CN109773825A - 双无刷直流电机并联驱动的机器人关节及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
双无刷直流电机并联驱动的机器人关节及其控制方法，涉及机器人关节装置的技术领域。本申请包括两根长连杆，两根长连杆的一端通过固定螺杆连接，另一端分别与短连杆的一端通过固定螺栓连接，每根短连杆的另一端都连接一个无刷直流电机，每个无刷直流电机的外端面上固定电机驱动器，两个无刷直流电机之间布置连接杆。本申请实现了结构简单，操作方便，维护简单，节约成本的目的。
Description
技术领域
本申请涉及机器人关节装置的技术领域。
背景技术
随着自动化和信息化的发展，利用传动装置来控制机器人的自主移动得到了大力发展。机器人能够适用的场景非常广泛，尤其是现场环境恶劣，不便于人工操作的场合。机器人在移动过程中，对于其关节运行的稳定性和灵活性有一定的要求。传统的是通过单个电机驱动机器人关节运动，运动速度慢，同时对使用环境的地面要求较高，尤其是只有双足的机器人。
发明内容
本申请目的是提供一种结构简单，操作方便，维护简单，节约成本的双无刷直流电机并联驱动的机器人关节及其控制方法。
一种双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，包括两根长连杆，两根长连杆的一端通过固定螺杆连接，另一端分别与短连杆的一端通过固定螺栓连接，每根短连杆的另一端都连接一个无刷直流电机，每个无刷直流电机的外端面上固定电机驱动器，两个无刷直流电机之间布置连接杆。
进一步，本申请无刷直流电机的轴承上靠近电机驱动器的一端吸附磁钢，电机驱动器上设置磁编码器。
进一步，本申请的磁编码器位于电机驱动器的中部。
进一步，本申请的磁编码器与磁钢的位置对应，磁编码器位于磁钢的正上方。
基于本申请的双无刷直流电机并联驱动机器人关节的控制方法，首先，磁编码器通过磁钢采集到无刷直流电机的角度信息，电机驱动器根据磁编码器获取的角度信息计算出无刷直流电机的转动速度信息；然后，电机驱动器进行AD采样，获取无刷直流电机的两相电流信息，进行Clark变换和Park变换，结合磁编码器获得的电机机械角度信息，计算出磁链转动的电角度信息；之后，电机驱动器获取给定位置信息，即电机要转到的角度位置，给定位置和角度进行运算，得到角度偏差，经过位置PID控制器，再和电机速度做运算，得到速度偏差，经过速度PI控制器，得到交轴电流，同时根据电机驱动器的给定磁链，经过磁链PI控制器，得到直轴电流；最后，交轴电流和直轴电流经过Park逆变换和Clark逆变换得到三相电桥的PWM信息，输出给三相电桥，从而驱动无刷直流电机到达给定的位置。
当系统启动后，两个无刷直流电机由各自的电机驱动器控制，两个无刷直流电机分别控制两个连杆，两个连杆的末端连在一起，含有磁编码器的电机驱动器可以获取无刷直流电机的角度信息，电机驱动器给无刷直流电机发送命令，可以对无刷直流电动机的速度和角度进行控制，从而可以控制末端达到有效二维空间中的任何点，进行运动规划，末端可以作为机械臂的末端执行机构或者多足机器人的足底部分。
本申请采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：
1、本申请无刷直流电动机末端固定有包含磁编码器的电机驱动器，可以方便的对无刷直流电机进行速度和位置的控制。
2、本申请采用两个无刷直流电机并联驱动，相比于使用单个电机驱动的机器人关节，动力更大，整个机器人关节有更大的扭矩和瞬时功率，可以提供更大的瞬时爆发力，方便机器人做灵活的动作。
3、本申请使用连杆作为机器人传动结构，相比于使用其他作为传动结构，使用连杆更加简单，省去法兰盘等配件，容易维护，容易更换，节约成本。
4、本申请使用四个简单的直连杆作为传动结构，对于机器人系统建模更加简单，机器人的运动学求解，运动控制也更加简单。
5、本申请采用模块化关节设计，使用该机器人关节可以自行组装为机械臂，双足机器人，四足机器狗等各种机器人。
6、总之，本申请结构简单，控制易行、灵活，系统高度集成，节约成本。
附图说明
图1是本申请的一种结构示意图。
图2是本申请无刷直流电动机与电机驱动器连接状态示意图。
图3是本申请控制方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请的技术方案进行详细说明：
