CN212287705U

CN212287705U - 一体化关节

Info

Publication number: CN212287705U
Application number: CN201922421112.5U
Authority: CN
Inventors: 刘培超; 庄飞飞; 刘主福; 郎需林
Original assignee: Shenzhen Yuejiang Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Yuejiang Technology Co Ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2029-12-27

Abstract

本实用新型涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种一体化关节，其包括中央控制器以及分别与之电连接的霍尔传感器、增量编码器和绝对值编码器，增量编码器和绝对值编码器分别用于采集电机和减速机的位置信息。中央控制器采用电机的位置信息对减速机的位置信息以及电角度信息进行校正，得到校正后的位置信息和电角度信息，设置在电机输出轴端的增量编码器具有更高的分辨率，采用增量编码器测量的数据对减速机端的绝对值编码器测量的数据进行校准，得到高精度的位置信息，依据校正后的高精度位置信息生成控制信号发送给驱动器，驱动器根据该控制信号控制电机运行，实现一体化关节平稳、精确的控制。

Description

一体化关节

技术领域

本实用新型涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种一体化关节。

背景技术

一体化关节在机器人领域具有广泛的应用场景，因此怎样实现一体化关节的精确控制就显得尤为重要。现有一体化关节部分采用单个编码器，安装在电机端，上电时无法预知减速机输出端精准位置，实际上不是真正意义上的全闭环控制，控制不够精确。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是现有的一体化关节控制不够精确，本实施例提供以下技术方案。

一体化关节，包括电机、减速机、驱动器和制动装置，所述减速机和制动装置均安装在所述电机的输出轴上，所述驱动器与所述电机的控制端电连接；其特征在于，还包括霍尔传感器、第一位置传感器、第二位置传感器和中央控制器；

所述霍尔传感器设置在所述电机的电子上，用于测量电机的电角度信息；

所述第一位置传感器设置在所述电机的输出轴上，用于测量所述电机的位置信息；

所述第二位置传感器设置在所述减速机的输出轴上，用于测量所述减速机的位置信息；

所述中央控制器与所述驱动器连接，用于采用所述电机的位置信息对所述减速机的位置信息以及电角度信息进行校正，得到校正后的位置信息和电角度信息，并且依据所述校正后的位置信息和电角度信息生成控制信号发送给所述驱动器，所述驱动器用于根据所述控制信号控制所述电机运行。

在一种实施例中，还包括安装壳体，所述电机固定安装在所述安装壳体内，所述减速机套装在所述电机的输出轴的第一端上，所述制动装置套装在所述电机的输出轴的第二端上。

在一种实施例中，还包括端盖，所述端盖设置在所述电机的输出轴的第一端的端部，所述端盖的四周和所述安装壳体的第一端配合用于密封所述的安装壳体的第一端。

在一种实施例中，所述第一位置传感器为增量编码器，所述第二位置传感器为绝对值编码器，所述增量编码器设置在所述电机的输出轴的第二端上，所述绝对值编码器设置在所述减速机的输出轴上。

在一种实施例中，所述中央控制器为MCU。

依据上述实施例的一体化关节,增量编码器和绝对值编码器分别用于采集电机和减速机的位置信息，中央控制器采用电机的位置信息对减速机的位置信息以及电角度信息进行校正，得到校正后的位置信息和电角度信息，其中设置在电机输出轴端的增量编码器具有更高的分辨率，采用增量编码器测量的数据对减速机端的绝对值编码器测量的数据进行校准，得到高精度的位置信息，并且依据校正后的高精度位置信息生成控制信号发送给驱动器，驱动器根据该控制信号控制电机运行，实现一体化关节平稳、精确的控制。

