CN209850926U - 绝对位置型多足机器人伺服舵机 - Google Patents

Abstract

一种绝对位置型多足机器人伺服舵机，包括电机、减速机，还包括霍尔阵列编码芯片、霍尔磁铁、角度传递杆、霍尔开关电路板，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，所述电机输出轴为中空结构，所述角度传递杆设于电机输出轴的中心轴线上，所述角度传递杆的前端延伸至减速机内并与减速机的输出端固定连接，所述霍尔磁铁固设于角度传递杆的后端，所述霍尔开关电路板设于电机后端盖上。本实用新型通过角度传递杆将最终输出角度传递至霍尔磁铁，由霍尔阵列编码芯片感应霍尔磁铁磁场变化从而直接获取关节绝对角度、减小舵机轴向长度、小型化、模块化、高精度。

Description

绝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，尤指一种绝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。关节型舵机，需要软件系统能实时获取关节的绝对精确角度，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。

第一种模式检测精确，但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。

第二种模式结构简单，但其通常采用机械零点限位配合额外限位电路部分，如磁零点判断或者光栅零点位判断进行原点归位，在掉电重新上电后必须朝一个方向找到绝对位置零点参考点后才能正常运行。即是说，系统掉电后重新上电时，电机输出轴会回机械原点，进行绝对位置零点搜寻动作。这种应用在足式机器人中是很不方便的，程序麻烦，会加大硬件结构成本也降低客户的体验，在一定场合绝对位置搜寻动作并不安全和精密。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提供一种通过角度传递杆将最终输出角度传递至霍尔磁铁，由霍尔阵列编码芯片感应霍尔磁铁磁场变化从而直接获取关节绝对角度、减小舵机轴向长度、小型化、模块化、高精度的绝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：一种绝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、角度传递杆、霍尔开关电路板，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，所述电机输出轴为中空结构，所述角度传递杆设于电机输出轴的中心轴线上，所述角度传递杆的后端与电机后端盖转动连接，所述角度传递杆的前端延伸至减速机内并与减速机的输出端固定连接，所述霍尔磁铁固设于角度传递杆的后端，所述霍尔开关电路板设于电机后端盖上，所述霍尔开关电路板上设有三个霍尔开关。

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，所述角度传递杆的前端与所述柔轮固定连接。

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，所述电机后端盖的中心通过旋转对中轴承连接有锁紧顶丝，所述角度传递杆的后端置于所述锁紧顶丝内，所述角度传递杆的前端套接有锁紧螺丝，且锁紧螺丝锁紧在柔轮压紧盖上。

具体地，所述电机后端盖上开设有一环状的滑槽，所述霍尔开关电路板滑动设于所述滑槽内。

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。

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，通过角度传递杆将输出端的角度传递至霍尔磁铁上，霍尔阵列编码芯片根据霍尔磁铁磁场的变化来获取关节的绝对角度信息，输出角度直接精确，省去了系统在掉电后重新上电时绝对位置零点的搜寻动作，提高了系统安全性和精确性。同时通过霍尔开关电路板获取三条时序信号驱动电机运动。本实用新型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是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是图2的B-B处剖面示意图；

图4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；132-滑槽；14-电机输出轴；121-定子；141-转子；142-转子轴承；15-角度传递杆；151-旋转对中轴承；152-锁紧顶丝；153-锁紧螺丝；16-霍尔开关电路板；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1-3，本实用新型关于一种绝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121、转子141，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141固设于电机输出轴14的周侧，所述定子121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、角度传递杆15、霍尔开关电路板16，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，所述电机输出轴14为中空结构，所述角度传递杆15设于电机输出轴14的中心轴线上，所述角度传递杆15的后端与电机后端盖13转动连接，所述角度传递杆15的前端延伸至减速机2内并与减速机2的输出端固定连接，所述霍尔磁铁18固设于角度传递杆15的后端，所述霍尔开关电路板16设于电机后端盖13上，所述霍尔开关电路板16上设有三个霍尔开关。

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，电机输出轴14外侧的转子141通过转子轴承142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142保证了转子141和定子121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，也可以输出关节(输出法兰盘31)的绝对角度信息。

