CN111070185A - 一种协作机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种协作机器人，包括：底座、第一电源模块、第二电源模块、第一电源总线、第二电源总线和多个轴关节，每个轴关节包括驱动器和编码器；第一电源模块和第二电源模块安装在底座中；第一电源模块通过第一电源总线与每个轴关节中的编码器连接，用于向编码器供电；第二电源模块通过第二电源总线与每个轴关节中的驱动器连接，用于向驱动器供电。通过采用电源总线的方式向编码器供电，减少了协作机器人内部走线的数量，便于进行线缆设计和结构设计，有利于提高协作机器人的寿命。

Description

一种协作机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种协作机器人。

背景技术

协作机器人是一种高精度、多输入多输出、高度非线性、强耦合的复杂系统。因其独特的操作灵活性,已在工业装配、安全防爆等众多领域得到广泛应用。通常来讲，协作机器人的轴数越多，则协作机器人具有更多的自由度，协作机器人越灵活。目前常用的协作机器人例如可以包括：工业型四轴机械臂、工业型六轴机械臂等。

协作机器人的每个轴(或每一个关节)中均设有编码器。现有协作机器人中通常采用如下方式对多个编码器进行供电：在协作机器人的底座中为每一个编码器设置一个供电电池，每一个轴的编码器分别走线到协作机器人底座，连接相应的编码器供电电池。该供电方式使得协作机器人内部走线数量众多，不利于线缆设计和结构设计，降低了协作机器人的寿命。

为了解决协作机器人内部走线数量众多的问题，市场上出现了在每一个轴(或每一个关节)处，分别就近安装一个电池为编码器供电的协作机器人，这样虽然能够减少协作机器人内部走线，但是使得更换电池变得极为不方便。将供电电池安装在底座时只需要在底座开盖一次即可完成电池更换，而在每个轴就近安装电池供电则需要在每一个轴开盖更换电池，这将加大更换电池的工作量，不利于后期维护，客户体验较差。

发明内容

本发明实施例提供一种协作机器人，用以解决现有协作机器人内部走线数量多的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种协作机器人，包括：底座、第一电源模块、第二电源模块、第一电源总线、第二电源总线和多个轴关节，每个轴关节包括驱动器和编码器，驱动器与编码器连接；

第一电源模块和第二电源模块安装在底座中；

第一电源模块通过第一电源总线与每个轴关节中的编码器连接，用于向编码器供电；

第二电源模块通过第二电源总线与每个轴关节中的驱动器连接，用于向驱动器供电。

一种实施例中，第一电源模块的高电位端通过第一电源总线分别与各编码器的第一电源接线端子连接，各编码器的第二电源接线端子分别通过第一电源总线与第一电源模块的低电位端连接。

一种实施例中，第二电源模块的高电位端通过第二电源总线分别与各驱动器的第一电源接线端子连接，各驱动器的第二电源接线端子分别通过第二电源总线与第二电源模块的低电位端连接。

一种实施例中，第一电源模块为电池。

一种实施例中，第二电源模块为开关电源。

一种实施例中，每个轴关节中的驱动器和编码器的GND连接。

一种实施例中，每个轴关节中的编码器设有滤波电容，滤波电容的两端分别与编码器的第一电源接线端子和第二电源接线端子连接。

一种实施例中，每个轴关节中的编码器设有RC滤波电路，RC滤波电路的两端分别与编码器的第一电源接线端子和第二电源接线端子连接。

一种实施例中，RC滤波电路包括依次串联的第一电阻和第一电容。

一种实施例中，第一电阻为100欧姆，第一电容为10微法。

本发明实施例提供的协作机器人，包括：底座、第一电源模块、第二电源模块、第一电源总线、第二电源总线和多个轴关节，每个轴关节包括驱动器和编码器；第一电源模块和第二电源模块安装在底座中；第一电源模块通过第一电源总线与每个轴关节中的编码器连接，用于向编码器供电；第二电源模块通过第二电源总线与每个轴关节中的驱动器连接，用于向驱动器供电。通过采用电源总线的方式向编码器供电，减少了协作机器人内部走线的数量，便于进行线缆设计和结构设计，有利于提高机械臂的寿命。

