CN209682194U - 相对位置型多足机器人伺服舵机 - Google Patents

Abstract

一种相对位置型多足机器人伺服舵机，包括电机、减速机，所述电机包括电机前端盖、电机外壳、电机后端盖、电机输出轴、定子、转子，所述减速机固设于电机前端盖上，所述电机输出轴设于电机外壳的中心轴线上并分别与电机前端盖和电机后端盖转动连接，所述电机输出轴的前端延伸至减速机内并与减速机的输入端连接，还包括霍尔阵列编码芯片、霍尔磁铁，所述霍尔阵列编码芯片固设于电机后端盖中心，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述霍尔磁铁固设于电机输出轴的后端。本实用新型通过霍尔阵列编码芯片和霍尔磁铁记录转子相对定子位置信息从而解析出关节绝对位置信息、减小舵机轴向长度、小型化、模块化、高精度。

Description

相对位置型多足机器人伺服舵机

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤指一种相对位置型多足机器人伺服舵机。

背景技术

目前大型20公斤以上多足机器人舵机多采用BLDC 120度霍尔电机加行星减速机结构方案。对于所有的足式关节运动机器人来说，其关节型舵机中，关节绝对位置(角度)的获取是必须的，系统需要在上电后实时获取舵机的精确绝对位置，以进行控制。一般有绝对位置编码，以及工作与实时计数模式两种工作方法。第一种模式是在关节最终输出位置放置编码器，对输出端的转动角度直接进行测量。第二种模式是在电机转子端放置周期位置检测元件，对电机旋转机械角度进行累计测量，以转换成对应关节位置的角度信息。

第一种模式的编码盘多为1000线以上，1000线对应360度，可以很精细的控制电机的动作。但其会明显加大舵机的轴向长度，增加舵机体积，不利于关节活动。使得机械臂结构因过大的体积和重量限制，不能小型化，而且使用编码器需在舵机的前后两端布线，使得机械臂动力单元基本与机械本体组合，不适用于移动机器人动力组件的模块化需求和可替换性。

对于第二种模式来说，伺服电机在正常运转中需要知道转子相对于定子直接的机械角度，一般可采用3霍尔器件检测。其中，3霍尔器件将一个电气周期分成6等分，3个霍尔开关可以描述出转子相对与定子线圈的绝对位置，同时加入相应的相位电压到线圈上，让电机正确的运动，此为3霍尔电机方案。可见一个电气周期和机械角度仅被分为6等分i，每份为30度。虽然能正确工作，但是不够精细，只能满足中低端需求。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种通过霍尔阵列编码芯片和霍尔磁铁记录转子相对定子位置信息从而解析出关节绝对位置信息、减小舵机轴向长度、小型化、模块化、高精度的相对位置型多足机器人伺服舵机。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种相对位置型多足机器人伺服舵机，包括电机、减速机，所述电机包括电机前端盖、电机外壳、电机后端盖、电机输出轴、定子、转子，所述电机前端盖和电机后端盖分别盖设于电机外壳的前后两端，所述减速机固设于电机前端盖上，所述电机输出轴设于电机外壳的中心轴线上并分别与电机前端盖和电机后端盖转动连接，所述电机输出轴的前端延伸至减速机内并与减速机的输入端连接，所述转子固设于电机输出轴的周侧，所述定子固设于电机外壳的内壁，还包括霍尔阵列编码芯片、霍尔磁铁，所述霍尔阵列编码芯片固设于电机后端盖中心，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述霍尔磁铁固设于电机输出轴的后端。

具体地，所述电机为正弦波无刷伺服电机，所述减速机为谐波减速机。

具体地，所述减速机包括减速机外壳、柔性轴承、波发生器、柔轮、钢轮，所述减速机外壳与电机前端盖固定连接，所述波发生器套于电机输出轴表面，所述柔轮通过柔性轴承套于波发生器表面，所述钢轮固设于减速机外壳上，且所述柔轮与所述钢轮啮合。

具体地，所述柔轮通过交叉滚子轴承连接有输出法兰盘。

具体地，所述电机前端盖和钢轮之间设有同心连接环，通过第一预紧螺丝依次贯穿所述电机后端盖、电机外壳、电机前端盖、同心连接环、钢轮、减速机外壳，所述电机与减速机固定连接。

