CN108015799B - 一种单编码器模块化关节及关节位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单编码器模块化关节，包括关节主体，关节主体内设有控制电路板、电机以及与电机传动连接的减速器，电机的转轴上连接有编码器；减速器的动力输出端连接有扭矩传感器；扭矩传感器、编码器的信号输出端分别与控制电路板的信号输入端通信连接。本发明还公开了关节位置确定方法，获取扭矩传感器采集到的扭矩T，获取编码器采集到的旋转角度θ，计算扭矩传感器的形变量δ′，根据扭矩T计算谐波减速器的形变量δ，计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′+δ，γ为减速比。只需采用扭矩以及电机旋转角度等简单参数即可实现关节输出位置的转换计算，简单易行，可靠性好，位置估计精度高。

Description

一种单编码器模块化关节及关节位置确定方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人的模块化关节以及一种关节位置确定方法。

背景技术

模块化关节是模块化机器人的核心部件，模块化关节具有标准的机械和电气接口，可以根据需要选取不同类型的模块化关节(如旋转模块、移动模块、腕关节模块、夹手模块等)组装出适合工作要求的不同构形的机器人。模块化关节内的主要部件有：控制电路板、编码器、电机、减速器及制动器。现有技术中的模块化关节需要两个编码器，一个安装在减速器输出端，负责关节位置采样，另一个安装在电机内负责电机速度采样和电机电子换向。采用两个编码器使得模块化关节的成本高、重量大，结构复杂。另外，由于减速器具有形变特性，如果不采用单独的编码器，则不能保证模块化化关节的位置精度。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种单编码器模块化关节，解决现有技术中采用两个编码器导致模块化关节结构复杂、成本高的技术问题，能够用于为实现在只采用一个编码器的基础上进行关节位置计算提供硬件基础，降低成本，简化结构、减轻重量。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种单编码器模块化关节，包括关节主体，关节主体内设有控制电路板、电机以及与电机传动连接的减速器，所述电机的转轴上连接有编码器；减速器的动力输出端连接有扭矩传感器；扭矩传感器、编码器的信号输出端分别与控制电路板的信号输入端通信连接。

优选的，还包括制动器；所述电机为双轴伸电机，其转轴两端分别外伸出电机主体，电机转轴一端为动力端，另一端为制动端；所述电机转轴动力端与减速器的动力输入端传动连接，电机转轴制动端与制动器以及编码器连接。

优选的，所述减速器与电机分别相对设置在关节主体两端；所述减速器为中空减速器，其轴线与关节主体的轴心线共线；电机的轴线平行于中空减速器的轴线，电机与中空减速器之间通过同步带轮机构传动。

优选的，所述同步带轮机构包括连接在电机转轴上的电机输出同步轮、连接在减速器输入端上的减速器输入同步轮以及转换同步轮组；转换同步轮组包括平行于减速器轴线的带轮转轴，带轮转轴一端紧配合有主动带轮，另一端紧配合有从动带轮；主动带轮与电机输出同步轮通过第一同步带进行传动连接；从动带轮与减速器输入同步轮通过第二同步带进行传动连接。

优选的，还包括设置在关节主体中央将减速器与电机分隔开来的连接板，连接板固定连接在关节主体上；所述电机的转轴外伸出连接板，电机输出同步轮连接在电机转轴的外伸端上；控制电路板设置在电机的一侧并与电机位于关节主体的同一端，控制电路板与电机均连接在所述连接板上；控制电路板与关节主体内壁之间留有过线间隙，连接板上开有过线孔。

优选的，连接板上的过线孔设置在靠近控制电路板的一侧；所述连接板上过线孔与电机输出同步轮之间设有能够遮挡住电机输出同步轮半侧的同步轮护罩。

本发明还提供了一种用于上述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，所述减速器为具有形变性的谐波减速器，包括以下步骤：

步骤101：实时获取扭矩传感器采集到的扭矩T，单位为N/m；实时获取编码器采集到的旋转角度θ，单位为Rad；

步骤102：计算扭矩传感器的形变量δ′：δ′＝T/K′，其中，K′为扭矩传感器的扭转刚度，单位为Nm/Rad；

步骤103：根据扭矩T计算谐波减速器的形变量δ：

当T∈[0,T₁]时，δ＝T/K₁；其中，K₁为谐波减速器的第一扭转刚度，单位为Nm/Rad；

当T∈(T₁,T₂]时，δ＝T₁/K₁+(T-T₁)/K₂；其中，K₂为谐波减速器的第二扭转刚度，单位为Nm/Rad；

当T∈(T₂,T₃]时，δ＝T₁/K₁+T₂/K₂+(T-T₂)/K₃；其中，K₃为谐波减速器的第三扭转刚度，单位为Nm/Rad；

其中，T₁、T₂、T₃是根据谐波减速器的物理特性确定的第一扭矩阈值、第二扭矩阈值、第三扭矩阈值；

步骤104：计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′+δ，其中，γ为减速比；从而根据关节输出位置S确定关节当前位置。