附图说明

图1为一种实施例的协作机器人的结构示意图；

图2为另一种实施例的协作机器人的结构示意图；

图3为一种实施例中的电压波形示意图；

图4为一种实施例中编码器两端的电路示意图；

图5为图4所示电路中VM1和VM2的波形示意图；

图6为另一种实施例中编码器两端的电路示意图；

图7为图6所示电路中VM1和VM2的波形示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

为了解决现有协作机器人中存在的上述问题，本申请通过采用电源总线供电的方式为编码器进行供电，减少了协作机器人内部走线的数量。下面通过具体的实施例对本申请进行详细的说明。

图1为一种实施例的协作机器人的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的协作机器人可以包括：底座10、第一电源模块101、第二电源模块102、第一电源总线30、第二电源总线40和多个轴关节20，每个轴关节包括驱动器201和编码器202，驱动器201与编码器202连接。驱动器201与编码器202通信连接，进行双向通讯。编码器202可以用于获取电机转子运动的位置信息，并将所述位置信息反馈给驱动器201；驱动器201可以用于驱动电子转子运动。

其中，第一电源模块101和第二电源模块102安装在底座10中。第一电源模块101通过第一电源总线30与每个轴关节中的编码器202连接，用于向编码器202供电，具体的可以采用连接器进行连接；第二电源模块102通过第二电源总线40与每个轴关节中的驱动器201连接，用于向驱动器201供电，具体的可以采用连接器进行连接。

在一种可选的实施方式中，第一电源模块101的高电位端通过第一电源总线30分别与各编码器202的第一电源接线端子连接，各编码器202的第二电源接线端子分别通过第一电源总线30与第一电源模块101的低电位端连接。其中，第一电源模块101的高电位端可以为VCC端，第一电源模块101的低电位端可以为GND端。

在一种可选的实施方式中，第二电源模块102的高电位端通过第二电源总线40分别与各驱动器201的第一电源接线端子连接，各驱动器201的第二电源接线端子分别通过第二电源总线40与第二电源模块102的低电位端连接。其中，第二电源模块102的高电位端可以为VCC端，第二电源模块102的低电位端可以为GND端。

可以理解的是，由于编码器功耗低，因此第一电源模块可以采用电池；由于驱动器功耗较高，因此第二电源模块可以采用开关电源。

在一种可选的实施方式中，每个轴关节20中的驱动器201和编码器202的GND连接。

本实施例提供的协作机器人包括：底座、第一电源模块、第二电源模块、第一电源总线、第二电源总线和多个轴关节，每个轴关节包括驱动器和编码器；第一电源模块和第二电源模块安装在底座中；第一电源模块通过第一电源总线与每个轴关节中的编码器连接，用于向编码器供电；第二电源模块通过第二电源总线与每个轴关节中的驱动器连接，用于向驱动器供电。通过将第一电源模块和第二电源模块均安装在底座中，只需要在底座开盖一次即可完成电源更换，方便快捷，便于后期维护，且将电源模块安装于底座中，能够增加底座的重量，有利于提高协作机器人的稳定性；通过电源总线为编码器供电，减少了协作机器人内部走线的数量，便于进行线缆设计和结构设计，有利于提高协作机器人的寿命。

下面以四轴机械臂为例，提供一种具体的实施例。请参考图2，本实施例提供的协作机器人包括四个轴关节20，从左至右依次为：Z轴轴关节、大臂轴关节、小臂轴关节和第四轴关节。第一电源总线包括第一电源VCC总线301和第一电源GND总线302；第二电源总线包括第二电源VCC总线401和第二电源GND总线402。具体的，第一电源VCC总线301将第一电源模块101的VCC端与编码器202的第一电源接线端子1连接；第一电源GND总线302将第一电源模块101的GND端与编码器202的第二电源接线端子2连接。第二电源VCC总线401将第二电源模块102的VCC端与驱动器201的第一电源接线端子1连接；第二电源GND总线402将第二电源模块102的GND端与驱动器201的第二电源接线端子2连接。每个轴关节20中驱动器201的第二电源接线端子2与编码器202的第二电源接线端子2连接，即驱动器201和编码器202的GND连接。

如图2所示，采用电源总线的方式为编码器供电时，只需要使用第一电源VCC总线301和第一电源GND总线302两根线缆即可。若采用每一个轴的编码器分别走线到机械臂底座，分别连接一个电池为编码器供电的方式，对于四轴机械臂来说，则至少需要八根线缆进行供电。对于四轴机械臂来说，采用电源总线的供电方式使得机械臂内部走线的数量减少了六根。

