CN218733683U - 一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置。基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，包括：步进电机驱动器、直流电源、安装板、步进电机、机械控制装置和旋转编码器，所述步进电机与所述旋转编码器均安装在所述安装板上，旋转编码器转动能够产生脉冲，使步进电机驱动器驱动步进电机启动，直流电源向步进电机驱动器以及旋转编码器供电，所述机械控制装置包括操作组件和编码器转轮，所述步进电机上设置有步进电机转轴。本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置在现有技术和硬件基础上，增加了机械控制结构，以解决存在自锁和起停力矩大灵活调节脉冲细分比问题。

Description

一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置。

背景技术

现有步进、伺服电机控制系统由脉冲产生装置(如PLC、单片机控制板、旋转编码器、手摇脉冲发生器、其他一些可调脉冲发生电路)、电机驱动线路板、编码器电机、电源四部分组成。技术原理主要是通过对输入电平高低、相位、脉冲数量和方向信号以及保持时间实现对电机的停转、速度、正反转、工作时间以及停顿间隔控制电机实现完成预定工作。

现有的步进、伺服电机自动控制技术主要依靠可编写的PLC、单片机控制板、其他一些可调脉冲发生电路通过驱动器自动控制电机工作，自动控制线路相对复杂，调试改写程序麻烦，但实现功能齐全。手动控制技术目前主要为旋转编码器、手摇脉冲发生器(也称为手动脉冲发生器、手脉、电子手轮)通过手动机械旋转轴柄产生脉冲信号，通过PLC或驱动器同步控制电机，电机在通电时有脉冲信号工作，无脉冲信号自锁(自锁非必需解锁需要控制板输入使能信号、一些减速电机大功率电机自身有阻转力矩)停止转动，从而电机得到精确的同步控制，手动控制无需控制板，线路较简单，但有上电时自锁状态和有些有较大阻转力矩。

步进、伺服电机在一些场合实际使用中有时往往需要工作状态时间参数控制，控制精度无需过高满足使用即可，例如机器人、机械手、玩具车辆飞行器的人体动作手势控制。步进、伺服电机编程需要复杂的操作和专业的技能知识，普通消费领域产品使用者难以掌握编程以及调整调试，难以控制适应需要复杂多变即时变化的动作。可穿戴设备中信号端、执行端往往一体，在没有控制板的情况下带有自锁功能电机停转时自锁，转动时需要使能信号解锁，不带自锁较大功率电机存在起停反转扭矩惯量大，肢体动作力不易控制，脉冲细分比不能灵活调节。

因此，有必要提供一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置通过机械结构微调脉冲数量，更好满足即时变速运动的要求以解决上述技术问题。

实用新型内容

针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本实用新型提供了一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置在现有技术和硬件基础上，增加了机械控制结构，由脉冲产生装置(旋转编码器、电子手轮等)、机械控制结构、步进电机驱动器、步进电机、电源五部分组成，协同工作以解决存在自锁和起停力矩大灵活调节脉冲细分比问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，包括：步进电机驱动器、直流电源、安装板、步进电机、机械控制装置和旋转编码器，所述步进电机与所述旋转编码器均安装在所述安装板上，旋转编码器转动能够产生脉冲，使步进电机驱动器驱动步进电机启动，直流电源向步进电机驱动器以及旋转编码器供电，所述机械控制装置包括操作组件和编码器转轮，所述步进电机上设置有步进电机转轴，所述操作组件设置在所述步进电机转轴上，所述步进电机转轴上固定设置有驱动块，驱动块能够在所述步进电机转轴的带动下转动并带动操作组件运动，所述旋转编码器上设置有编码器转轴，所述编码器转轮设置在编码器转轴上，所述操作组件用于驱动所述编码器转轮，所述步进电机转动可助力操作组件转动，所述操作组件包括操作杆和连接盘。

优选的，所述连接盘转动设置在所述步进电机转轴上，所述驱动块能够带动连接盘转动，所述操作组件与所述编码器转轮之间设置有连接机构，所述操作组件通过所述连接机构驱动所述编码器转轮转动。

