CN112518733A - 直线伺服舵机及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直线伺服舵机及机器人，直线伺服舵机包括舵机外壳、输出旋转运动的电机、连接于所述电机的输出端的减速器、由所述减速器驱动旋转的丝杆、螺纹连接于所述丝杆的推杆螺母、用于检测所述推杆螺母位移的传感器组件以及控制器，所述传感器组件包括固定于所述推杆螺母的磁铁以及用于检测所述磁铁直线位移的磁场传感器，所述磁场传感器电性连接于所述控制器。本发明提供的直线伺服舵机及机器人，通过设置磁铁和磁场传感器，可以解决使用电刷和碳膜结构时带来的组装成本高、组装难度大、使用噪声大、容易产生接触不良等问题。

Description

直线伺服舵机及机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更具体地说，是涉及一种直线伺服舵机及机器人。

背景技术

舵机是控制机器人各个摆动臂移动的动力源。舵机分为直线舵机和旋转舵机。为了保证机器人关节运动位移的准确性，需要在直线舵机运动时，检测直线舵机运动端的位移。目前，常用的直线舵机采用电刷在碳膜结构上滑动，形成滑动变阻的方式实现位置检测。但是滑动变阻式位置检测结构，装配困难，电刷本身结构复杂，装配时的压缩弹力和装配距离难以控制，导致组装生产成本较高，电刷容易变形和损坏，而且在使用过程中有摩擦噪声，容易产生短路和接触不良的情况。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种直线伺服舵机及机器人，以解决现有技术中存在的使用电刷和碳膜结构进行位置检测具有组装成本高、使用噪声较大、容易短路和接触不良等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种直线伺服舵机，包括舵机外壳、输出旋转运动的电机、连接于所述电机的输出端的减速器、由所述减速器驱动旋转的丝杆、螺纹连接于所述丝杆的推杆螺母、用于检测所述推杆螺母位移的传感器组件以及控制器，所述传感器组件包括固定于所述推杆螺母的磁铁以及用于检测所述磁铁直线位移的磁场传感器，所述磁场传感器电性连接于所述控制器。

在一个实施例中，所述推杆螺母包括螺纹连接于所述丝杆的螺母段以及连接于所述螺母段的推杆段，所述磁铁固定于所述螺母段。

在一个实施例中，所述直线伺服舵机还包括轮式组件，所述轮式组件包括输入轮和输出轮，所述输入轮固定于所述减速器的输出端，所述输出轮固定于所述丝杆，且所述电机和所述推杆螺母设于所述轮式组件的同一侧。

在一个实施例中，所述输入轮和所述输出轮均为直齿轮或斜齿轮，所述输入轮和所述输出轮相互啮合；或者，

所述输入轮和所述输出轮均为带轮，所述轮式组件还包括连接所述输入轮和所述输出轮的皮带；或者，

所述输入轮和所述输出轮均为链轮，所述轮式组件还包括连接所述输入轮和所述输出轮的链条。

在一个实施例中，所述电机和所述传感器组件分别设于所述推杆螺母的相对两侧。

在一个实施例中，所述舵机外壳包括依次连接的舵机前盖、舵机中壳、舵机固定板、齿轮箱体以及舵机后盖，所述推杆螺母的一端支撑于所述舵机前盖，所述丝杆的一端支撑于所述舵机固定板，所述电机、所述减速器及所述磁铁均设于所述舵机中壳内，所述轮式组件设于所述齿轮箱体内。

在一个实施例中，所述丝杆的面向所述舵机固定板的一端螺纹连接有预紧螺钉，所述预紧螺钉用于消除所述丝杆的轴向方向的装配间隙。

在一个实施例中，所述舵机外壳内具有用于定位所述推杆螺母的半圆筒段，所述半圆筒段具有轴向贯穿其的圆筒缺口，所述圆筒缺口处设有连接片，所述推杆螺母径向向外延伸形成有定位部，所述定位部沿所述推杆螺母的轴向开设有卡片槽，所述连接片插入所述卡片槽中设置。