众所周知，线缆具有一定的阻抗，虽然图2所示实施例中并未示出线缆的等效阻抗，但是当每一个轴之间的线缆较长时，线缆阻抗在大电流情况下产生的电压差不可忽略。图2中A～H为电压测试点。

由于驱动器201的功耗较大，因此第二电源模块102对驱动器201进行大电流供电。当大电流经过第二电源VCC总线401、第二电源GND总线402和第一电源GND总线302时产生压降，各点处的电压大小关系为：A>C>D>E>H。而没有大电流经过的线缆，如第一电源VCC总线301、第一电源GND总线302的E到F段，电压相同，则各点的电压大小可以表示为F＝E，G＝B，即F点与E点电压大小相同，G点与B点电压大小相同。

当第一电源模块101采用电池供电，且电池的电压恒定为3.6V时，G-F＝G-E＝3.6V，即G点与F点的电压差等于G点与E点的电压差，该电压差为3.6V。由于A点处电压高于E点处电压，F点与E点电压大小相同，所以A点处电压高于F点处电压，则G点与A点的电压差小于G点与E点的电压差，即G-A<G-E，G-A<3.6V。由于G点与B点电压大小相同，则B点与A点的电压差也小于3.6V。请参考图3，其中编号为1的曲线表示驱动器的大电流脉冲，编号为2的曲线表示第四轴编码器的电压差，即图2中B点与A点的电压差。如图3所示，在大电流脉冲对应时刻，编码器的电压差从3.6V降至3.1V，电压波动将干扰编码器的正常工作。

在上述实施例的基础上，为了降低驱动器大电流脉冲对于编码器正常工作的干扰，本实施例提供的协作机器人中，每个轴关节中的编码器可以设有滤波电容，用于滤除干扰信号。滤波电容的两端分别与编码器的第一电源接线端子和第二电源接线端子连接，也就是说提供给编码器的工作电压是经过滤波电容滤除干扰信号的。请参考图4，其中V1用于模拟第一电源模块，例如可以采用电压为3.6V的电池；VG1用于模拟大电流脉冲造成的电压波动；L1用于模拟线缆的等效电感，例如可以为10微亨(μH)；R2用于模拟线缆的等效电阻，例如可以为900毫欧(mΩ)；C2表示滤波电容；VM1表示第一模拟示波器；VM2表示第二模拟示波器。如图4所示，VG1、L1、R2和C2依次串联并连接在V1两端，VM2跨接在C2两端，VM1连接在VG1的一端和V1的负极。VM1所示波形为大电流脉冲造成的编码器电压干扰，VM2所示波形为经过滤波电容C2滤波后的编码器电压。VM1和VM2所示波形请参考图5。如图5所示，通过滤波电容C2滤波后，降低了大电流脉冲造成的电压干扰。

在一种可选的实施方式中，还可以采用RC滤波电路用于滤除干扰信号，即在每个轴关节中的编码器中设置RC滤波电路，RC滤波电路的两端分别与编码器的第一电源接线端子和第二电源接线端子连接。也就是说提供给编码器的工作电压是经过RC滤波电路滤除干扰信号的。该RC滤波电路可以包括依次串联的第一电阻R1和第一电容C1。可选的，R1＝100Ω，C1＝10μF。

在上述实施例的基础上，为了进一步降低驱动器大电流脉冲对于编码器正常工作的干扰，本实施例提供的协作机器人中，每个轴关节中的编码器可以设置滤波电容和RC滤波电路，用于滤除干扰信号。请参考图6，在图4所示电路的基础上，还包括由依次串联的第一电阻R1和第一电容C1所组成的RC滤波电路。其中V1用于模拟第一电源模块，例如可以采用电压为3.6V的电池；VG1用于模拟大电流脉冲造成的电压波动；L1用于模拟线缆的等效电感；R2用于模拟线缆的等效电阻；C2表示滤波电容；VM1表示第一模拟示波器；VM2表示第二模拟示波器；C1表示第一电容，C1＝10μF；R1表示第一电阻，R1＝100Ω。如图6所示，VG1、L1、R2和C2依次串联并连接在V1两端，VM1连接在VG1的一端和V1的负极，R1与C1串联后连接在C2两端，VM2跨接在C1两端。VM1所示波形为大电流脉冲造成的编码器电压干扰，VM2所示波形为经过滤波电容C2和RC滤波电路共同滤波后的编码器电压。VM1和VM2所示波形请参考图7。如图7所示，通过滤波电容C2和RC滤波电路的共同滤波后，大电流脉冲造成的电压干扰已经被基本滤除。

