CN117578791A - 一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸 - Google Patents

Abstract

一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，属于机器人技术领域。为解决电缸输出动力、集成度、轻质性、结构强度、功耗和运动速度存在一定劣势的问题。本发明中的电缸传动模块与直流无刷电机设置在电缸外壳内；电缸传动模块与电缸外壳转动连接；失电制动模块、拉/压应力传感器和电磁编码器布置在电缸传动模块的一端，并与驱控集成电路板连接；电缸传动模块的一端与失电制动模块连接，另一端与动力输出模块连接；动力输出模块与电缸外壳的外壁滑动连接；驱控集成电路板安装在电缸外壳的外侧壁上，并与直流无刷电机连接；电位计位移传感器和霍尔限位传感器安装在动力输出模块上，并与驱控集成电路板连接；本发明用于人形机器人关节处的驱动。

Description

一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种直线电缸，尤其涉及一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸。

背景技术

人形机器人是现代科技发展的重要产物，随着国内和国际上对人形机器人的研究，逐渐开始使用轻量化的电缸作为驱动元件，并且电缸的功能在一定程度上得到了完善和优化。例如，中国专利“CN219999173U”公开的“一种适用于人形机器人的伺服电缸”，其包括具有转动设置的电机轴的伺服电机，伺服电机一端同轴连接有套筒体，套筒体内穿设有丝杆体，丝杆体与电机轴可拆相连，在套筒体内活动设有与丝杆体螺纹相连的丝杆螺母，丝杆螺母一端延伸至套筒体外侧，丝杆螺母延伸至套筒体外侧的一端和/或伺服电机远离套筒体的一端设有球铰组件。该装置采用分体式结构，丝杆体通过转换法兰与伺服电机相连，提高散热能力，也提高了灵活性，同时电机定子与缸体一体化设计，保证了机械尺寸的紧凑，并且球铰组件的设计，可用于直线推拉场景，适用于人形机器人的肌肉仿生模拟。

但是此电缸在输出动力、集成度、轻质性、结构强度、功耗和运动速度方面仍然存在一定的劣势，不能满足人形机器人对低功耗和高动态的需求。具体的，目前电缸对人形机器人存在以下制约因素：一是，动力输出不足和运动速度慢，导致机器人的运动能力和工作效率受到了限制。二是，轴向尺寸大，导致机器人关节的运动行程受到了限制。三是，集成度低、体积大和重量大，导致机器的灵活性受到了限制，且影响了机器人的平衡性和稳定性，增加控制和运动的难度。四是，待机功耗高，导致机器人的使用时间和效率受到了限制。五是，结构强度低，使人形机器人的功能受限，并且存在安全风险。因此，现在急需一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，它包括电缸外壳、直流无刷电机、电缸传动模块、动力输出模块、失电制动模块、拉/压应力传感器、电磁编码器、霍尔限位传感器、电位计位移传感器和驱控集成电路板；所述的电缸传动模块与直流无刷电机由内至外依次设置在电缸外壳内，并与电缸外壳同轴布置；所述电缸传动模块轴向的两端分别伸出直流无刷电机两端的端部，并与电缸外壳转动连接；所述的失电制动模块、拉/压应力传感器和电磁编码器设置在电缸外壳内，并布置在电缸传动模块的一端，所述电缸传动模块的一端与失电制动模块的制动端连接，电缸传动模块的另一端与动力输出模块连接，并为动力输出模块提供直线运动的动力；所述的动力输出模块设置在电缸外壳外的一端，并与电缸外壳的外壁滑动连接；所述的驱控集成电路板安装在电缸外壳的外侧壁上，并与直流无刷电机电连接；所述的拉/压应力传感器与驱控集成电路板电连接；所述的电位计位移传感器和霍尔限位传感器安装在动力输出模块上，并分别与驱控集成电路板连接；

所述的电缸传动模块包括动力输入轴、丝杠螺母、丝杆轴、轴向定位组件和两组径向定位组件；所述的动力输入轴为中空的筒状结构，动力输入轴左侧的轴段插装在电机转子内，并与电机转子固定连接，动力输入轴右侧的轴段通过轴向定位组件与电缸外壳1转动连接，动力输入轴的两端分别通过一组径向定位组件与失电制动模块和电缸外壳上右侧的端盖转动连接，动力输入轴通过轴向定位组件和径向定位组件实现轴向定位和径向定位；所述的丝杠螺母从动力输入轴的一端端口插在动力输入轴内，并与动力输入轴采用键连接，以实现二者之间扭矩的传递；所述的丝杠螺母通过动力输入轴内环壁上的轴肩和轴向定位组件实现轴向定位；所述的丝杆轴同轴插在动力输入轴内，并与丝杠螺母螺接在一起，丝杆轴的动力输出端连接在动力输出模块上。

优选地，所述丝杆轴左端的端部安装有一个圆台形限位块，圆台形限位块的最小外径小于动力输入轴左端端口口径，圆台形限位块的最大外径大于动力输入轴左端端口口径，所述圆台形限位块的最大外径大于丝杠螺母的内螺纹孔的孔径。