在一个实施例中，所述磁铁固定于所述定位部。

在一个实施例中，所述舵机外壳上固定有用于检测所述推杆螺母所受轴向拉力或轴向压力的拉压力传感器。

本发明还提供一种机器人，包括上述的直线伺服舵机。

本发明提供的直线伺服舵机及机器人的有益效果在于：与现有技术相比，本发明直线伺服舵机包括舵机外壳、电机、减速器、丝杆、推杆螺母、传感器组件和控制器，电机输出旋转运动，丝杆和推杆螺母的配合，将电机的旋转运动转换为直线运动。传感器组件用于检测推杆螺母的位移，传感器组件包括磁场传感器和磁铁，磁铁与推杆螺母同步移动，磁铁在运动时，磁场传感器的位置处的磁场强度发生变化，通过磁场强度的变化计算得出磁铁的位移。通过该种非接触式的位移传感器，可以解决使用电刷和碳膜结构时带来的组装成本高、组装难度大、使用噪声大、容易产生接触不良等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的直线伺服舵机的立体结构图；

图2为本发明实施例提供的直线伺服舵机的内部结构图；

图3为本发明实施例提供的直线伺服舵机的剖视图；

图4为本发明实施例提供的舵机中壳的立体结构图；

图5为本发明实施例提供的推杆螺母的立体结构图。

其中，图中各附图标记：

1-舵机外壳；11-舵机前盖；12-舵机中壳；121-半圆筒段；1210-圆筒缺口；122-连接片；13-舵机固定板；14-齿轮箱体；15-舵机后盖；2-电机；3-减速器；4-轮式组件；41-输入轮；42-输出轮；5-丝杆；51-轴承；52-预紧螺钉；6-推杆螺母；61-螺母段；62-推杆段；63-定位部；631-卡片槽；632-磁铁腔；7-传感器组件；71-磁场传感器；72-磁铁；8-控制器；9-拉压力传感器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

现对本发明实施例提供的直线伺服舵机进行说明。

在本发明的其中一个实施例中，请一并参阅图1至图3，直线伺服舵机能够输出直线运动，直线伺服舵机包括舵机外壳1、电机2、减速器3、丝杆5、推杆螺母6、传感器组件7和控制器8。舵机外壳1用于保护和支撑其内部的部件，电机2、减速器3、丝杆5、推杆螺母6、传感器组件7和控制器8均设于舵机外壳1内。减速器3连接于电机2的输出端，丝杆5由减速器3驱动旋转，推杆螺母6螺纹连接于丝杆5上，推杆螺母6为直线伺服舵机的输出端。在电机2工作时，电机2输出旋转运动，经过减速器3的减速，丝杆5由减速器3的输出端带动旋转，推杆螺母6在丝杆5的驱动下直线运动，作为直线伺服舵机的运动输出端。传感器组件7用于检测推杆螺母6的运动位移，判断推杆螺母6的位置。传感器组件7包括磁铁72和磁场传感器71，磁铁72固定于推杆螺母6，使磁铁72和推杆螺母6同步运动，通过检测磁铁72的位置即可判断推杆螺母6的位移。磁铁72的位置改变时，各个部位对应的磁场强度也发生改变，磁场传感器71电性连接于控制器8，磁场传感器71通过检测磁场的变化既可以计算得出磁铁72的位置，从而可以得出推杆螺母6的位移。在本发明实施例中，不需要采用电刷和碳膜结构，采用磁感应这种非接触式传感器，彻底解决了使用电刷时装配困难、装配难度大、组装成本高的问题，也解决了使用过程中出现摩擦噪声的问题，更不会出现短路和接触不良的情况。