具体地，所述电机前端盖、同心连接环、钢轮依次插入有销钉。

具体地，所述柔轮的内孔设有柔轮压紧盖，所述交叉滚子轴承的外圈固设于减速机外壳的内壁，通过输出压紧螺丝依次穿过柔轮压紧盖、交叉滚子轴承的内圈，所述柔轮与所述交叉滚子轴承的内圈固定连接。

具体地，通过法兰锁紧螺丝依次穿过输出法兰盘、交叉滚子轴承的内圈，所述输出法兰盘与交叉滚子轴承的内圈固定连接，且所述输出法兰盘、交叉滚子轴承内圈依次插入有销钉。

具体地，所述输出法兰盘的内表面设有凸块，所述减速机外壳的端部设有环形的限位槽，且所述凸块置于所述限位槽内。

具体地，所述电机前端盖、电机外壳、电机后端盖、减速机外壳均为铝合金材质。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型采用内置扁平式的霍尔阵列编码芯片和霍尔磁铁，霍尔磁铁跟随电机输出轴作旋转运动，这样霍尔阵列编码芯片内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁产生的磁场，霍尔阵列编码芯片会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子相对于霍尔阵列编码芯片的机械位置，通过上述机械结构加软件算法配合来获取转子相对定子的角度，并解析出关节的绝对角度信息，该输出角度精确。通过该紧凑型结构设计，显著减短了舵机的轴端尺寸，可以减小舵机的体积和重量，并且无需在输出端布线，使得机械臂动力单元可以与机械本体拆分，便于机械臂的小型化和模块化，提高替换性。

附图说明

图1是本实用新型的俯视图；

图2是图1的A-A处剖面示意图；

图3是本实用新型的输出法兰盖与减速机连接示意图。

附图标号说明：1-电机；2-减速机；11-电机前端盖；12-电机外壳；13-电机后端盖；131-出线孔；14-电机输出轴；15-定子；16-转子；161-转子轴承；17-霍尔阵列编码芯片；18-霍尔磁铁；191-同心连接环；192-第一预紧螺丝；193-第二预紧螺丝；21-减速机外壳；22-柔性轴承；23-波发生器；24-柔轮；241-齿圈；25-钢轮；26-交叉滚子轴承；261-固定孔；27-柔轮压紧盖；28-输出压紧螺丝；29-限位槽；31-输出法兰盘；32-凸块；33-安装孔；34-法兰锁紧螺丝孔；35-止动销钉孔。

具体实施方式

请参阅图1-2，本实用新型关于一种相对位置型多足机器人伺服舵机，包括电机1、减速机2，所述电机1包括电机前端盖11、电机外壳12、电机后端盖13、电机输出轴14、定子15、转子16，所述电机前端盖11和电机后端盖13分别盖设于电机外壳12的前后两端，所述减速机2固设于电机前端盖11上，所述电机输出轴14设于电机外壳12的中心轴线上并分别与电机前端盖11和电机后端盖13转动连接，所述电机输出轴14的前端延伸至减速机2内并与减速机2的输入端连接，所述转子16固设于电机输出轴14的周侧，所述定子15固设于电机外壳12的内壁，还包括霍尔阵列编码芯片17、霍尔磁铁18，所述霍尔阵列编码芯片17固设于电机后端盖13中心，所述霍尔阵列编码芯片17上设有环形分布的霍尔阵列，所述霍尔磁铁18固设于电机输出轴14的后端。

本实施例中，霍尔阵列编码芯片17通过锁紧盖固定在电机后端盖13的内面中心，电机后端盖13上开设有出线孔131，电机输出轴14外侧的转子16通过转子轴承161与电机前端盖11和电机后端盖13实现转动连接，前后的转子轴承161保证了转子16和定子15之间的均匀稳定磁场空间。霍尔阵列编码芯片17和霍尔磁体压缩在5-8毫米内。

本实用新型采用内置式的霍尔阵列编码芯片17及霍尔磁铁18，既可输出3霍尔开关信号，也可以输出转子16相对定子15的角度(A，B，Z编码器信号)，以及关节(输出法兰盘31)的绝对角度信息。