优选地，所述的动力输出模块包括输出连杆、输出端盖、N根导杆和2N个石墨铜管；所述的输出端盖设置在电缸外壳外，并与电缸外壳右侧的端盖平行布置；所述输出连杆的一端同轴连接在输出端盖的外端面上，丝杆轴的动力输出端同轴连接在输出端盖的内端面上，丝杆轴通过输出端盖将动力传递给输出连杆；N根所述的导杆周向均匀布置，导杆的一端固定连接在输出端盖的内端面上，导杆的另一端通过两个石墨铜管分别插装在电缸外壳上轴向对应设置的两个导向连接座内，并沿着导向连接座的轴线方向进行直线运动。

优选地，所述电缸外壳上左侧端盖的外端面设置有同轴布置的电缸连接部，电缸连接部的端部设置有关节轴承一，所述输出连杆的另一端设置有关节轴承二。

优选地，所述输出端盖的中心位置处开有螺纹通孔，输出连杆与输出端盖的连接端开有外螺纹，并螺接有一个六角螺母；丝杆轴的输出端开有外螺纹，输出连杆的螺纹端与丝杆轴的螺纹端共同螺接在输出端盖的螺纹通孔内；六角螺母的一端端面抵接在输出端盖上，六角螺母的另一端端面抵接在输出连杆的轴肩上。

优选地，所述的失电制动模块包括均为环形的安装座、失电制动转子、失电制动定子和间隙调整垫圈，所述的安装座固定安装在动力输入轴的左端端面上，失电制动定子、失电制动转子和间隙调整垫圈依次套在动力输入轴的左侧轴段上，失电制动定子固定安装在电缸外壳的内部，所述的间隙调整垫圈和失电制动转子固定安装在安装座的右端面上，失电制动转子和失电制动定子之间留有间隙。

优选地，所述的拉/压应力传感器包括定位套环、拉/压力检测电路板和四个应变片，所述的定位套环安装在电缸外壳上左侧端盖的内端面上，拉/压力检测电路板安装在定位套环上，四个所述的应变片沿着电缸外壳上左侧端盖的径向方向对称粘贴在左侧端盖的外端面上；四个所述的应变片以惠斯通电桥的方式与拉/压力检测电路板电连接。

优选地，所述的电磁编码器为旋转磁极，旋转磁极粘贴在失电制动模块中安装座背向失电制动转子的一侧端面上，并与拉/压力检测电路板之间留有间隙；所述的拉/压力检测电路板上设置有与旋转磁极相配合的芯片，通过芯片可以确定旋转磁极的旋转角度。

优选地，所述的霍尔限位传感器包括磁缸和两个检测芯片，所述的磁缸安装在动力输出模块中导杆的末端，两个所述的检测芯片沿着导杆的轴线方向安装在驱控集成电路板上，并与驱控集成电路板电连接。

优选地，所述的电位计位移传感器包括电刷和电刷定位销，电刷定位销设置在电刷上，所述的驱控集成电路板上并排设置有两个碳道，碳道的延伸方向与动力输出模块的运动方向相同，所述的电刷安装在霍尔限位传感器的外壳上，并朝向驱控集成电路板设置，电刷的两个刷体与驱控集成电路板上的两个碳道分别滑动连接。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1、本发明采用轴向尺寸小的直流无刷电机和采用以套叠的方式设计的电缸传动模块，使得电缸整体轴向尺寸较小、质量较轻、集成度高，同时失电制动模块、拉/压应力传感器和电磁编码器采用集成式设计，减小了直线驱动电缸整体的体积和质量，实现了直线驱动电缸的小型化、轻量化和集成度高的效果，这使得机器人更加灵活自由，可以更容易地进行各种动作和姿态调整。而且电缸的小体积、轻量化和集成度高意味着电缸的负载和惯性较小，因此能够更有效地利用电能，提高能源利用效率并且节省了机器人整体体积的空间，使机器人更加紧凑。

2、由于机器人的某个关节在电缸断电的情况下可能会产生松弛现象，进而导致机器人倒下或无法保持站立姿态，故机器人在工作时，关节处的电缸需要一直处于待机状态，本发明通过处于失电状态下的失电制动模块的设计，可以实现电缸在失/通电状态下的制动，动力输出模块不再作直线运动，电缸整体的输出功率达到最小，待机功耗低；待机功耗低意味着电缸在休眠状态下消耗的电能较少，可以延长机器人的续航时间，从而提高机器人的工作效率和持久性。且待机功耗低可以减少机器人在不工作时的能源消耗，提高能源利用效率，节约能源资源。同时可以减少电池的耗电量，在一定程度上延长电池的使用寿命，减少更换电池的次数和成本。

3、本发明中的动力输出模块采用多根导杆的设计，使得动力输出模块与电缸本体的连接强度更强，抗弯曲扭转的能力更强，进而使得电缸的结构强度更高，电缸结构强度高意味着它能够承受更大的压力和弯矩，能够更好地支持机器人的各种动作和移动，从而提高机器人的稳定性，并且可以承受更大的负载，使机器人能够携带和操作更重的物体，具有更强的承受能力。