上述实施例中的直线伺服舵机，包括舵机外壳1、电机2、减速器3、丝杆5、推杆螺母6、传感器组件7和控制器8，电机2输出旋转运动，丝杆5和推杆螺母6的配合，将电机2的旋转运动转换为直线运动。传感器组件7用于检测推杆螺母6的位移，传感器组件7包括磁场传感器71和磁铁72，磁铁72与推杆螺母6同步移动，磁铁72在运动时，磁场传感器71的位置处的磁场强度发生变化，通过磁场强度的变化计算得出磁铁72的位移。通过该种非接触式的位移传感器，可以解决使用电刷和碳膜结构时带来的组装成本高、组装难度大、使用噪声大、容易产生接触不良等问题。

需要说明的是，电机2可为伺服电机，电机2的类型此处不作限定，只要能够输出旋转运动即可。减速器3可选为行星减速器、谐波减速器、RV减速器、摆线针轮减速器等，减速器3的类型此处不作限定。电机2和减速器3可封装在同一壳体内，呈模块化设置，也可以分体安装设置。

可选地，磁场传感器71为霍尔传感器，实际上，任意能够检测磁场强度的传感器均可。磁铁72的设置使霍尔传感器置于磁场中，霍尔传感器通电，当霍尔传感器内部的电流与磁场方向不一致时，霍尔传感器的半导体薄片上会产生电动势，即霍尔电压。霍尔电压会随着磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。因此，当磁铁72随推杆螺母6同步移动时，霍尔传感器对应位置的磁场强度发生变化，霍尔电压也发生变化，因此通过霍尔电压的变化值计算出推杆螺母6的位移。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2，直线伺服舵机还包括轮式组件4，轮式组件4的设置可以改变丝杆5的旋转轴线的位置，使丝杆5的旋转轴线和电机2的旋转轴线平行设置，无需设置在同一轴线上，因此可以节约直线伺服电机2的轴向空间。轮式组件4包括输入轮41和输出轮42，输入轮41固定于减速器3的输出端，输出轮42固定于丝杆5。可选地，减速器3的中心轴与输入轮41的中心轴同轴，丝杆5的中心轴与输出轮42的中心轴同轴。这样，轮式组件4传动连接减速器3和丝杆5，使丝杆5能够在减速器3的驱动下旋转。更进一步地，电机2和推杆螺母6设于轮式组件4的同一侧，可以减小直线伺服舵机的轴向长度，更合理地布局直线伺服舵机的内部结构。

可选地，输入轮41和输出轮42均为直齿轮或者均为斜齿轮，输入轮41和输出轮42相互啮合，输入轮41和输出轮42的中心轴相互平行，丝杆5的中心轴和减速器3的中心轴也相互平行。或者，输入轮和输出轮均为带轮，轮式组件还包括皮带，皮带可以传动连接输入轮和输出轮，使输入轮能够带动输出轮旋转。或者，输入轮和输出轮均为链轮，轮式组件还包括链条，链条可以传动连接输入轮和输出轮，使输入轮能够带动输出轮旋转。其中，轮式组件4的传动比可选为1。