附图说明

图1为本申请实施例的控制系统结构示意图；

图2为本申请实施例的控制方法流程图；

图3为本申请实施例的控制方法工作流程图；

图4为本申请实施例的一体化关节结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。

在本实用新型实施例中，基于霍尔传感器、增量编码器和绝对值编码器组成的一体化关节，采用增量编码器的高精度特性，获取增量编码器Z相信号(也叫过零信号)对应检测到的位置信号和电角度信息来实时的校正绝对值编码器记录的位置信息以及霍尔传感器记录的电角度信息，并采用校正后的位置信息和电角度信息实时更新存储模块中上一次记录的位置信息和电角度信息，中央控制器基于该校正后的位置信息和电角度信息对电机进行控制，实现了一体化关节高精度、平稳控制。

实施例一

本实施例提供一种一体化关节，如图4，其包括电机107、减速机106、驱动器和制动装置1010，减速机106和制动装置1010均安装在电机107的输出轴上，驱动器105与电机107的控制端电连接。

进一步的，该一体化关节还包括霍尔传感器101、第一位置传感器、第二位置传感器和中央控制器104。

其中，霍尔传感器101设置在电机107的电子上，用于测量电机107的电角度信息；第一位置传感器设置在电机107的输出轴上，用于测量电机107的位置信息；第二位置传感器设置在减速机106的输出轴上，用于测量减速机106的位置信息。

中央控制器104与驱动器105连接，用于采用电机107的位置信息对减速机106的位置信息以及电角度信息进行校正，得到校正后的位置信息和电角度信息，并且依据校正后的位置信息和电角度信息生成控制信号发送给驱动器105，驱动器105用于根据控制信号控制电机107运行。具体的校正方法和上述实施例中的相同，此处不再赘述。

进一步的，该一体化关节还包括安装壳体，电机107固定安装在安装壳体108内，谐波减速器套装在电机107的输出轴的第一端上，减速机106和制动装置套装在电机107的输出轴的第二端上。

其中，该一体化关节还包括端盖109，端盖109设置在电机107的输出轴的第一端的端部，端盖109的四周和安装壳体的第一端配合用于密封的该安装壳体108的第一端，例如端盖109可以通过螺纹或者螺栓与安装壳体108的端部连接，实现安装壳体108的密封。

其中，本实施例中第一位置传感器为增量编码器102，第二位置传感器为绝对值编码器103，增量编码器102设置在电机107的输出轴的第二端上，绝对值编码器103设置在减速机106的输出轴上，具体为减速机106的输出法兰上。

本实施例中的减速器106采用谐波减速器，减速器106的输出轴(图中未标出)与绝对值编码器103连接。

其中，本实施例的中央控制器104选用MCU(微控制单元)，该中央控制器104基于该系统的多种编码器测量的数据对电机的位置和电角度进行校准，实现了对一体化关节高精度、平稳控制。

实施例二：

本实施例提供一种一体化关节多传感器控制系统,一体化关节包括电机、与该电机107的输出轴连接的减速机106、与电机107和减速机106的控制端电连接的驱动器105。该多传感器控制系统包括中央控制器104以及分别与之电连接的霍尔传感器101、增量编码器102和绝对值编码器103。

其中，霍尔传感器101设置在电机107的电子上，用于测量电机的电角度信息。霍尔传感器101可以反馈电机107电角度位置，霍尔确定的电角度是粗略的电角度，过零信号确定的是特定的电角度。一般电机的过零信号都对应电机的电角度零位，检测到过零信号后，直接把霍尔传感器测量的电角度数值赋值为0。电机107电角度在0～360度变化时，霍尔传感器101测量的霍尔信号共输出6种组合信号，每种信号持续60度。因此，根据霍尔信号数值，可以大致推算电机电角度粗略位置。

具体工作时的流程，如图3，上电时，读取霍尔传感器101数值、增量编码器102的计数、增量编码器102的过零信号及单圈的绝对值编码器103数值。通过霍尔信号值，确定大致电角度。霍尔信号输出三相UVW，假设Hall(霍尔值)值计算为gHallValue(电角度)＝4*U+2*V+W；随着电角度从0～360度增加，霍尔值变化规律为1-3-2-6-5-4，根据此规律建立查表，计算大致电角度如下：