4、由于本发明中的电缸传动模块传动环节少(电机→动力输入轴→丝杠螺母→丝杠轴→输出连杆)，故本发明功率损失少，机械效率高，输出动力大，且多根导杆的设计使得电缸的整体结构强度高，抗弯扭能力强，能够承受电缸的较大输出力，使机器人能够快速地执行各种动作，并且可以提供足够的力来适应各种复杂和具有挑战性的环境，例如爬坡、越障、承受风力等。这样机器人能够在各种复杂的场景中更好地移动和操作。电缸输出动力大可以提供更精确的控制，使机器人在各种复杂和不稳定的环境中保持稳定，并能够更准确地完成任务。这对于需要进行高精度操作或要求稳定性的任务而言非常重要。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解。

图1为本发明中直线驱动电缸驱动前的三维结构示意图；

图2为本发明中直线驱动电缸驱动后的三维结构示意图；

图3为本发明的二维剖面示意图；

图4为本发明失电制动部分的局部二维剖面示意图；

图5为本发明动力输出模块的三维结构示意图；

图6为应变片布置在左端盖上的结构示意图；

图7为霍尔限位传感器以及电位计位移传感器装配的三维结构示意图；

图8为驱控集成电路板与霍尔限位传感器以及电位计位移传感器工作状态下的三维结构示意图。

附图标记说明：1-电缸外壳；1-1-左端盖；1-1-1-电缸连接部；1-1-2-关节轴承一；1-2-套筒一；1-2-1-导向连接座；1-3-套筒二；1-3-1-内凸环；1-4-右端盖；1-4-1-环形凸起；2-直流无刷电机；2-1-电机定子；2-2-电机转子；3-电缸传动模块；3-1-动力输入轴；3-1-1-外凸环；3-2-丝杠螺母；3-3-丝杆轴；3-3-1-圆台形限位块；3-4-轴向定位组件；3-4-1-推力球轴承；3-4-2-轴承锁紧螺母；3-4-3-端口锁紧螺母；3-5-径向定位组件；3-5-1-深沟球轴承；3-5-2-弹簧垫圈；4-动力输出模块；4-1-输出连杆；4-2-输出端盖；4-2-1-螺纹通孔；4-3-导杆；4-4-石墨铜管；4-5-关节轴承二；4-6-六角螺母；5-失电制动模块；5-1-安装座；5-2-失电制动转子；5-3-失电制动定子；5-4-间隙调整垫圈；6-拉/压应力传感器；6-1-定位套环；6-2-拉/压力检测电路板；6-3-应变片；7-电磁编码器；8-霍尔限位传感器；8-1-磁缸；8-2-检测芯片；9-电位计位移传感器；9-1-电刷；9-2-电刷定位销；10-驱控集成电路板；10-1-碳道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图8，本申请实施例提供一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其包括电缸外壳1、直流无刷电机2、电缸传动模块3、动力输出模块4、失电制动模块5、拉/压应力传感器6、电磁编码器7、霍尔限位传感器8、电位计位移传感器9和驱控集成电路板10；所述的电缸传动模块3与直流无刷电机2由内至外依次设置在电缸外壳1内，并与电缸外壳1同轴布置，即直流无刷电机2同轴套装在电缸传动模块3外，同时直流无刷电机2同轴安装在电缸外壳1内；所述的直流无刷电机2分别与电缸外壳1和电缸传动模块3固定连接，并为电缸传动模块3提供旋转的扭矩；所述电缸传动模块3轴向的两端分别伸出直流无刷电机2两端的端部，并与电缸外壳1转动连接；所述的失电制动模块5、拉/压应力传感器6和电磁编码器7设置在电缸外壳1内，并布置在电缸传动模块3的一端，所述电缸传动模块3的一端与失电制动模块5的制动端连接，电缸传动模块3的另一端与动力输出模块4连接，并为动力输出模块4提供直线运动的动力；所述的动力输出模块4设置在电缸外壳1外的一端，并与电缸外壳1的外壁滑动连接；所述的驱控集成电路板10安装在电缸外壳1的外侧壁上，并与直流无刷电机2电连接；所述的拉/压应力传感器6与驱控集成电路板10电连接；所述的电位计位移传感器9和霍尔限位传感器8安装在动力输出模块4上，并分别与驱控集成电路板10连接。

本实施例中，通过直流无刷电机2、电缸传动模块3和动力输出模块4的设计，实现了直线驱动电缸的直线驱动功能；通过失电制动模块5的设计实现了直线驱动电缸的快速制动和减小待机功耗；通过拉/压应力传感器6、电磁编码器7、霍尔限位传感器8、电位计位移传感器9和驱控集成电路板10等感知、控制元件的设计实现了直线驱动电缸的感知功能和智能控制功能，故本实施例中的直线驱动电缸是集驱动、感知和控制的一体化电缸。

参见图1，所述的电缸外壳1包括左端盖1-1、套筒一1-2、套筒二1-3和右端盖1-4，所述的左端盖1-1、套筒一1-2、套筒二1-3和右端盖1-4由左至右依次同轴布置，并整体形成一个中空的腔体，即左端盖1-1与套筒一1-2的左端端口通过螺钉固定连接，套筒一1-2的右端端口与套筒二1-3的左端端口通过螺钉固定连接，套筒二1-3的右端端口与右端盖1-4通过螺钉固定连接。