可选地，电机2和传感器组件7设于推杆螺母6的相对两侧，推杆螺母6为直线伺服舵机的运动输出端，电机2和传感器组件7分别设于推杆螺母6的相对两侧，可以使推杆螺母6位于直线伺服舵机的中部，合理利用推杆螺母6两侧的空间。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图1及3，舵机外壳1包括依次连接的舵机前盖11、舵机中壳12、舵机固定板13、齿轮箱体14和舵机后盖15，舵机前盖11和舵机中壳12之间、舵机中壳12和舵机固定板13之间、舵机固定板13和齿轮箱体14之间、齿轮箱体14和舵机后盖15之间均可通过螺钉固定连接。其中，推杆螺母6的一端穿出舵机前盖11设置，供机器人摆动臂连接，且推杆螺母6和舵机前盖11之间可设置直线轴承，用于支撑和导向推杆螺母6。丝杆5靠近舵机固定板13的一端支撑于舵机固定板13，丝杆5和舵机固定板13之间设置有轴承51。电机2、减速器3、传感器组件7均设于舵机中壳12内，电机2、减速器3设于推杆螺母6的其中一侧，传感器组件7和控制器8设于推杆螺母6的另外一侧。轮式组件4设置于齿轮箱体14内。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2及图3，丝杆5的面向舵机固定板13的一端螺纹连接有预紧螺钉52，预紧螺钉52用于消除丝杆5的轴向方向的安装间隙。具体地，输出轮42套设固定于丝杆5的面向舵机固定板13的一端，且舵机固定板13和丝杆5之间设置有轴承51。更具体地，舵机固定板13上开设有供丝杆5穿过的轴承孔，丝杆5上套设有两个轴承51，两个轴承51分别设于舵机固定板13的相对两侧，即两个轴承51分别设置于舵机中壳12的内部和外部，舵机中壳12内的轴承51抵接于丝杆5的轴肩上，舵机固定板13具有夹设在两个轴承51的外圈之间的夹持部，舵机中壳12内的轴承51的内圈与输出轮42相抵接。如此，沿丝杆5的轴向方向依次设置有轴承51、夹持部、轴承51和输出轮42。预紧螺钉52的头部可压紧于输出轮42的端面，从而依次压紧舵机中壳12外的轴承51、夹持部和舵机中壳12内的轴承51，从而可以消除丝杆5上的轴向装配间隙。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图2及图3，舵机外壳1上固定有拉压力传感器9，拉压力传感器9用于检测推杆螺母6所受的轴向拉力或轴向压力的大小，例如可以检测推杆螺母6轴向100N以内的拉力或者压力的大小。当推杆螺母6受到的作用力增大或者减小时，拉压力传感器9相应可以检测到拉压力变化。可选地，舵机固定板13的朝向舵机后盖15一侧延伸形成有环形壁，环形壁围合形成容纳腔，舵机后盖15盖设于容纳腔的开口处。拉压力传感器9可设于该容纳腔内，拉压力传感器9可固定于舵机固定板13，或者固定于舵机后盖15上，或者夹设固定于舵机固定板13和舵机后盖15之间。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3及图4，舵机外壳1的内部设置有半圆筒段121，半圆筒段121用于定位推杆螺母6，推杆螺母6设置于半圆筒段121内，如此形成对推杆螺母6的定位。半圆筒段121由于其周向方向呈半圆形，使得半圆筒段121具有轴向贯穿其的圆筒缺口1210，半圆筒段121的圆筒缺口1210处设置有连接片122。推杆螺母6径向向外延伸形成有定位部63，定位部63相应开设有卡片槽631，连接片122插入卡片槽631中设置，如此实现对推杆螺母6的导向，使得推杆螺母6只能沿其轴向运动，而不会周向运动。需要说明的是，半圆筒段121在其周向方向上的圆周角可为180°，也可大于180°，或者小于180°，只要能够对推杆螺母6起到定位作用即可。

可选地，定位部63的背向推杆螺母6一侧具有磁铁腔632，磁铁72设置于磁铁腔632内，使得磁铁72固定于定位部63处，定位部63既具有导向推杆螺母6的作用，又具有安装磁铁72的作用。

可选地，磁铁72为条形磁铁，条形磁铁的长度方向沿推杆螺母6的轴向设置。

在本发明的其中一个实施例中，请参阅图3及图5，推杆螺母6包括螺母段61和连接于螺母段61的推杆段62，螺母段61螺纹连接于丝杆5，推杆段62的远离螺母段61的一端伸出舵机前盖11设置。螺母段61的长度可小于或者等于丝杆5的外螺纹段的长度。磁铁72固定于螺母段61，螺母段61相对于推杆段62更加远离舵机前盖11设置，因此将磁铁72设置于螺母段61上，保证磁铁72有足够的有效行程，保证推杆在未到达极限位置之前，磁铁72也未到极限位置。磁铁72的有效行程可在8mm至14mm之间。

