CN210189817U - 一种基于物联网芯片的伺服舵机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于物联网芯片的伺服舵机，伺服舵机包括舵机壳体、电机、齿轮减速箱、输出轴、舵盘和舵机控制板，舵机壳体由舵机上壳、舵机中壳和舵机下壳组成，电机、齿轮减速箱和舵机控制板均设置于舵机壳体内，所述电机的传动轴通过齿轮与齿轮减速箱的输入齿轮啮合连接，齿轮减速箱的输出齿轮与输出轴齿轮啮合连接，所述输出轴的末端连接所述舵盘，舵机控制板中集成有驱动电路、ESP芯片、串口电路、传感器扩展接口、电位器和总线端子。该驱动器通过使用ESP芯片，借助于ESP芯片实现物联网的接入以及对伺服驱动器的控制、状态反馈。

Description

一种基于物联网芯片的伺服舵机

技术领域

本实用新型涉及伺服舵机领域，特别是涉及一种具有接入物联网功能的伺服舵机。

背景技术

目前，机器人已从工业领域逐渐走入人们的生活，科研机器人、教育机器人、生活服务型机器人等层出不穷。同时物联网行业的逐渐兴起，智能驾驶、智慧城市等未来构想也对相关智能硬件提出了全新的要求。对于这些全新的应用场景，伺服舵机功能扩展也是重中之重。

目前，大多数普通舵机采用信号线与控制器相连，通过PWM方波信号或者总线信号进行控制。为了保证控制信号稳定，控制器与舵机之间的线缆不能太长，两者大多数情况下安装距离十分接近，大大限制了其使用场景。少数无线解决方案主要包括滑槽无线舵机，2.4G遥控，无线舵机控制板等。滑槽无线舵机只是通过电刷滑轨的方式替代了线缆，并没有真正解决上述的距离限制；2.4G遥控和无线舵机控制板相当于在控制端和舵机之间增加一个无线信号转发装置，舵机和转发装置还是两个分立的模块，而且两者之间仍需通过线缆连接，结构不够紧凑，而且使用的场景都比较单一。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于物联网芯片的可无线控制的伺服舵机及其应用方法。通过使用ESP芯片，借助于ESP芯片实现物联网的接入以及对伺服驱动器的控制和状态反馈。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种基于物联网芯片的伺服舵机，包括舵机壳体、电机、齿轮减速箱、输出轴、舵盘和舵机控制板，所述舵机壳体由舵机上壳、舵机中壳和舵机下壳组成，所述电机、齿轮减速箱和舵机控制板均设置于舵机壳体内，所述电机的传动轴通过与之配合的齿轮与齿轮减速箱的输入齿轮啮合连接，所述齿轮减速箱的输出齿轮与输出轴齿轮啮合连接，所述输出轴的末端连接所述舵盘，所述舵机控制板中集成有驱动电路、ESP芯片、串口电路、传感器扩展接口、电位器和总线端子；舵机控制板与电机、电位器电连接。

进一步的，所述舵机上壳上设有用于与总线端子对接的连接孔。

与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：

1.该伺服舵机可减少信号线，整体结构紧凑，扩展性强。

2.可拓展伺服舵机的应用场景，尤其是室内的物联网场景，比如智能家居。

3.集合了电机和舵机控制板，可成为智能家居的驱动部件，可以通过该伺服舵机实现开门、拉窗帘等操作；可通过wifi等连接方式接入物联网，应用于物联网产业。

4.由于伺服舵机以ESP芯片作为主控芯片，能够接入物联网或wifi局域网，使得用户端与伺服舵机不受距离限制，操控效率更高，便利性更强，安全性更高，特别适用于远程控制。

5.该伺服舵机带有外接扩展总线端子，既可以用来外部接入电源，同时也可以连接传感器，并将这些传感器也一并接入了物联网，感知更灵敏，自动化和智能化程度大大提高。

6.该伺服舵机内部的自定义功能可以满足用户一次在线设置，之后脱机离线运行，保证在特殊情况下即使wifi网络短时间中断整个装置仍能有效工作，提高整个系统的可靠性和鲁棒性。

附图说明

图1是所述伺服舵机的整体结构示意图。

图2是所述伺服舵机的外部结构示意图。

图3、图4是所述伺服舵机内部结构示意图。

图5是所述伺服舵机的应用环境整体框架示意图。

图6是所述伺服舵机的电气连接原理示意图。

图7a至图7f分别是舵机控制板内的ESP32芯片、稳压电路、硬件通信、电机驱动、电流检测、角度检测方案图。

附图标记：1-舵机中壳，2-舵机下壳，3-齿轮减速箱，4-输出轴，5-舵盘，6-舵机控制板，7-电位器，8-ESP32芯片，9-总线端子，10-电机，11-舵机上壳