进一步的，所述套筒一1-2的外环壁上沿轴线方向布置有两组导向连接座1-2-1，每组包括N个导向连接座1-2-1，N个导向连接座1-2-1沿套筒一1-2的圆周方向布置，所述的动力输出模块4连接在导向连接座1-2-1上，并在电缸传动模块3的驱动下沿着电缸外壳1的轴线方向进行移动。

进一步的，所述套筒二1-3的内壁上设置有一个同轴布置的内凸环1-3-1，并与内凸环1-3-1一体制成；所述的内凸环1-3-1作为安装的台阶面使用。

进一步的，所述左端盖1-1的外端面设置有同轴布置的电缸连接部1-1-1，电缸连接部1-1-1的端部设置有关节轴承一1-1-2；由于关节轴承具有可以在任意角度旋转摆动的自由度，所述直线驱动电缸的端部可以通过关节轴承一1-1-2铰连接在人形机器人上，增加关节处的自由度。

进一步的，所述的右端盖1-4为环形端盖，右端盖1-4的内端面上设置有环形凸起1-4-1。

参见图3，所述的直流无刷电机2包括电机定子2-1和电机转子2-2，所述的电机定子2-1设置在套筒二1-3内，并与套筒二1-3的内环壁通过胶粘贴在一起，并保持固定不动；所述的电机转子2-2设置在电机定子2-1内，并与电机定子2-1转动连接，在电机定子2-1通电的情况下，电机转子2-2绕中轴线进行转动。

本实施例中，采用直流无刷电机2可以减小直线驱动电缸的轴向尺寸。

参见图3，所述的电缸传动模块3用于将直流无刷电机2的转动转化为直线运动；其包括动力输入轴3-1、丝杠螺母3-2、丝杆轴3-3、轴向定位组件3-4和两组径向定位组件3-5；所述的动力输入轴3-1为中空的筒状结构，动力输入轴3-1左侧的轴段插装在电机转子2-2内，并与电机转子2-2通过胶粘贴在一起，动力输入轴3-1右侧的轴段通过轴向定位组件3-4与电缸外壳1的套筒二1-3转动连接，动力输入轴3-1的两端分别通过一组径向定位组件3-5与失电制动模块5和电缸外壳1上的右端盖1-4转动连接，动力输入轴3-1通过轴向定位组件3-4和径向定位组件3-5实现轴向定位和径向定位；所述的丝杠螺母3-2从动力输入轴3-1的一端端口插在动力输入轴3-1内，并与动力输入轴3-1采用键连接，以实现二者之间扭矩的传递，所述的丝杠螺母3-2通过动力输入轴3-1内环壁上的轴肩和轴向定位组件3-4实现轴向定位；所述的丝杆轴3-3同轴插在动力输入轴3-1内，并与丝杠螺母3-2螺接在一起，丝杆轴3-3的动力输出端连接在动力输出模块4上。

进一步的，所述动力输入轴3-1的左端端口作收口设计，动力输入轴3-1的右侧轴段作扩口设计；所述动力输入轴3-1右侧轴段的外环壁上，同轴布置有一个一体制成的外凸环3-1-1，所述套筒二1-3上的内凸环1-3-1与动力输入轴3-1上的外凸环3-1-1形成一个轴承座，所述动力输入轴3-1右端端部插在右端盖1-4的环形凸起1-4-1内，并与右端盖1-4上的环形凸起1-4-1形成一个轴承座；所述动力输入轴3-1左端的端部插在失电制动模块5内，并与失电制动模块5形成一个轴承座。

进一步的，所述丝杆轴3-3左端的端部安装有一个圆台形限位块3-3-1，圆台形限位块3-3-1的最小外径小于动力输入轴3-1左端端口口径，圆台形限位块3-3-1的最大外径大于动力输入轴3-1左端端口口径，所述圆台形限位块3-3-1的最大外径大于丝杠螺母3-2的内螺纹孔的孔径，通过圆台形限位块3-3-1的设计限制了丝杆轴3-3轴向直线移动过程中伸出的长度。

进一步的，所述的轴向定位组件3-4包括两个推力球轴承3-4-1、一个轴承锁紧螺母3-4-2和一个端口锁紧螺母3-4-3，所述的轴承锁紧螺母3-4-2螺接在电缸外壳1中套筒二1-3的右端端口上，并与动力输入轴3-1上的外凸环3-1-1形成一个轴承座；其中一个推力球轴承3-4-1套装在动力输入轴3-1上，并安装在内凸环1-3-1与外凸环3-1-1所形成的轴承座内，另一个推力球轴承3-4-1套装在动力输入轴3-1上并安装在外凸环3-1-1与轴承锁紧螺母3-4-2所形成的轴承座内，动力输入轴3-1在两个推力球轴承3-4-1的轴向限位下实现轴向定位；所述的端口锁紧螺母3-4-3套在丝杆轴3-3上，并螺接在动力输入轴3-1右端的端口内，端口锁紧螺母3-4-3的内端面抵接在丝杠螺母3-2上，丝杠螺母3-2在动力输入轴3-1内环壁上的轴肩和端口锁紧螺母3-4-3的轴向限位下实现轴向定位。