本发明还提供了另一种用于上述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，所述减速器为不具有形变性的减速器，包括以下步骤：

步骤201：实时获取扭矩传感器采集到的扭矩T，单位为N/m；实时获取编码器采集到的旋转角度θ，单位为Rad；

步骤202：计算扭矩传感器的形变量δ′：δ′＝T/K′，其中，K′为扭矩传感器的扭转刚度，单位为Nm/Rad；

步骤203：计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′，其中，γ为减速比；从而根据关节输出位置S确定关节当前位置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、减速器能够增加关节的功率密度，减小伺服电机功率，减轻重量。由于减速器的摩擦力随负载、温度和减速油脂状态等产生非线性变化，控制电路板无法通过检测电机端电流来测量模块化关节的准确输出扭矩，因此在减速器输出端安装扭矩传感器，能够通过扭矩传感器的扭矩来间接测量减速器的形变量。

2、本发明的单编码器模块化关节只在电机上安装编码器进行电机旋转角度的采集，采用扭矩传感器代替安装在减速器输出端上的编码器，通过扭矩传感器采集减速器的扭矩，控制电路板能够接收扭矩传感器的扭矩信号以及编码器的角度信号，为实现关节位置的计算提供硬件基础。

3、电机与减速器的轴线错开设置，则摆脱了对价格昂贵的中空电机的依赖，可以采用成本较低的非中空电机，电机与减速器通过同步带轮机构传动，噪声小，传动效率高，精度高。

4、转换同步轮组使得减速器输入同步轮与电机输出同步轮能够在错开的平面上，而不必在同一平面上，提高了对关节主体轴向空间的利用，从而使得关节主体的径向尺寸得以缩小。

5、通过连接板加强了控制电路板、电机与关节主体的连接，避免在模块化关节运动时控制电路板及电机发生晃动。

6、采用中空减速器能方便模块化关节进行内部走线，连接板上的过线孔使得控制电路板与扭矩传感器方便进行线路连接；同步轮护罩能够避免内部线缆被卷入电机输出同步轮中。将控制电路板内置于模块化关节内可以简化关节间和关节与控制电路板间的走线，仅需一组总线和一组电源线串联所有模块即可。提高了可靠性。

7、本发明的关节位置确定方法不需要采用编码器获取减速器的旋转角度，只需采用扭矩以及电机旋转角度等简单参数即可实现关节位置的转换计算，简单易行，可靠性好，精度高。

8、本发明针对具有形变性的减速器采用了补偿算法，利用减速器的形变量对关节位置进行补偿，提高了可靠性和计算精度。

附图说明

图1是本具体实施方式1中单编码器模块化关节的分解示意图；

图2是本具体实施方式1中单编码器模块化关节的装配示意图；

图3是图2的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图3所示，一种单编码器模块化关节，包括关节主体1，关节主体1内设有控制电路板2、电机以及与电机传动连接的减速器3，所述电机4的转轴上连接有编码器42；减速器3的动力输出端连接有扭矩传感器6；扭矩传感器6、编码器42的信号输出端分别与控制电路板2的信号输入端通信连接，可以采用有线通信，也可以采用无线通信，均落在本发明的保护范围内。

本具体实施方式中的单编码器42模块化关节只在电机4上安装编码器42进行电机4旋转角度的采集，采用扭矩传感器6代替安装在减速器3输出端上的编码器42，通过扭矩传感器6采集减速器3的扭矩，控制电路板2能够接收扭矩传感器6的扭矩信号以及编码器42的角度信号，为实现关节位置的计算提供硬件基础。

本具体实施方式中，还包括制动器41；所述电机4为双轴伸电机，其转轴两端分别外伸出电机主体，电机转轴一端为动力端，另一端为制动端；所述电机转轴动力端与减速器3的动力输入端传动连接，电机转轴制动端与制动器41以及编码器42连接，电机壳体向制动端延伸，从而将制动端遮蔽，从而起到保护制动器41与编码器42的作用，编码器42上还设有编码器42保护罩43。

本具体实施方式中，所述减速器3与电机4分别相对设置在关节主体1两端；所述减速器3为中空减速器，其轴线与关节主体1的轴心线共线；电机4的轴线平行于中空减速器的轴线，电机4与中空减速器之间通过同步带轮机构传动。电机4与减速器3的轴线错开设置，则摆脱了对价格昂贵的中空电机4的依赖，可以采用成本较低的非中空电机4，电机4与减速器3通过同步带轮机构传动，噪声小，传动效率高，精度高。