具体原理如下：减速机2输出端输出的角度借助角度传递杆15由减速机2前端传递至角度传递杆15后端的霍尔磁铁18上，电机后端盖13上的霍尔阵列编码芯片17内的环形霍尔阵列经过该霍尔磁铁18产生的磁场，霍尔磁铁18南北极的转动，会由霍尔阵列编码芯片17解算出关节的绝对位置(角度)。将输出侧的角度信息转移到电机1侧，这样的好处是所有线路走线只需要在电机1单侧排布，使输出单元与下一级连接简单，便于模块化设计整机，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。而且相对于工作与实时计数模式，本设计省去了系统在掉电后重新上电时绝对位置零点的搜寻动作，提高了系统安全性和精确性。

另外，无刷电机1的正常旋转运动，需要检测转子141相对于定子121槽的位置，一种做法是在定子121槽上放置三个120度或者60度电角度的霍尔开关，当转子141的磁力线经过霍尔开关后，产生3条变化逻辑时序信号提供给电机1驱动板，以进行正常时序的产生，为了让电机1轴向尺寸尽量的短，本实施例采用内嵌式转子141位置检测结构，霍尔开关以120度或者60度电角度设置在霍尔开关电路板16上，当转子141永磁体经过霍尔开关的时候，在三个霍尔开关上输出三条时序信号给电机1驱动板。

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121绕组设计，转子141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，所述角度传递杆15的前端与所述柔轮24固定连接。

谐波减速机2的工作原理如下：转子轴承142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，柔轮24的输出角度经角度传递杆15从前端传递至后端。

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栓配合安装孔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。

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。

具体地，所述电机后端盖13的中心通过旋转对中轴承151连接有锁紧顶丝152，所述角度传递杆15的后端置于所述锁紧顶丝152内，所述角度传递杆15的前端套接有锁紧螺丝152，且锁紧螺丝152锁紧在柔轮压紧盖27上。

锁紧螺丝152和锁紧顶丝152将角度传递杆15固定，为保证传递杆在进行角度传递后与舵机机械同心度，并减少传递摩擦和抖动，采用了旋转对中轴承151连接锁紧顶丝152和电机后端盖13。

请参阅图4，具体地，通过法兰锁紧螺丝152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152孔，交叉滚子轴承26的内圈开设有固定孔261，法兰锁紧螺丝152依次插入锁紧螺丝152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152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法兰盘上的凸块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。

请参阅图1-2，具体地，所述电机后端盖13上开设有一环状的滑槽132，所述霍尔开关电路板16滑动设于所述滑槽132内。

为了微调电机1定子121槽和转子141之间霍尔开关信号的机械相位，特意在电机后端盖13上开一滑槽132，这样霍尔开关电路板16.就可以沿电机后端盖13的周向进行调节。让转子141和定子121之间的位置关系，进行最佳相位信号输出。

具体地，所述电机前端盖11、电机外壳12、电机后端盖13、减速机外壳21均为铝合金材质。

为降低电机1及减速机2的总质量,电机前端盖11、电机外壳12、电机后端盖13、减速机外壳21均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)

1.一种绝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、角度传递杆、霍尔开关电路板，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，所述电机输出轴为中空结构，所述角度传递杆设于电机输出轴的中心轴线上，所述角度传递杆的后端与电机后端盖转动连接，所述角度传递杆的前端延伸至减速机内并与减速机的输出端固定连接，所述霍尔磁铁固设于角度传递杆的后端，所述霍尔开关电路板设于电机后端盖上，所述霍尔开关电路板上设有三个霍尔开关。

2.根据权利要求1所述的绝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所述的绝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，所述角度传递杆的前端与所述柔轮固定连接。

4.根据权利要求3所述的绝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所述的绝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所述的绝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所述的绝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7所述的绝对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述电机后端盖的中心通过旋转对中轴承连接有锁紧顶丝，所述角度传递杆的后端置于所述锁紧顶丝内，所述角度传递杆的前端套接有锁紧螺丝，且锁紧螺丝锁紧在柔轮压紧盖上。

9.根据权利要求1所述的绝对位置型多足机器人伺服舵机，其特征在于：所述电机后端盖上开设有一环状的滑槽，所述霍尔开关电路板滑动设于所述滑槽内。

10.根据权利要求4所述的绝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。