进一步的，每组径向定位组件3-5包括一个深沟球轴承3-5-1和一个弹簧垫圈3-5-2，两个深沟球轴承3-5-1和两个弹簧垫圈3-5-2分别套在动力输入轴3-1两端的端部，处于动力输入轴3-1右端的深沟球轴承3-5-1通过弹簧垫圈3-5-2固定在动力输入轴3-1与右端盖1-4上环形凸起1-4-1所形成的轴承座内；处于动力输入轴3-1左端的深沟球轴承3-5-1通过弹簧垫圈3-5-2固定在动力输入轴3-1与失电制动模块5所形成的轴承座内。

本实施例中，电机定子2-1上电，电机转子2-2在电机定子2-1的作用下转动，并带动动力输入轴3-1转动，由于动力输入轴3-1与丝杠螺母3-2采用键连接，故丝杠螺母3-2转动，丝杆轴3-3在动力输出模块4的径向约束下沿着动力输入轴3-1的中轴线方向进行直线运动，实现了直流无刷电机2的旋转扭矩到丝杆轴3-3直线运动的转化。

本实施例中，所述的动力输入轴3-1通过轴向定位组件3-4和两组径向定位组件3-5实现轴向定位和径向定位，所述的丝杠螺母3-2通过轴向定位组件3-4实现轴向定位，在动力输入轴3-1与丝杠螺母3-2的定位下，保证了丝杆轴3-3传递扭矩的精度，进而保证了人形机器人关节处运动的精度。

本实施例中，所述的动力输入轴3-1采用中空的设计形式，并将丝杠螺母3-2与丝杆轴3-3布置在动力输入轴3-1内，故缩小了直线驱动电缸的轴向尺寸，使得人形机器人关节的运动行程不会受到限制或者受到的限制较小。

参见图5，所述的动力输出模块4用于传递电缸传动模块3输出的动力；其包括输出连杆4-1、输出端盖4-2、N根导杆4-3和2N个石墨铜管4-4；所述的输出端盖4-2设置在右端盖1-4的外侧，并与右端盖1-4平行布置；所述输出连杆4-1的一端同轴连接在输出端盖4-2的外端面上，丝杆轴3-3的动力输出端同轴连接在输出端盖4-2的内端面上，丝杆轴3-3通过输出端盖4-2将动力传递给输出连杆4-1；N根所述的导杆4-3周向均匀布置，导杆4-3的一端固定连接在输出端盖4-2的内端面上，导杆4-3的另一端通过两个石墨铜管4-4分别插装在轴向对应设置的两个导向连接座1-2-1内，并可沿着导向连接座1-2-1的轴线方向进行直线运动，所述的石墨铜管4-4具有润滑作用，减少耗能。

进一步的，所述输出连杆4-1的另一端设置有一体制成的关节轴承二4-5，直线驱动电缸的动力输出端通过关节轴承铰连接在人形机器人上，增加关节处的自由度。

进一步的，所述输出端盖4-2的中心位置处开有螺纹通孔4-2-1，输出连杆4-1的一端开有外螺纹，丝杆轴3-3的输出端开有外螺纹，输出连杆4-1的螺纹端与丝杆轴3-3的螺纹端共同螺接在输出端盖4-2的螺纹通孔4-2-1内；输出端盖4-2与输出连杆4-1和丝杆轴3-3采用螺纹连接的方式，更加方便装配。

更进一步的，所述的输出连杆4-1上还螺接有一个六角螺母4-6，六角螺母4-6的一端端面抵接在输出端盖4-2上，六角螺母4-6的另一端端面抵接在输出连杆4-1的轴肩上，所述六角螺母4-6的设计用于保证关节轴承一1-1-2和关节轴承二4-5的端面平行。

进一步的，由于丝杆轴3-3与丝杠螺母3-2为螺纹连接，丝杠螺母3-2将旋转的扭矩通过丝杆轴3-3传递给与丝杆轴3-3连接的动力输出模块4，为了保证动力输出模块4为直线运动，所述的导杆4-3优选为4根，4根导杆的设计可以提高动力输出模块4整体的抗弯强度，防止输出端盖4-2与输出连杆4-1在丝杆轴3-3的作用下发生旋拧。而且4根导杆的设计使得直线驱动电缸整体结构强度更高，人形机器人的功能不会受到限制。

本实施例中，所述的丝杆轴3-3在丝杠螺母3-2的作用下作直线运动，并推动与其连接的输出端盖4-2沿着丝杆轴3-3的中轴线方向作直线运动，输出端盖4-2带动输出连杆4-1作直线运动。

参见图3，所述的失电制动模块5用于直线驱动电缸的快速制动；其包括均为环形的安装座5-1、失电制动转子5-2、失电制动定子5-3和间隙调整垫圈5-4，所述的安装座5-1通过螺钉固定安装在动力输入轴3-1的左端端面上，失电制动定子5-3、失电制动转子5-2和间隙调整垫圈5-4依次套在动力输入轴3-1的左侧轴段上，失电制动定子5-3通过螺钉固定安装在套筒二1-3的左端面上，所述的间隙调整垫圈5-4和失电制动转子5-2通过螺钉固定安装在安装座5-1的右端面上，失电制动转子5-2和失电制动定子5-3之间留有一定的间隙，所述的间隙值可以通过调整间隙调整垫圈5-4的厚度进行改变，保证了装配后的失电制动定子5-3和失电制动转子5-2之间距离的可调性。