本具体实施方式中，所述同步带轮机构包括连接在电机转轴上的电机输出同步轮44、连接在减速器输入端上的减速器输入同步轮31以及转换同步轮组5；转换同步轮组5包括平行于减速器3轴线的带轮转轴，带轮转轴一端紧配合有主动带轮，另一端紧配合有从动带轮；主动带轮与电机输出同步轮44通过第一同步带进行传动连接；从动带轮与减速器输入同步轮31通过第二同步带进行传动连接。转换同步轮组5使得减速器输入同步轮31与电机输出同步轮44能够在错开的平面上，而不必在同一平面上，提高了对关节主体1轴向空间的利用，从而使得关节主体1的径向尺寸得以缩小。

本具体实施方式中，所述减速器3为谐波减速器，谐波减速器包括柔轮、钢轮以及波发生器，波发生器设有与电机4动力连接的输入轴，通过柔轮输出动力，柔轮上连接关节输出外接件7以执行运动。谐波减速器重量轻，减速比大，位置精度与重复定位精度高，体积小，高扭矩输出无空回，传动效率高，噪声低。扭矩传感器6通过扭矩连接件61连接在减速器3的动力输出端，即柔轮上；所述扭矩传感器6为应变片式扭矩传感器，应变片式扭矩传感器灵敏度高，精度高，尺寸小，重量轻。

本具体实施方式中，所述中空减速器的中空转轴内设有过线保护套32，二者进行间隙配合，中空减速器的转轴为中空的，能够方便进行走线，本具体实施方式采用中空的谐波减速器，其输入轴为中空的，内部线缆从输入轴中穿过。过线保护套32一端外伸出中空减速器，并连接在扭矩连接件61上，因此，过线保护套32随着谐波减速器的柔轮低速转动，从而避免线缆直接与高速旋转的输入轴接触而发生损坏。

本具体实施方式中，还包括设置在关节主体1中央将减速器3与电机4分隔开来的连接板8，连接板8固定连接在关节主体1上；所述电机4的转轴外伸出连接板8，电机输出同步轮44连接在电机转轴的外伸端上；控制电路板2设置在电机4的一侧并与电机4位于关节主体1的同一端，控制电路板2与电机4均连接在所述连接板8上；控制电路板2与关节主体1内壁之间留有过线间隙，连接板8上开有过线孔，内部线缆沿着过线间隙，穿过过线孔，再伸入中空减速器的中空转轴中，使得控制电路板2能够与扭矩式传感器进行线路连接，实现有线通信。通过连接板8加强了控制电路板2、电机4与关节主体1的连接，避免在模块化关节运动时控制电路板2及电机4发生晃动。

本具体实施方式中，连接板8上的过线孔设置在靠近控制电路板2的一侧；所述连接板8上过线孔与电机输出同步轮44之间设有能够遮挡住电机输出同步轮44半侧的同步轮护罩81。采用中空减速器能方便模块化关节进行内部走线，连接板8上的过线孔使得控制电路板2与扭矩传感器6方便进行线路连接；同步轮护罩81能够避免内部线缆被卷入电机输出同步轮44中。

本具体实施方式中的控制电路板2存储有关节位置计算程序，并按如下步骤执行：步骤101：实时获取扭矩传感器6采集到的扭矩T，单位为N/m；实时获取编码器42采集到的旋转角度θ，单位为Rad；

步骤102：计算扭矩传感器的形变量δ′：δ′＝T/K′，其中，K′为扭矩传感器6的扭转刚度，单位为Nm/Rad；

步骤103：根据扭矩T计算谐波减速器的形变量δ：

当T∈[0,T₁]时，δ＝T/K₁；其中，K₁为谐波减速器的第一扭转刚度，单位为Nm/Rad；

当T∈(T₁,T₂]时，δ＝T₁/K₁+(T-T₁)/K₂；其中，K₂为谐波减速器的第二扭转刚度，单位为Nm/Rad；

当T∈(T₂,T₃]时，δ＝T₁/K₁+T₂/K₂+(T-T₂)/K₃；其中，K₃为谐波减速器的第三扭转刚度，单位为Nm/Rad；

其中，T₁、T₂、T₃是根据谐波减速器的物理特性确定的第一扭矩阈值、第二扭矩阈值、第三扭矩阈值；

步骤104：计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′+δ，其中，γ为减速比；从而根据关节输出位置S确定关节当前位置。

采用本发明的关节位置确定方法精度高，切实可行，误差小，误差达到了0.00004度量级，如：现有技术中双编码器计算的关节位置为120度，本发明方法计算的关节位置为120.00004度。