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1至图4所示，一种基于物联网芯片的伺服舵机，包括舵机壳体、电机10、齿轮减速箱3、输出轴4、舵盘5和舵机控制板6，舵机壳体由舵机上壳11、舵机中壳1和舵机下壳2组成，电机10、齿轮减速箱3和舵机控制板6均设置于舵机壳体内，电机10传动轴通过齿轮与齿轮减速箱3的输入齿轮啮合连接，齿轮减速箱3的输出齿轮与输出轴4齿轮啮合连接，输出轴4的末端连接舵盘5，舵机控制板6中集成有驱动电路、ESP32芯片8、串口电路、传感器扩展接口、电位器7和总线端子9；舵机上壳11上设有用于与总线端子9对接的连接孔。图6是所述伺服舵机的电气连接原理示意图，清楚、简要、直观的展示了伺服舵机的工作原理。舵机控制板6与电机10、电位器7电连接，通过电位器，舵机控制板能够知道当前输出轴的当前角度位置，舵机控制板可以控制电机转动，电机转动会通过齿轮箱带动输出轴转动，最终改变输出轴角度位置，实现整个闭环控制

如图5所示，展示了本实用新型伺服舵机的应用架构实例，具体如下：通过借助于ESP32芯片实现物联网的接入以及对伺服舵机的控制、状态反馈。通过手机一键配网，给伺服舵机配置wifi并连接网络，通过mqtt协议建立伺服舵机与云服务器的通信。用户端可以通过mqtt洗衣访问云服务器控制伺服舵机并获取相关数据信息。在同一个局域网下，用户端也可以通过tcp协议直接与伺服舵机通信。此外伺服舵机配备传感器扩展接口，可以挂载不同的总线传感器模块并通过总线舵机将传感器测量数据接入物联网，提高扩宽其应用场景。同时伺服舵机内部具有一部分自定义程序区，供用户自定义(读取传感器、舵机信息，控制舵机等)，并可保持离线运行。本实施例中的芯片ESP32也可用其他物联网芯片替换，例如ESP8266等。

具有外接电源、内置电池(无线或有线充电)多种实施方式。如果外接电源，可直接通过总线端子9外接电源；如果内置电池，可以在内部放置一个电池，根据内部增加什么装置，自由选择充电方式；

如7a至图7f分别是伺服舵机内的舵机控制板的硬件方案图，本实施例中采用ESP32系列单片机为最小系统核心，兼备了无线wifi组网、串口总线通信、模拟信号采集、数字信号采集及控制信号输出等多种功能，原理图见图7a，

关于其外围电路，ESP32系列芯片采用40MHz无源晶振产生时钟基准信号。其复位引脚CHIP_PU在高电平状态下芯片使能工作，输入端配合适当电路产生延时效果，使得CHIP_PU的高电平信号晚于电源VDDA产生。

关于其IO分配；根据设计需求，电压采集、电流采集、电位器件角度采集等均为模拟信号输入，因而将其分配在芯片支持ADC功能的特定IO口。PWM控制信号则为数字信号输出，管脚分配考虑电路布线优化分配。

稳压电路方案见图7b，硬件电路采用ASM1117-3.3电源稳压芯片供电。支持宽电压(4.8～10.3V)输入，典型输出电流1.5A，支持-20℃～125℃环境下工作。

硬件通信方案见图7c，控制信号采用串口总线控制方式，最小系统核心板集成了SN74LVC2G126串口总线芯片，配合串口通信协议，实现单线控制的同时又保证了舵机参数实时回传反馈的功能。

电机驱动方案见图7d，本伺服舵机主要控制对象为普通永磁电机，所以在电机驱动部分采用N+P混合驱动电路。驱动MOS采用SUF2001典型N+P双通道驱动MOS，最大直流工作电流5.3A以上，瞬时电流高达21A。

传感器及传感接口方案见图7e和图7f，其中电压检测采用简单串联分压电路，产生模拟信号输入最小系统，并通过ESP32芯片ADC功能进行采集。

电流检测采用MAX471电流检测芯片，通过模拟信号输入ESP32芯片，实时检测硬件电路输入电流，为过载保护等高级功能提供硬件基础。

角度检测采用精密电位器进行模拟量输出，并通过ESP32芯片ADC功能转变为数字信号，利用PID控制算法实现舵机角度控制、速度控制等功能。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本实用新型的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于物联网芯片的伺服舵机，其特征在于，包括舵机壳体、电机、齿轮减速箱、输出轴、舵盘和舵机控制板，所述舵机壳体由舵机上壳、舵机中壳和舵机下壳组成，所述电机、齿轮减速箱和舵机控制板均设置于舵机壳体内，所述电机的传动轴通过与之配合的齿轮与齿轮减速箱的输入齿轮啮合连接，所述齿轮减速箱的输出齿轮与输出轴齿轮啮合连接，所述输出轴的末端连接所述舵盘，所述舵机控制板中集成有驱动电路、ESP芯片、串口电路、传感器扩展接口、电位器和总线端子；舵机控制板与电机、电位器电连接。

2.根据权利要求1所述一种基于物联网芯片的伺服舵机，其特征在于，所述舵机上壳上设有用于与所述总线端子对接的连接孔。

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