本实施例中，所述的失电制动模块5为MK-K3系列永磁制动器，在不通电的情况下，失电制动定子5-3中的稀土磁铁产生一个永磁力，并对失电制动转子5-2产生吸合力实现制动，通电后，失电制动定子5-3中的电磁线圈产生一个反向的电磁力，并与衔铁上的片式复位弹簧共同抵消稀土磁铁产生的永磁力，失电制动转子5-2不再受到永磁力的制约，可以随着动力输入轴3-1一同转动。

本实施例中，直线驱动电缸在停止动力输出的过程中，由于丝杆轴3-3与丝杠螺母3-2不具备自锁能力，导致动力输入轴3-1的继续旋转，进而导致动力输出精度较低，所述的失电制动模块5在断电的情况下可以实现动力输入轴3-1的快速制动，进而实现了直线驱动电缸的快速制动，保证了直线驱动电缸的输出精度；另外，在待机状态下，失电制动定子5-3吸附失电制动转子5-2使其不发生转动，即完成了失电制动，这种制动方式有效降低了待机状态下的功耗。

参见图4和图6，所述的拉/压应力传感器6用于检测直线驱动电缸输出的力的大小以及直流无刷电机中转子的旋转角度；其包括定位套环6-1、拉/压力检测电路板6-2和四个应变片6-3，所述的定位套环6-1安装在电缸外壳1中左端盖1-1的内端面上，拉/压力检测电路板6-2安装在定位套环6-1上，四个所述的应变片6-3沿着左端盖1-1的径向方向对称粘贴在左端盖1-1的外端面上；四个所述的应变片6-3以惠斯通电桥的方式与拉/压力检测电路板6-2电连接。

本实施例中，所述的拉/压应力传感器6用于检测直线驱动电缸输出的力，并由输出电路板输出给驱控集成电路板10；当电缸外壳1中的左端盖1-1受到拉力或压力时，同一侧的两个应变片6-3产生的法向正应变大小相等、方向相反。当电缸外壳1中的左端盖1-1受到弯矩误差影响时，处于对称位置的应变片6-3产生的法向正应变大小相等、方向相反。

本实施例中，四个所述的应变片6-3以惠斯通电桥的方式与拉/压力检测电路板6-2电连接，消除了弯矩误差，并且提高了灵敏度。

参见图4，所述的电磁编码器7为旋转磁极，旋转磁极粘贴在失电制动模块5中安装座5-1背向失电制动转子5-2的一侧端面上，并与拉/压力检测电路板6-2之间留有一定的间隙，所述的间隙值通过定位套环6-1的厚度进行调整；所述的拉/压力检测电路板6-2上设置有与旋转磁极相配合的芯片，通过芯片可以确定旋转磁极的旋转角度。

本实施例中，由于旋转磁极固定在失电制动模块5中的安装座5-1上，安装座5-1与动力输入轴3-1连接，故旋转磁极在动力输入轴3-1的带动下做旋转运动，旋转磁极通过旋转的角度来检测直流无刷电机中转子的实时位置，并由拉/压力检测电路板6-2输出给驱控集成电路板10。

本实施例中，所述的失电制动模块5、拉/压应力传感器6和电磁编码器7采用集成式设计，减小了直线驱动电缸整体的体积。

参见图7和图8，所述的霍尔限位传感器8用于检测丝杆轴3-3或者动力输出模块4运动的极限位置，其包括磁缸8-1和两个检测芯片8-2，所述的磁缸8-1安装在动力输出模块4中导杆4-3的末端，两个所述的检测芯片8-2沿着导杆4-3的轴线方向安装在驱控集成电路板10上，并与驱控集成电路板10电连接，两个检测芯片8-2之间的距离为动力输出模块4的极限运动距离。

进一步的，由于电位计位移传感器9安装在霍尔限位传感器8的外壳上，而电位计位移传感器9为导体，为了保证电位计位移传感器9的正常使用，所述霍尔限位传感器8的外壳为绝缘体。

本实施例中，由于丝杆轴3-3的长度是一定的，丝杆轴3-3运动的起点位置与终点位置是固定的，故与其相连的动力输出模块4运动的起点位置与终点位置也是固定的，为了避免丝杆轴3-3与直线驱动电缸内的部件发生碰撞干涉，可以通过霍尔限位传感器8检测动力输出模块4是否运动到两侧的极限位置；具体的，动力输出模块4在丝杆轴3-3的驱动下作直线运动，动力输出模块4上的导杆4-3带动其上的磁缸8-1移动，磁缸8-1在与起点位置处的检测芯片8-2接触时，说明丝杆轴3-3已经运动到了起点的极限位置，磁缸8-1在与终点位置处的检测芯片8-2接触时，说明丝杆轴3-3已经运动到了终点的极限位置；磁缸8-1与检测芯片8-2接触并发出信号，检测芯片8-2将信号传递给驱控集成电路板10，驱控集成电路板10分别发出制动控制信号和下电信号，制动控制信号传递给失电制动模块5，失电制动模块5对直线驱动电缸进行快速制动，实现软限位的作用，下电信号传递给直流无刷电机2，停止动力输入轴3-1的转动和丝杆轴3-3的继续输出。