如图1所示，一种双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，包括两根长连杆6，两根长连杆6的一端通过固定螺杆7连接，另一端分别与短连杆4的一端通过固定螺栓5连接，每根短连杆4的另一端都连接一个无刷直流电机2，每个无刷直流电机2的外端面上固定电机驱动器3，两个无刷直流电机2之间布置连接杆1。
如图2所示，本申请无刷直流电机2的轴承上靠近电机驱动器3的一端吸附磁钢8，电机驱动器3上设置磁编码器9。
如图2所示，本申请的磁编码器9位于电机驱动器3的中部。
如图2所示，本申请磁编码器9与磁钢8的位置对应，磁编码器9位于磁钢2的正上方。
如图3所示，基于本申请的双无刷直流电机并联驱动机器人关节的控制方法，首先，磁编码器9通过磁钢8采集到无刷直流电机2的角度信息，电机驱动器3根据磁编码器9获取的角度信息计算出无刷直流电机2的转动速度信息；然后，电机驱动器3进行AD采样，获取无刷直流电机2的两相电流信息，进行Clark变换和Park变换，结合磁编码器4获得的电机机械角度信息，计算出磁链转动的电角度信息；之后，电机驱动器3获取给定位置信息，即电机要转到的角度位置，给定位置和角度进行运算，得到角度偏差，经过位置PID控制器，再和电机速度做运算，得到速度偏差，经过速度PI控制器，得到交轴电流，同时根据电机驱动器3的给定磁链，经过磁链PI控制器，得到直轴电流；最后，交轴电流和直轴电流经过Park逆变换和Clark逆变换得到三相电桥的PWM信息，输出给三相电桥，从而驱动无刷直流电机2到达给定的位置。
本申请的双无刷直流电机并联驱动的机器人关节启动后，两个无刷直流电机由各自的电机驱动器控制，两个无刷直流电机分别控制两个连杆，两个连杆的末端连在一起，含有磁编码器的电机驱动器可以获取无刷直流电机的角度信息，电机驱动器给无刷直流电机发送命令，可以对无刷直流电动机的速度和角度进行控制，从而可以控制末端达到有效二维空间中的任何点，进行运动规划，末端可以作为机械臂的末端执行机构或者多足机器人的足底部分。
Claims (5)
1.一种双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，其特征在于包括两根长连杆（6），两根长连杆（6）的一端通过固定螺杆（7）连接，另一端分别与短连杆（4）的一端通过固定螺栓（5）连接，每根短连杆（4）的另一端都连接一个无刷直流电机（2），每个无刷直流电机（2）的外端面上固定电机驱动器（3），两个无刷直流电机（2）之间布置连接杆（1）。
2.根据权利要求1所述的双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，其特征在于上述无刷直流电机（2）的轴承上靠近电机驱动板（3）一端吸附磁钢（8），电机驱动板（3）上设置磁编码器（9）。
3.根据权利要求2所述的双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，其特征在于上述磁编码器（9）位于电机驱动器（3）的中部。
4.根据权利要求2或3所述的双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，其特征在于上述磁编码器（9）与磁钢（8）的位置对应，磁编码器（9）位于磁钢（8）的正上方。
5.基于权利要求2所述的双无刷直流电机并联驱动的机器人关节，其特征在于：首先，磁编码器（9）通过磁钢（8）采集到无刷直流电机（2）的角度信息，电机驱动器（3）根据磁编码器（9）获取的角度信息计算出无刷直流电机（2）的转动速度信息；然后，电机驱动器（3）进行AD采样，获取无刷直流电机（2）的两相电流信息，进行Clark变换和Park变换，结合磁编码器（9）获得的电机机械角度信息，计算出磁链转动的电角度信息；之后，电机驱动器（3）获取给定位置信息，即电机要转到的角度位置，给定位置和角度进行运算，得到角度偏差，经过位置PID控制器，再和电机速度做运算，得到速度偏差，经过速度PI控制器，得到交轴电流，同时根据电机驱动器（3）的给定磁链，经过磁链PI控制器，得到直轴电流；最后，交轴电流和直轴电流经过Park逆变换和Clark逆变换得到三相电桥的PWM信息，输出给三相电桥，从而驱动无刷直流电机（2）到达给定的位置。
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