具体原理如下：霍尔阵列编码芯片17固定在电机后端盖13上为静止器件，电机1的转子16为相对运动器件，在电机输出轴14靠近电机后端盖13的一端安装一圆柱形的霍尔磁铁18，该霍尔磁铁18跟随电机输出轴14作旋转运动，这样霍尔阵列编码芯片17内的环形霍尔阵列就会经过该霍尔磁铁18产生的磁场，霍尔阵列编码芯片17会根据霍尔阵列的感应信号计算出转子16相对于霍尔阵列编码芯片17的机械位置(角度)，同时输出3霍尔开关信号。因为电机1的定子15通过电机外壳12与电机后端盖13连接在一起，可视为一体，因此在转子16转动的一个圆周内，转子16相对于定子15位置的机械角度可以经霍尔阵列编码芯片17随时准确读出。

但是，由于减速机2的减速作用，此角度并非为关节的最终角度，仅能代表电机1转子16相对于定子15的角度，而在关节运转的0-180度内，电机输出轴14需要旋转N圈(N＞1，与减速比相关)。因此霍尔阵列编码芯片17必须记录到电机输出轴14转动的圈数，然后加上电机1转子16相对于定子15的绝对角度，便能换算出准确的关节的机械角度位置信息。

由于关节绝对位置信息是由转子16和定子15的位置信息换算出来的，而转子16相对定子15是周期运动，在记录转子16相对定子15的位置的初始，需要确定一个零点。因此，霍尔阵列编码芯片17记录关节的机械角度位置的过程如下：在系统上电后，若关节绝对位置丢失，先让电机输出轴14以低速小力矩朝机械极限方向运动，当到达极限后，电机1被堵转。此时的位置为理论上关节的零点机械位置。但若以此机械位置为参考零点并不精确，因为机械位置会因为机械形变的不确定性引入误差。

本实施例中，当电机输出轴14碰触到机械极限位置后，读取霍尔阵列编码芯片17绝对位置，然后将电机1朝反方向运动几步，离开机械限制位置一点，旋转到一个指定的霍尔读数，此读数规定为电机1转子16定子15的起始绝对零相位。然后霍尔阵列编码芯片17可以根据霍尔阵列的感应信号随时得知电机输出轴14旋转的圈数，该圈数加上和转子16与定子15的绝对位置就可以准确获取关节的准确位置(角度)。通过上述零点的确定方法，保证了本实用新型中霍尔阵列编码芯片17输出关节位置信息的精确性。

具体地，所述电机1为正弦波无刷伺服电机1，所述减速机2为谐波减速机2。

传统的多足机器人多是采用BLDC 120度霍尔电机1加行星减速机2结构方案，该方案存在电机1单步误差大，行星减速机2精度差的问题。普通的低速电机1为获得足够的力矩，必然要使用较大的驱动电流，系统发热严重。不同于普通设计的低速电机1，本设计采用高速大扭矩电机1加大减速比方案，使关节部分无效能量损耗降至最低，无需考虑散热问题。高速电机1配合大减速比谐波减速，使系统在静态站立模式下也能经过很小能量损耗获得足够保持力矩，无需刹车装置。

本舵机模组采用无刷斜槽正弦波电机1加谐波减速机2方案，电机1部分采用分数斜槽定子15绕组设计，转子16部分采用耐高温强磁永磁体设计，有效减少槽间抖动，提升精度，用在四足机器人上，在静态站立模式，所需锁定电流小，动力模组不发烫。

具体地，所述减速机2包括减速机外壳21、柔性轴承22、波发生器23、柔轮24、钢轮25，所述减速机外壳21与电机前端盖11固定连接，所述波发生器23套于电机输出轴14表面，所述柔轮24通过柔性轴承22套于波发生器23表面，所述钢轮25固设于减速机外壳21上，且所述柔轮24与所述钢轮25啮合。