优选的，所述连接盘上设置有安装槽，所述安装槽与所述驱动块适配。

优选的，所述安装槽内安装弹性件，安装槽、驱动块以及弹性件三者结构相互适配，在主动向操作杆施加动力时，操作杆会带动连接盘转动，连接盘上的安装槽会挤压弹性件，使弹性件发生弹性形变，此时的步进电机转轴是静止状态，步进电机启动后，步进电机转轴带动驱动块转动，驱动块再通过挤压弹性件带动连接盘转动，若需要反向启动步进电机时，反向向操作杆施加压力，使连接盘反向转动，安装槽会挤压弹性件，使连接盘具有反向移动的空间，连接盘反向移动后，使编码器转轮反向转动。

优选的，所述弹性件为环形、半月形或弧形，其中，当弹性件为环形时，弹性件的数量为一个，此种状态下，弹性件产生径向变形摩擦，驱动块与安装槽内均无凸起，当弹性件为半月形时，弹性件的数量为两个，此种状态下，安装槽与驱动块均设置一个凸起，依靠两个凸起对弹性件进行挤压，当弹性件为弧形时，弹性件的数量为四个，此种状态下，安装槽与驱动块均设置两个凸起，依靠四个凸起对四个弹性件进行挤压。

优选的，所述连接机构包括连杆，所述连杆的两端分别与所述连接盘和所述编码器转轮转动连接，操作操作杆时，操作杆带动连接盘转动，连接盘转动并拉动连杆，从而使编码器转轮转动，编码器转轮转动带动编码器转轴转动，此时，旋转编码器产生脉冲，进而使步进电机被启动，步进电机转轴随之转动，并带动连接盘转动，同时连接盘会持续通过连杆带动编码器转轮转动，使旋转编码器持续产生脉冲，连接盘转动的同时带动操作杆转动，从而使步进电机为操作杆提供助力。

优选的，所述连接机构包括连杆，所述连杆的一端通过左销杆与所述连接盘转动设置，在所述编码器转轮上设置有向左倾斜的腰孔，所述连杆的另一端通过右销杆与腰孔活动连接，在所述连杆上设置有顶块，在所述连杆的下方设置有安装在安装板上的变距块，在所述变距块上设置有凹槽，所述顶块的底端位于所述凹槽内，在所述安装板上安装有拉簧，所述拉簧与所述连杆连接。

优选的，所述连接机构包括安装在连接盘上的主摆杆和安装在编码器转轮上的副摆杆，所述副摆杆的一侧开设有滑槽，所述主摆杆延伸至所述滑槽内，所述滑槽内设置有滚轮，所述滚轮安装在所述主摆杆上。

优选的，所述连接盘为主动齿轮，所述编码器转轮为从动齿轮，所述连接机构包括同步带，所述同步带安装在所述连接盘和所述编码器转轮上，连接盘通过同步带带动编码器转轮转动。

优选的，所述连接盘与所述编码器转轮均为全齿齿轮，所述操作杆包括操作执行齿条和驱动齿条，所述执行齿条与所述编码器转轮啮合，所述驱动齿条与所述连接盘啮合，所述操作执行齿条的一侧开设有安装槽，在所述安装槽的两侧均安装有缓冲弹簧，所述驱动齿条的一侧设置有凸块，所述凸块的两侧分别与相应的缓冲弹簧连接，在所述操作执行齿条和所述驱动齿条上均开设有限位孔，在安装板上设置有两个限位块，两个所述限位块位于相应的限位孔内并对操作执行齿条和驱动齿条的移动起到限位的作用。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型在现有技术和硬件基础上，增加了机械控制结构，由脉冲产生装置(旋转编码器、电子手轮等)、机械控制结构、步进电机驱动器、步进电机、电源五部分组成，协同工作以解决存在自锁和起停力矩大灵活调节脉冲细分比问题，不依靠复杂线路依靠简单机械结构解决解除电机自锁(步进电机或其他带自锁装置减速电机)，实现了较小肢体动作力(伺服电机及其他带编码器电机)带动旋转编码器、电子手轮驱动较大功率电机工作的控制问题。无需编程按照允许的动作控制电机的停转、速度、正反转、工作时间以及停顿间隔，简化了调试调整，能够实现复杂动作即时控制执行端。机械结构微调脉冲数量，更好满足变速运动的要求。同时简化了线路，降低了成本，在满足使用要求基础上提高了整个控制系统的可靠性和寿命。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的原理框图；

图2为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图3为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图4为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图5为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图6为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图7为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图8为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图9为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图10为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图；