参见图7和图8，所述的电位计位移传感器9用于检测动力输出模块4的直线位移；其包括电刷9-1和电刷定位销9-2，电刷定位销9-2设置在电刷9-1上，所述的驱控集成电路板10上并排设置有两个碳道10-1，碳道10-1的延伸方向与动力输出模块4的运动方向相同，所述的电刷9-1安装在霍尔限位传感器8的外壳上，并朝向驱控集成电路板10设置，电刷9-1的两个刷体与驱控集成电路板10上的两个碳道10-1分别滑动连接。

本实施例中，当动力输出模块4在丝杆轴3-3的驱动下作直线运动时，动力输出模块4上的导杆4-3带动霍尔限位传感器8上的电位计位移传感器9移动，电位计位移传感器9上的电刷9-1在驱控集成电路板10中的碳道10-1作直线运动，电刷9-1将导杆4-3的位移信息传递给驱控集成电路板10。

以下对本发明的工作过程做进一步的说明，以进一步展示本发明的工作原理和优点：

所述的电机定子2-1上电，电机定子2-1带动电机转子2-2转动，电机转子2-2带动与其固定连接的动力输入轴3-1转动，动力输入轴3-1带动与其键连接的丝杠螺母3-2转动，由于丝杆轴3-3与丝杠螺母3-2螺纹连接，并且受到动力输出模块4的径向制约，所以丝杆轴3-3可以沿着电缸的中轴线方向进行直线运动，丝杆轴3-3伸出电缸外壳1，并推动输出端盖4-2以及输出连杆4-1作直线移动，输出端盖4-2带动导杆4-3沿着导向连接座1-2-1作直线移动，由于霍尔限位传感器8和电位计位移传感器9设置在导杆4-3的末端，当动力输出模块4运动到极限位置处时，霍尔限位传感器8中的磁缸8-1与驱控集成电路板10上的检测芯片8-2在接触的情况下产生信号，霍尔限位传感器8将信号传递给驱控集成电路板10，并通过驱控集成电路板10启动失电制动模块5的制动功能，实现电缸的快速制动。由于电刷9-1与驱控集成电路板10上的碳道10-1滑动连接，通过电刷9-1在碳道10-1上滑动的距离，可以确定丝杆轴3-3输出的位移，进而确定直线驱动电缸的驱动距离，当动力输出模块4已经达到预设输出距离时，电位计位移传感器9将信号传递给驱控集成电路板10，并通过驱控集成电路板10启动失电制动模块5的制动功能，实现电缸的快速制动；所述直线驱动电缸的驱动力大小可以通过拉/压应力传感器6测得，拉/压应力传感器将测得的数值传递给驱控集成电路板10。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (10)

1.一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：它包括电缸外壳(1)、直流无刷电机(2)、电缸传动模块(3)、动力输出模块(4)、失电制动模块(5)、拉/压应力传感器(6)、电磁编码器(7)、霍尔限位传感器(8)、电位计位移传感器(9)和驱控集成电路板(10)；所述的电缸传动模块(3)与直流无刷电机(2)由内至外依次设置在电缸外壳(1)内，并与电缸外壳(1)同轴布置；所述电缸传动模块(3)轴向的两端分别伸出直流无刷电机(2)两端的端部，并与电缸外壳(1)转动连接；所述的失电制动模块(5)、拉/压应力传感器(6)和电磁编码器(7)设置在电缸外壳(1)内，并布置在电缸传动模块(3)的一端，所述电缸传动模块(3)的一端与失电制动模块(5)的制动端连接，电缸传动模块(3)的另一端与动力输出模块(4)连接，并为动力输出模块(4)提供直线运动的动力；所述的动力输出模块(4)设置在电缸外壳(1)外的一端，并与电缸外壳(1)的外壁滑动连接；所述的驱控集成电路板(10)安装在电缸外壳(1)的外侧壁上，并与直流无刷电机(2)电连接；所述的拉/压应力传感器(6)与驱控集成电路板(10)电连接；所述的电位计位移传感器(9)和霍尔限位传感器(8)安装在动力输出模块(4)上，并分别与驱控集成电路板(10)连接；

所述的电缸传动模块(3)包括动力输入轴(3-1)、丝杠螺母(3-2)、丝杆轴(3-3)、轴向定位组件(3-4)和两组径向定位组件(3-5)；所述的动力输入轴(3-1)为中空的筒状结构，动力输入轴(3-1)左侧的轴段插装在电机转子(2-2)内，并与电机转子(2-2)固定连接，动力输入轴(3-1)右侧的轴段通过轴向定位组件(3-4)与电缸外壳(1)转动连接，动力输入轴(3-1)的两端分别通过一组径向定位组件(3-5)与失电制动模块(5)和电缸外壳(1)上右侧的端盖转动连接，动力输入轴(3-1)通过轴向定位组件(3-4)和径向定位组件(3-5)实现轴向定位和径向定位；所述的丝杠螺母(3-2)从动力输入轴(3-1)的一端端口插在动力输入轴(3-1)内，并与动力输入轴(3-1)采用键连接，以实现二者之间扭矩的传递；所述的丝杠螺母(3-2)通过动力输入轴(3-1)内环壁上的轴肩和轴向定位组件(3-4)实现轴向定位；所述的丝杆轴(3-3)同轴插在动力输入轴(3-1)内，并与丝杠螺母(3-2)螺接在一起，丝杆轴(3-3)的动力输出端连接在动力输出模块(4)上。