综上所述，本申请提供的协作机器人，通过采用电源总线对每一个轴的编码器进行统一供电，减少了协作机器人内部走线的数量，有利于线缆设计和结构设计，有利于提高协作机器人的机械寿命；多个轴的编码器可以共用电池，并统一安装在底座，便于后期维护，提高了用户体验；通过采用RC滤波电路和/或滤波电容，消除了电源总线供电时，大电流对于编码器的干扰信号，保证了电源总线应用的可行性，提高了编码器电池供电的可靠性。

本文参照了各种示范实施例进行说明。然而，本领域的技术人员将认识到，在不脱离本文范围的情况下，可以对示范性实施例做出改变和修正。例如，各种操作步骤以及用于执行操作步骤的组件，可以根据特定的应用或考虑与系统的操作相关联的任何数量的成本函数以不同的方式实现(例如一个或多个步骤可以被删除、修改或结合到其他步骤中)。

虽然在各种实施例中已经示出了本文的原理，但是许多特别适用于特定环境和操作要求的结构、布置、比例、元件、材料和部件的修改可以在不脱离本披露的原则和范围内使用。以上修改和其他改变或修正将被包含在本文的范围之内。

前述具体说明已参照各种实施例进行了描述。然而，本领域技术人员将认识到，可以在不脱离本披露的范围的情况下进行各种修正和改变。因此，对于本披露的考虑将是说明性的而非限制性的意义上的，并且所有这些修改都将被包含在其范围内。同样，有关于各种实施例的优点、其他优点和问题的解决方案已如上所述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及任何能产生这些的要素，或使其变得更明确的解决方案都不应被解释为关键的、必需的或必要的。本文中所用的术语“包括”和其任何其他变体，皆属于非排他性包含，这样包括要素列表的过程、方法、文章或设备不仅包括这些要素，还包括未明确列出的或不属于该过程、方法、系统、文章或设备的其他要素。此外，本文中所使用的术语“耦合”和其任何其他变体都是指物理连接、电连接、磁连接、光连接、通信连接、功能连接和/或任何其他连接。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种协作机器人，其特征在于，包括：底座、第一电源模块、第二电源模块、第一电源总线、第二电源总线和多个轴关节，每个轴关节包括驱动器和编码器，所述驱动器与所述编码器连接；

所述第一电源模块和所述第二电源模块安装在所述底座中；

所述第一电源模块通过所述第一电源总线与每个轴关节中的编码器连接，用于向编码器供电；

所述第二电源模块通过所述第二电源总线与每个轴关节中的驱动器连接，用于向驱动器供电。

2.如权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，

所述第一电源模块的高电位端通过所述第一电源总线分别与各编码器的第一电源接线端子连接，各编码器的第二电源接线端子分别通过所述第一电源总线与所述第一电源模块的低电位端连接。

3.如权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，

所述第二电源模块的高电位端通过所述第二电源总线分别与各驱动器的第一电源接线端子连接，各驱动器的第二电源接线端子分别通过所述第二电源总线与所述第二电源模块的低电位端连接。

4.如权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述第一电源模块为电池。

5.如权利要求1所述的协作机器人，其特征在于，所述第二电源模块为开关电源。

6.如权利要求1-5任一项所述的协作机器人，其特征在于，每个轴关节中的驱动器和编码器的GND连接。

7.如权利要求6所述的协作机器人，其特征在于，每个轴关节中的编码器设有滤波电容，所述滤波电容的两端分别与所述编码器的第一电源接线端子和第二电源接线端子连接。

8.如权利要求6所述的协作机器人，其特征在于，每个轴关节中的编码器设有RC滤波电路，所述RC滤波电路的两端分别与所述编码器的第一电源接线端子和第二电源接线端子连接。

9.如权利要求8所述的协作机器人，其特征在于，所述RC滤波电路包括依次串联的第一电阻和第一电容。

10.如权利要求9所述的协作机器人，其特征在于，所述第一电阻为100欧姆，所述第一电容为10微法。

Images