谐波减速机2的工作原理如下：转子轴承161将电机1高速旋转力矩传递到波发生器23上，波发生器23周期圆周椭圆形变，引起柔性轴承22在径向上周期椭圆形变，此形变最终传递到柔轮24的齿圈241上。柔轮24齿圈241在波发生器23的作用下，发生周期形变，并和钢轮25连续啮合。在电机1旋转一周时，柔轮24会产生一个周期的形变，而柔轮24和钢轮25的连续啮合后，柔轮24和钢轮25相对径向运动一个齿差，达到减速作用，最终，经过减速后的力矩由柔轮24输出。

具体地，所述柔轮24通过交叉滚子轴承26连接有输出法兰盘31。

因为柔轮24是脆弱器件，抗轴向冲击力比较差，因此为了隔离柔轮24端和负载端之间的不利冲击，交叉滚子轴承26的使用是必要的。输出法兰盘31上设有两排安装孔33，下一级的部件可以通过螺丝配合安装孔33安装在输出法兰盘31上，柔轮24输出的力矩经过输出法兰盘31输出到下一级部件。

具体地，所述电机前端盖11和钢轮25之间设有同心连接环191，通过第一预紧螺丝192依次贯穿所述电机后端盖13、电机外壳12、电机前端盖11、同心连接环191、钢轮25、减速机外壳21，所述电机1与减速机2固定连接。

因为电机1部分与减速机2部分为模块化独立单元，为保证两个独立单元组合所需要的精确位置关系，如同心度的要去，特别设计了同心连接环191(连接钢圈)，同时满足电机1与减速机2之间的连接定位和以及对同心度的要求，电机1与减速机2之间的轴向力锁紧通过第一预紧螺丝192实现。

对于电机1自身部分，通过第二预紧螺丝193依次贯穿所述电机后端盖13、电机外壳12、电机前端盖11，实现电机前端盖11和电机后端盖13之间的轴向力锁紧。

具体地，所述电机前端盖11、同心连接环191、钢轮25依次插入有销钉。

电机1和减速机2靠第一预紧螺丝192实现轴向力锁紧，电机1和减速机2单元会在负载受力的时候，产生径向扭矩，若径向扭力过大，会造成电机1与减速机2产生径向偏转，从而影响了最终位置输出的精度，因此本设计在电机前端盖11、同心连接环191、钢轮25的连接位置内部，采用销钉结构进行贯穿，以此确保即使负载过大的情况，也不会出现电机1和减速机2部分产生位置偏移，影响精度的问题，从而保证了本舵机的高精度。

具体地，所述柔轮24的内孔设有柔轮压紧盖27，所述交叉滚子轴承26的外圈通过螺丝固设于减速机外壳21的内壁，通过输出压紧螺丝28依次穿过柔轮压紧盖27、交叉滚子轴承26的内圈，所述柔轮24与所述交叉滚子轴承26的内圈固定连接。

输出压紧螺丝28和柔轮压紧盖27将柔轮24与交叉滚子轴承26的内圈预紧结合，最终经过输出法兰盘31，将本单元力矩输出到下一级。柔轮压紧盖27的下端插入交叉滚子轴承26的内孔，柔轮压紧盖27扩大了压紧面积并保证了交叉滚子轴承26的对中度。

具体地，所述柔轮压紧盖27与所述交叉滚子轴承26的内圈依次插入有销钉。

在负载或者力矩传动时，若力矩过大，柔轮24与交叉滚子轴承26内圈之间会产生径向滑动，影响系统的精度。因此将销钉依次插入柔轮压紧盖27与所述交叉滚子轴承26的内圈，减小轮压紧盖与交叉滚子轴承26的内圈的相对滑动，保证系统的精度。

请参阅图3，具体地，通过法兰锁紧螺丝依次穿过输出法兰盘31、交叉滚子轴承26的内圈，所述输出法兰盘31与交叉滚子轴承26的内圈固定连接。

输出法兰盘31起连接减速机2输出和下一级的中间件作用。输出法兰盘31上开设有锁紧螺丝孔，交叉滚子轴承26的内圈开设有固定孔261，法兰锁紧螺丝依次插入锁紧螺丝孔和固定孔261，将输出法兰盘31与交叉滚子轴承26的内圈固定连接。法兰锁紧螺丝主要起轴向预紧作用。