可选地，控制器8用于控制电机2的开启和关闭，控制器8的固定位置此处不作限定，可根据控制器8的大小选择固定在舵机前盖11、舵机中壳12、舵机固定板13、舵机后盖15中的一个或者多个上。

本发明还提供一种机器人，包括上述任一实施例中的直线伺服舵机，还可包括由直线伺服舵机驱动的摆动臂、手指等。

本发明实施例提供的机器人，采用了上述的直线伺服舵机，直线伺服舵机包括舵机外壳1、电机2、减速器3、丝杆5、推杆螺母6、传感器组件7和控制器8，电机2输出旋转运动，丝杆5和推杆螺母6的配合，将电机2的旋转运动转换为直线运动。传感器组件7用于检测推杆螺母6的位移，传感器组件7包括磁场传感器71和磁铁72，磁铁72与推杆螺母6同步移动，磁铁72在运动时，磁场传感器71的位置处的磁场强度发生变化，通过磁场强度的变化计算得出磁铁72的位移。通过该种非接触式的位移传感器，可以解决使用电刷和碳膜结构时带来的组装成本高、组装难度大、使用噪声大、容易产生接触不良等问题，保证机器人执行末端的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种直线伺服舵机，其特征在于：包括舵机外壳、输出旋转运动的电机、连接于所述电机的输出端的减速器、由所述减速器驱动旋转的丝杆、螺纹连接于所述丝杆的推杆螺母、用于检测所述推杆螺母位移的传感器组件以及控制器，所述传感器组件包括固定于所述推杆螺母的磁铁以及用于检测所述磁铁直线位移的磁场传感器，所述磁场传感器电性连接于所述控制器。

2.如权利要求1所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述推杆螺母包括螺纹连接于所述丝杆的螺母段以及连接于所述螺母段的推杆段，所述磁铁固定于所述螺母段。

3.如权利要求1所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述直线伺服舵机还包括轮式组件，所述轮式组件包括输入轮和输出轮，所述输入轮固定于所述减速器的输出端，所述输出轮固定于所述丝杆，且所述电机和所述推杆螺母设于所述轮式组件的同一侧。

4.如权利要求3所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述输入轮和所述输出轮均为直齿轮或斜齿轮，所述输入轮和所述输出轮相互啮合；或者，

所述输入轮和所述输出轮均为带轮，所述轮式组件还包括连接所述输入轮和所述输出轮的皮带；或者，

所述输入轮和所述输出轮均为链轮，所述轮式组件还包括连接所述输入轮和所述输出轮的链条。

5.如权利要求3所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述电机和所述传感器组件分别设于所述推杆螺母的相对两侧。

6.如权利要求3所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述舵机外壳包括依次连接的舵机前盖、舵机中壳、舵机固定板、齿轮箱体以及舵机后盖，所述推杆螺母的一端支撑于所述舵机前盖，所述丝杆的一端支撑于所述舵机固定板，所述电机、所述减速器及所述磁铁均设于所述舵机中壳内，所述轮式组件设于所述齿轮箱体内。

7.如权利要求6所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述丝杆的面向所述舵机固定板的一端螺纹连接有预紧螺钉，所述预紧螺钉用于消除所述丝杆的轴向方向的装配间隙。

8.如权利要求1所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述舵机外壳内具有用于定位所述推杆螺母的半圆筒段，所述半圆筒段具有轴向贯穿其的圆筒缺口，所述圆筒缺口处设有连接片，所述推杆螺母径向向外延伸形成有定位部，所述定位部沿所述推杆螺母的轴向开设有卡片槽，所述连接片插入所述卡片槽中设置。

9.如权利要求8所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述磁铁固定于所述定位部。

10.如权利要求1所述的直线伺服舵机，其特征在于：所述舵机外壳上固定有用于检测所述推杆螺母所受轴向拉力或轴向压力的拉压力传感器。

11.一种机器人，其特征在于：包括权利要求1-10任一项所述的直线伺服舵机。

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