具体实施方式2

本具体实施方式与具体实施方1所不同的是：减速器3为不具有形变性的减速器，控制电路板存储有关节位置计算程序，并按如下步骤执行：

步骤201：实时获取扭矩传感器采集到的扭矩T，单位为N/m；实时获取编码器42采集到的旋转角度θ，单位为Rad；

步骤202：计算扭矩传感器6的形变量δ′：δ′＝T/K′，其中，K′为扭矩传感器6的扭转刚度，单位为Nm/Rad；

步骤203：计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′，其中，γ为减速比；从而根据关节输出位置S确定关节当前位置。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种单编码器模块化关节的关节位置确定方法，包括关节主体，关节主体内设有控制电路板、电机以及与电机传动连接的减速器，其特征在于：所述电机的转轴上连接有编码器；减速器的动力输出端连接有扭矩传感器；扭矩传感器、编码器的信号输出端分别与控制电路板的信号输入端通信连接；

所述减速器为具有形变性的谐波减速器，其关节位置确定方法包括以下步骤：

步骤101：实时获取扭矩传感器采集到的扭矩T，单位为N/m；实时获取编码器采集到的旋转角度θ，单位为Rad；

步骤102：计算扭矩传感器的形变量δ′：δ′＝T/K′，其中，K′为扭矩传感器的扭转刚度，单位为Nm/Rad；

步骤103：根据扭矩T计算谐波减速器的形变量δ：

当T∈[0,T₁]时，δ＝T/K₁；其中，K₁为谐波减速器的第一扭转刚度，单位为Nm/Rad；

当T∈(T₁,T₂]时，δ＝T₁/K₁+(T-T₁)/K₂；其中，K₂为谐波减速器的第二扭转刚度，单位为Nm/Rad；

当T∈(T₂,T₃]时，δ＝T₁/K₁+T₂/K₂+(T-T₂)/K₃；其中，K₃为谐波减速器的第三扭转刚度，单位为Nm/Rad；

其中，T₁、T₂、T₃是根据谐波减速器的物理特性确定的第一扭矩阈值、第二扭矩阈值、第三扭矩阈值；

步骤104：计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′+δ，其中，γ为减速比；从而根据关节输出位置S确定关节当前位置；

或者，所述减速器为不具有形变性的减速器，其关节位置确定方法包括以下步骤：

步骤201：实时获取扭矩传感器采集到的扭矩T，单位为N/m；实时获取编码器采集到的旋转角度θ，单位为Rad；

步骤202：计算扭矩传感器的形变量δ′：δ′＝T/K′，其中，K′为扭矩传感器的扭转刚度，单位为Nm/Rad；

步骤203：计算关节输出位置S：S＝(θ/γ)+δ′，其中，γ为减速比；从而根据关节输出位置S确定关节当前位置。

2.根据权利要求1所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：还包括制动器；所述电机为双轴伸电机，其转轴两端分别外伸出电机主体，电机转轴一端为动力端，另一端为制动端；所述电机转轴动力端与减速器的动力输入端传动连接，电机转轴制动端与制动器以及编码器连接。

3.根据权利要求1所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：所述减速器与电机分别相对设置在关节主体两端；所述减速器为中空减速器，其轴线与关节主体的轴心线共线；电机的轴线平行于中空减速器的轴线，电机与中空减速器之间通过同步带轮机构传动。

4.根据权利要求3所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：所述同步带轮机构包括连接在电机转轴上的电机输出同步轮、连接在减速器输入端上的减速器输入同步轮以及转换同步轮组；转换同步轮组包括平行于减速器轴线的带轮转轴，带轮转轴一端紧配合有主动带轮，另一端紧配合有从动带轮；主动带轮与电机输出同步轮通过第一同步带进行传动连接；从动带轮与减速器输入同步轮通过第二同步带进行传动连接。

5.根据权利要求1至4中任一所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：所述减速器为谐波减速器；所述扭矩传感器为应变片式扭矩传感器。

6.根据权利要求3所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：所述中空减速器的中空转轴内设有过线保护套。

7.根据权利要求4所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：还包括设置在关节主体中央将减速器与电机分隔开来的连接板，连接板固定连接在关节主体上；所述电机的转轴外伸出连接板，电机输出同步轮连接在电机转轴的外伸端上；控制电路板设置在电机的一侧并与电机位于关节主体的同一端，控制电路板与电机均连接在所述连接板上；控制电路板与关节主体内壁之间留有过线间隙，连接板上开有过线孔。

8.根据权利要求7所述的单编码器模块化关节的关节位置确定方法，其特征在于：连接板上的过线孔设置在靠近控制电路板的一侧；所述连接板上过线孔与电机输出同步轮之间设有能够遮挡住电机输出同步轮半侧的同步轮护罩。