Hall	1	2	3	4	5	6
							电角度	0	120	60	300	240	180

由于每组霍尔值对应了60度的电角度，读取到霍尔值后取中间值作为电角度，例如读取到霍尔值对应的电角度为60度，则取30度作为电角度，因此电角度误差为正负30度，可以满足初始定位需求。记录该霍尔传感器101测量得到的电角度，取该电角度的中间值作为霍尔传感器101测量得到的电角度信息。

其中，增量编码器102设置在电机107的输出轴上，即设置在电机107的转子上，用于测量电机107的位置信息。增量编码器102用于电机107控制时，每次上电后记录的数据清零，主要用于速度环及电流环控制。增量编码器(也叫增量光编码器)自带的过零信号(即Z相信号)，可用于对电机107的电角度进行校准，同时可以实现对绝对位置细分的校准。一般电机的过零信号都对应电机的电角度零位，检测到过零信号后，直接把霍尔传感器测量的电角度数值赋值为0。

其中，绝对值编码器103设置在减速机106的输出轴上，用于测量减速机的位置信息。本实施例中采用单圈绝对值编码器106，用于输出端全闭环控制，保证整个控制流程的精确度。

运动过程中，位置控制使用电机107输出端设置的增量编码器102和减速机106输出端的绝对值编码器103。对于一体化关节，为保证足够的力矩输出，减速比一般为100左右。该种情况下，电机107输出端的增量编码器可以实现更高的分辨率，精度比减速机106输出端的单圈绝对值编码器103精度更高。

其中，中央控制器104与驱动器105连接，用于采用电机的位置信息对绝对值编码器106测量得到的减速机106的位置信息以及电角度信息进行校正，得到校正后的位置信息和电角度信息，并且依据校正后的位置信息和电角度信息生成控制信号发送给驱动器105，驱动器105用于根据控制信号控制电机107运行。该中央控制器104可以采用MCU(微控制单元)。

其中，增量编码器102测量得到的电机107的位置信息包括增量编码器102的Z相信号对应的电角度信息和位移信息，该位移信息具体表现为脉冲数。

其中，绝对值编码器103测量的减速机106的位置信息包括绝对值编码器103的位移信息。

其中，采用电机107的位置信息对减速机106的位置信息进行校正得到校正后的位置信息包括：

采用增量编码器的Z相信号对应的电角度信息对霍尔传感器101测量的电角度信息进行校正，得到校正后的电角度信息；采用Z相信号对应的位移信息对绝对值编码器103测量的位置信息进行校正，得到校正后的位置信息。

具体的，采用Z相信号对应的电角度信息对霍尔传感器测量的电角度信息进行校正，得到校正后的电角度信息包括：

获取增量编码器102的Z相信号对应的电角度值，将霍尔传感器测量的电角度值与Z相信号对应的电角度值相加作为校正后的电角度值。

采用增量编码器102的Z相信号对应的位移信息对绝对值编码器103测量的位置信息进行校正，得到校正后的位置信息包括：

当检测到增量编码器102的Z相信号时，获取当前时刻增量编码器102记录的位置信息，将绝对值编码器103初始时刻记录的位置信息与当前时刻增量编码器102记录的位置信息相加作为校正后的位置信息，并将该校正后的位置信息作为绝对值编码器当前的位置信息。例如，电机输出端的增量编码器为5000线增量编码器102，减速机106输出端为17位单圈绝对值编码器103。电机107输出端(即输出轴)每运动一圈，电机107端的增量编码器102会产生的脉冲数为5000*4*100个单位，即2000000个脉冲单位；电机107输出端的增量编码器102产生2^17个单位，即131072个脉冲单位。显然，使用电机端的增量编码器102进行位置控制，可以实现更高的控制精度。但是，由于电机端到减速机106的输出端经过了绝对值编码器103，电机107输出端经过了减速机106，减速机106本身是柔性结构，电机107输出端的位置和减速机106输出端的位置会有偏差，无法完全准确的反馈输出端精度，因此利用两个编码器数据进行数据融合数据融合就是把两个数据整合成一个数据，融合后的数据综合了两个编码器数据的特性，可以提高分辨率，更能反馈减速机106输出端位置。即采用上述方法对电机位置进行校正，以校正后的位置为基准进行电机107位置控制可以实现更高的控制精度。