2.根据权利要求1所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述丝杆轴(3-3)左端的端部安装有一个圆台形限位块(3-3-1)，圆台形限位块(3-3-1)的最小外径小于动力输入轴(3-1)左端端口口径，圆台形限位块(3-3-1)的最大外径大于动力输入轴(3-1)左端端口口径，所述圆台形限位块(3-3-1)的最大外径大于丝杠螺母(3-2)的内螺纹孔的孔径。

3.根据权利要求1所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述的动力输出模块(4)包括输出连杆(4-1)、输出端盖(4-2)、N根导杆(4-3)和2N个石墨铜管(4-4)；所述的输出端盖(4-2)设置在电缸外壳(1)外，并与电缸外壳(1)右侧的端盖平行布置；所述输出连杆(4-1)的一端同轴连接在输出端盖(4-2)的外端面上，丝杆轴(3-3)的动力输出端同轴连接在输出端盖(4-2)的内端面上，丝杆轴(3-3)通过输出端盖(4-2)将动力传递给输出连杆(4-1)；N根所述的导杆(4-3)周向均匀布置，导杆(4-3)的一端固定连接在输出端盖(4-2)的内端面上，导杆(4-3)的另一端通过两个石墨铜管(4-4)分别插装在电缸外壳(1)上轴向对应设置的两个导向连接座(1-2-1)内，并沿着导向连接座(1-2-1)的轴线方向进行直线运动。

4.根据权利要求3所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述电缸外壳(1)上左侧端盖的外端面设置有同轴布置的电缸连接部(1-1-1)，电缸连接部(1-1-1)的端部设置有关节轴承一(1-1-2)，所述输出连杆(4-1)的另一端设置有关节轴承二(4-5)。

5.根据权利要求3所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述输出端盖(4-2)的中心位置处开有螺纹通孔(4-2-1)，输出连杆(4-1)与输出端盖(4-2)的连接端开有外螺纹，并螺接有一个六角螺母(4-6)；丝杆轴(3-3)的输出端开有外螺纹，输出连杆(4-1)的螺纹端与丝杆轴(3-3)的螺纹端共同螺接在输出端盖(4-2)的螺纹通孔(4-2-1)内；六角螺母(4-6)的一端端面抵接在输出端盖(4-2)上，六角螺母(4-6)的另一端端面抵接在输出连杆(4-1)的轴肩上。

6.根据权利要求1所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述的失电制动模块(5)包括均为环形的安装座(5-1)、失电制动转子(5-2)、失电制动定子(5-3)和间隙调整垫圈(5-4)，所述的安装座(5-1)固定安装在动力输入轴(3-1)的左端端面上，失电制动定子(5-3)、失电制动转子(5-2)和间隙调整垫圈(5-4)依次套在动力输入轴(3-1)的左侧轴段上，失电制动定子(5-3)固定安装在电缸外壳(1)的内部，所述的间隙调整垫圈(5-4)和失电制动转子(5-2)固定安装在安装座(5-1)的右端面上，失电制动转子(5-2)和失电制动定子(5-3)之间留有间隙。

7.根据权利要求6所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述的拉/压应力传感器(6)包括定位套环(6-1)、拉/压力检测电路板(6-2)和四个应变片(6-3)，所述的定位套环(6-1)安装在电缸外壳(1)上左侧端盖的内端面上，拉/压力检测电路板(6-2)安装在定位套环(6-1)上，四个所述的应变片(6-3)沿着电缸外壳(1)上左侧端盖的径向方向对称粘贴在左侧端盖的外端面上；四个所述的应变片(6-3)以惠斯通电桥的方式与拉/压力检测电路板(6-2)电连接。

8.根据权利要求7所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述的电磁编码器(7)为旋转磁极，旋转磁极粘贴在失电制动模块(5)中安装座(5-1)背向失电制动转子(5-2)的一侧端面上，并与拉/压力检测电路板(6-2)之间留有间隙；所述的拉/压力检测电路板(6-2)上设置有与旋转磁极相配合的芯片，通过芯片可以确定旋转磁极的旋转角度。

9.根据权利要求3所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述的霍尔限位传感器(8)包括磁缸(8-1)和两个检测芯片(8-2)，所述的磁缸(8-1)安装在动力输出模块(4)中导杆(4-3)的末端，两个所述的检测芯片(8-2)沿着导杆(4-3)的轴线方向安装在驱控集成电路板(10)上，并与驱控集成电路板(10)电连接。

10.根据权利要求9所述的一种集驱动、感知和控制的一体化直线驱动电缸，其特征在于：所述的电位计位移传感器(9)包括电刷(9-1)和电刷定位销(9-2)，电刷定位销(9-2)设置在电刷(9-1)上，所述的驱控集成电路板(10)上并排设置有两个碳道(10-1)，碳道(10-1)的延伸方向与动力输出模块(4)的运动方向相同，所述的电刷(9-1)安装在霍尔限位传感器(8)的外壳上，并朝向驱控集成电路板(10)设置，电刷(9-1)的两个刷体与驱控集成电路板(10)上的两个碳道(10-1)分别滑动连接。