具体地，所述输出法兰盘31、交叉滚子轴承26内圈的中心依次插入有销钉。

在负载或者力矩传动时，若力矩过大，输出法兰盘31仅靠轴向预紧力及与减速机2交叉滚子轴承26之间产生的摩擦力，不足以保证相对位置不变，力矩过大后，会产生径向相对运动，这样减速机2到下一级会产生因为径向滑动所造成的背隙，严重影响系统的精度。因此本设计在输出法兰盘31的中心和交叉滚子轴承26内圈的中心均开设有止动销钉孔35，将止动销钉依次插入输出法兰盘31的和交叉滚子轴承26内圈的止动销钉孔35，解决上述的问题。

具体地，所述输出法兰盘31的内表面设有凸块32，所述减速机外壳21的端部设有环形的限位槽29，且所述凸块32置于所述限位槽29内。

本伺服舵机用在关节型足式机器人上的情况，多数关节非360旋转型，而在0-180度。否则关节运动超出范围后，会造成机体或壳体损伤，内置线缆绞断。因此机械上的限位在关节型产品上的安全设计是必须的。机械位置的限制结构主要由输出法兰盘31上的凸块32，在减速机外壳21上的限位槽29内滑动，从而限制了安全运动的极限位置。且该限位结构为内置形式，额外组件少，结构简洁。

具体地，所述电机前端盖11、电机外壳12、电机后端盖13均为铝合金材质。

为降低电机1的总质量,电机前端盖11、电机外壳12、电机后端盖13均采用高强度牌号铝合金。

具体地，所述减速机外壳21为铝合金材质。

为降低减速机2的总质量,减速机外壳21采用高强度牌号铝合金。

以上实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种相对位置型多足机器人伺服舵机，包括电机、减速机，所述电机包括电机前端盖、电机外壳、电机后端盖、电机输出轴、定子、转子，所述电机前端盖和电机后端盖分别盖设于电机外壳的前后两端，所述减速机固设于电机前端盖上，所述电机输出轴设于电机外壳的中心轴线上并分别与电机前端盖和电机后端盖转动连接，所述电机输出轴的前端延伸至减速机内并与减速机的输入端连接，所述转子固设于电机输出轴的周侧，所述定子固设于电机外壳的内壁，其特征在于：还包括霍尔阵列编码芯片、霍尔磁铁，所述霍尔阵列编码芯片固设于电机后端盖中心，所述霍尔阵列编码芯片上设有环形分布的霍尔阵列，所述霍尔磁铁固设于电机输出轴的后端。

2.根据权利要求1所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述电机为正弦波无刷伺服电机，所述减速机为谐波减速机。

3.根据权利要求2所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述减速机包括减速机外壳、柔性轴承、波发生器、柔轮、钢轮，所述减速机外壳与电机前端盖固定连接，所述波发生器套于电机输出轴表面，所述柔轮通过柔性轴承套于波发生器表面，所述钢轮固设于减速机外壳上，且所述柔轮与所述钢轮啮合。

4.根据权利要求3所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述柔轮通过交叉滚子轴承连接有输出法兰盘。

5.根据权利要求3所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述电机前端盖和钢轮之间设有同心连接环，通过第一预紧螺丝依次贯穿所述电机后端盖、电机外壳、电机前端盖、同心连接环、钢轮、减速机外壳，所述电机与减速机固定连接。

6.根据权利要求5所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述电机前端盖、同心连接环、钢轮依次插入有销钉。

7.根据权利要求4所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述柔轮的内孔设有柔轮压紧盖，所述交叉滚子轴承的外圈固设于减速机外壳的内壁，通过输出压紧螺丝依次穿过柔轮压紧盖、交叉滚子轴承的内圈，所述柔轮与所述交叉滚子轴承的内圈固定连接。

8.根据权利要求4所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：通过法兰锁紧螺丝依次穿过输出法兰盘、交叉滚子轴承的内圈，所述输出法兰盘与交叉滚子轴承的内圈固定连接，且所述输出法兰盘、交叉滚子轴承内圈依次插入有销钉。

9.根据权利要求4所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述输出法兰盘的内表面设有凸块，所述减速机外壳的端部设有环形的限位槽，且所述凸块置于所述限位槽内。

10.根据权利要求3所述的相对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述电机前端盖、电机外壳、电机后端盖、减速机外壳均为铝合金材质。