检测到与人或物体的距离，实现降低速度或停止等待；通过内置GPS定位系统、中央处理器、APP应用程序的电脑5-3可实时获取自动行走载货箱的位置，以便紧急的时候进行人工帮助。

Claims (10)

1.一种自动行走载货箱的脚掌关节机构，其包括：左右各带有一个带刹车外转子直流一体电机和一个辅助轮子的脚掌，左右脚掌上各安装有两个方向的超声波传感器。

2.根据权利要求1所述的机构，其特征在于：所述左右脚掌各起到左右脚部支撑作用，带刹车外转子直流一体电机和辅助轮子分别安装在左右脚掌内部，左脚掌外侧设有的超声波传感器检测与左边物体的距离，左脚掌前端设有的超声波传感器检测与左前端物体的距离，右脚掌外侧设有的超声波传感器检测与右边物体的距离，右脚掌前端设有的超声波传感器检测与右前端物体的距离。

3.一种自动行走载货箱的双腿髋关节机构，其包括：左右腿的3个关节部各安装有带刹车外转子直流一体电机，并被分别连接到双腿髋关节上，左右腿分别与权利要求1或2所述的脚掌关节机构连接，左右腿的小腿部安装有可充电的动力电源，可无线充电。

4.根据权利要求3所述的机构，其特征在于：所述双腿髋关节机构通过带刹车外转子直流一体电机与脚掌连接，小腿与大腿也通过带刹车外转子直流一体电机连接，大腿与髋关节也通过带刹车外转子直流一体电机连接，且被用作自动行走载货箱的支撑作用并自带动力电源装置且能充电（包括无线充电），各关节连接部的带刹车外转子直流一体电机可在一定角度自由旋转。

5.一种自动行走载货箱的重心调节机构，其包括：权利要求3或4所述的双腿髋关节机构上连接的载货箱体，载货箱体内安装有电机，电机前端安装有重心调节块，还包括重心传感器。

6.根据权利要求5项所述的机构，其特征在于：所述自动行走载货箱的左右重心能通过电机的转动调节自动行走载货箱的整体重心。

7.一种自动行走载货箱，其包括：载货箱体，载货箱体上安装有的旋转红外摄像头、超声波传感器，条码扫描仪、FRID扫描仪、电机控制锁匙、内置GPS定位系统、蓝牙传感器、喇叭、摄像头、中央处理器和带有APP程序及显示器的电脑，以及权利要求5或6所述的重心调节机构；载货箱体套在权利要求3或4所述的双腿髋关节机构上，双腿髋关节机构由左右腿连接支撑，左右腿分别由权利要求1或2所述的脚掌关节机构连接支撑。

8.根据权利要求7所述的自动行走载货箱，其特征在于：中央处理器根据重心传感器反馈的信息，超声波检测外部环境的状态，通过流程判断驱动带刹车外转子直流一体电机运动，做到防止自动行走载货箱跌倒，自动发声提示路人防止碰撞，自动规划行走线路及防止走失，自动走楼梯、按电梯楼层，当与用户货物交接时，通过安装在自动行走载货箱的条码扫描仪或FRID扫描仪扫描货物并确认正确的货物，如果用户拿错需及时发声提醒。

9.根据权利要求7或8所述的自动行走载货箱，其特征在于：左右腿包括左小腿、右小腿、左大腿和右大腿；

所述的左小腿包含左小腿部、左下连接部和左上连接部，左小腿部上连接有左上连接部、下连接有左下连接部，左下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与左脚掌的上连接部相连，左动力电池直接安装在左小腿上；右小腿包含右小腿部、右下连接部和右上连接部，右小腿部上连接有右上连接部、下连接有右下连接部，右下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与右脚掌的上连接部相连，右动力电池直接安装在右小腿上；

所述的左大腿包含左大腿部、左下连接部和左上连接部，左大腿部上连接有左下连接部、下连接有左下连接部，左下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与左小腿的左上连接部相连；左上连接部并通过带刹车外转子直流一体电机与髋关节的左连接部相连；右大腿包含右大腿部、右上连接部和右下连接部，右大腿部上连接有右上连接部、下连接有右下连接部，右下连接部通过带刹车外转子直流一体电机与右小腿的右上连接部相连；右上连接部并通过带刹车外转子直流一体电机与髋关节的右连接部相连。

10.根据权利要求1-9任一所述的机构或载货箱，其特征在于：所述的带刹车外转子直流一体电机中使用的电机为外传子的DDSM电机,所述的DDSM电机包括电机定子和电机外转子，所述的带刹车外转子直流一体电机包含有带定位柱左端盖、刹车电磁铁一、刹车电磁铁二、支撑柱、刹车活动片、刹车摩擦片、锁紧螺母，电机定子、电机外转子、转子外轮、轴承一、轴承二、编码器转盘、右端盖、读头固定座、光电编码器读头,电路板安装壳、第一电路板、第二电路板和电路板支撑柱，带定位柱左端盖通过轴承一与转子外轮的左侧面接触，右端盖嵌套在带定位柱左端盖的定位柱的右侧通过轴承二与转子外轮右侧面接触，读头固定座嵌套在左端盖的定位柱的右侧与电机定子的右侧面相接触，通过锁紧螺母把带定位柱左端盖、电机定子、读头固定座、右端盖固定在一起；电机外转子嵌套在转子外轮里面且能带动转子外轮一起转动，电机定子嵌套在电机外转子里面，并且电机定子嵌套在带定位柱左端盖的定位柱上而固定，带定位柱左端盖侧面上安装有刹车电磁铁一、刹车电磁铁二，刹车活动片所设有的凹槽处套在刹车电磁铁一、刹车电磁铁二的边缘上，刹车摩擦片通过支撑柱固定在刹车活动片上，第一电路板、第二电路板安装在电路板安装壳里面，电路板安装壳嵌套在带定位柱左端盖的定位柱上而固定；编码器转盘固定在转子外轮的右侧且能随着转子外轮转动，光电编码器读头固定在读头固定座上且能与编码器转盘相配合，光电编码器读头能读取编码器转盘的信息传输给第一电路板或/和第二电路板所设有的光电编码器接口电路，传入第一电路板或/和第二电路板所设有的伺服驱动器；

所述的伺服驱动器包含有稳压电源模块、晶振模块、外部存储模块、光电编码器接口、PWM三相桥功率放大电路、DSP嵌入式微控制器模块、带隔离电路的RS232通讯模块、带隔离电路的CAN通讯模块或EtherCAT通讯模块、大功率场效应管驱动电路，所述的晶振模块、带隔离电路的RS232通讯模块、带隔离电路的CAN通讯模块或EtherCAT通讯模块、光电编码器接口、电流检测模块、外部存储模块、PWM三相桥功率放大电路模块分别与DSP嵌入式微控制器模块连接，大功率场效应管驱动电路与PWM三相桥功率放大电路模块连接后控制DDSM电机运动， DDSM电机经光电编码器、光电编码器接口与DSP嵌入式微控制器模块连接；RS232通讯模块与CAN通讯模块或EtherCAT通讯模块分别与中央处理器连接。