利用增量编码器102过零信号进行位置校准。由于上电时，增量编码器102无脉冲计数，在和单圈绝对值编码器103数据融合时不起作用，位置精度单纯由单圈绝对值编码器精度决定。在该方法中，一体化关节出厂标定时确认光电编码器过零信号对应的双编码器融合数据，并存储到存储介质中，当检测到过零信号时，可以上次记录的位置基础上增加一个位置偏置，实现位置精度校准。在本方法中，采用扩展卡尔曼滤波实现两个编码器数据融合，融合后的数据作为位置控制。

其中，利用增量编码器102的过零信号(即Z相信号)进行电角度校准，增量编码器102过零信号对应的电角度是特定的，对应值可以提前辨识并存储到存储介质中，当检测到过零信号时，在上次记录的电角度的基础上增加一个电角度偏置，把电角度校准到特定值，完成对电角度的校准，实现更准确的电角度控制。

实施例三：

本实施例提供一体化关节控制方法，用于控制实施例1提供的一体化关节，该一体化关节包括电机107、与该电机107的输出轴连接的减速机106、与电机107和减速机106的控制端电连接的驱动器105。请参考图2，该控制方法包括：

步骤201：采用霍尔传感器101获取电机107的电角度信息；

步骤202：采用增量编码器102获取电机107的位置信息；

步骤203：采用绝对值编码器103获取减速机106的位置信息；

步骤204：采用电机107的位置信息对减速机的位置信息和电角度信息进行校正得到校正后的位置信息和电角度信息，并且依据校正后的位置信息和电角度信息生成控制信号给驱动器105，驱动器105用于根据控制信号控制电机运行。

其中，电机107的位置信息包括增量编码器102的Z相信号对应的电角度信息和位移信息；减速机106的位置信息包括绝对值编码器的位移信息。

其中，采用电机的位置信息对减速机的位置信息进行校正得到校正后的位置信息包括：

采用Z相信号对应的电角度信息对霍尔传感器测量的电角度信息进行校正，得到校正后的电角度信息；采用Z相信号对应的位移信息对绝对值编码器测量的位置信息进行校正，得到校正后的位置信息。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims

1.一体化关节，包括电机、减速机、驱动器和制动装置，所述减速机和制动装置均安装在所述电机的输出轴上，所述驱动器与所述电机的控制端电连接；其特征在于，还包括霍尔传感器、第一位置传感器、第二位置传感器和中央控制器；

所述中央控制器与所述驱动器电连接，用于采用所述电机的位置信息对所述减速机的位置信息以及电角度信息进行校正，得到校正后的位置信息和电角度信息，并且依据所述校正后的位置信息和电角度信息生成控制信号发送给所述驱动器，所述驱动器用于根据所述控制信号控制所述电机运行。

2.如权利要求1所述的一体化关节，其特征在于，还包括安装壳体，所述电机固定安装在所述安装壳体内，所述减速机套装在所述电机的输出轴的第一端上，所述制动装置套装在所述电机的输出轴的第二端上。

3.如权利要求2所述的一体化关节，其特征在于，还包括端盖，所述端盖设置在所述电机的输出轴的第一端的端部，所述端盖的四周和所述安装壳体的第一端配合用于密封所述的安装壳体的第一端。

4.如权利要求3所述的一体化关节，其特征在于，所述第一位置传感器为增量编码器，所述第二位置传感器为绝对值编码器，所述增量编码器设置在所述电机的输出轴的第二端上，所述绝对值编码器设置在所述减速机的输出轴上。

5.如权利要求1所述的一体化关节，其特征在于，所述中央控制器为MCU。