图11为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置的一种实施例示意图。

其中，附图标记对应的名称为：操作组件-1，操作杆-111，操作执行齿条-1111，驱动齿条-1112，缓冲弹簧-1113，限位块-1114，连接盘-112，驱动块-2，连接机构-3，连杆-31，顶块-32，主摆杆-33，副摆杆-34，滚轮-35，同步带-36，编码器转轮-4，安装板-5，旋转编码器-6，步进电机-7，电机转轴-8，变距块-10，凹槽-101，拉簧-11。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例1

如图1-11所示，为本实用新型提供的基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，包括：步进电机驱动器、直流电源、安装板5、步进电机7、机械控制装置和旋转编码器6，所述步进电机7与所述旋转编码器6均安装在所述安装板5上，旋转编码器6转动能够产生脉冲，使步进电机驱动器驱动步进电机7启动，直流电源向步进电机驱动器以及旋转编码器供电，所述机械控制装置包括操作组件1和编码器转轮4，所述步进电机7上设置有步进电机转轴8，所述操作组件1设置在所述步进电机转轴8上，所述步进电机转轴8上固定设置有驱动块2，驱动块2能够在所述步进电机转轴8的带动下转动并带动操作组件1运动，从而为操作组件1助力，以达到步进电机7助力的效果，所述旋转编码器6上设置有编码器转轴12，所述编码器转轮4设置在编码器转轴12上，所述操作组件1用于驱动所述编码器转轮4，所述步进电机7转动可助力操作组件1转动，所述操作组件1包括操作杆111和连接盘112，当需要启动步进电机7时，驱动操作组件1，时编码器转轮4转动，从而使旋转编码器6产生脉冲，步进电机驱动器检测到脉冲后启动步进电机7，步进电机7启动后，对操作组件1助力。

实施例2

如图5-7所示，所述连接盘112转动设置在所述步进电机转轴8上，所述驱动块2能够带动连接盘112转动，所述操作组件1与所述编码器转轮4之间设置有连接机构3，所述操作组件1通过所述连接机构3驱动所述编码器转轮4转动。

进一步的，在所述连接盘112上设置有安装槽，所述安装槽与所述驱动块2适配。

实施例3

在所述安装槽内安装弹性件，安装槽、驱动块2以及弹性件三者结构相互适配，在主动向操作杆111施加动力时，操作杆111会带动连接盘112转动，连接盘112上的安装槽会挤压弹性件，使弹性件发生弹性形变，此时的步进电机转轴8是静止状态，当步进电机7启动后，步进电机转轴8带动驱动块2转动，驱动块2再通过挤压弹性件带动连接盘112转动，从而为连接盘112转动提供助力，也使旋转编码器持续产生脉冲，此时，若需要反向启动步进电机7时，反向向操作杆111施加压力，使连接盘112反向转动，此时，安装槽会挤压弹性件，使连接盘112具有反向移动的空间，连接盘112反向移动后，使编码器转轮4反向转动，从而使旋转编码器6产生脉冲，实现步进电机7反向转动的目的。

实施例4

如图9-11所示，所述弹性件为环形、半月形或弧形，其中，当弹性件为环形时，弹性件的数量为一个，此种状态下，弹性件产生径向变形摩擦，驱动块2与安装槽内均无凸起，当弹性件为半月形时，弹性件的数量为两个，此种状态下，安装槽与驱动块2均设置一个凸起，依靠两个凸起对弹性件进行挤压，当弹性件为弧形时，弹性件的数量为四个，此种状态下，安装槽与驱动块2均设置两个凸起，依靠四个凸起对四个弹性件进行挤压。

实施例5

如图3所示，所述连接机构3包括连杆31，所述连杆31的两端分别与所述连接盘112和所述编码器转轮4转动连接，在操作操作杆111时，操作杆111带动连接盘112转动，连接盘112转动并拉动连杆31，从而使编码器转轮4转动，编码器转轮4转动带动编码器转轴12转动，此时，旋转编码器6产生脉冲，进而使步进电机7被启动，步进电机转轴8随之转动，并带动连接盘112转动，同时连接盘112会持续通过连杆31带动编码器转轮4转动，使旋转编码器6持续产生脉冲，连接盘112转动的同时带动操作杆111转动，从而使步进电机7为操作杆111提供助力，此时，如果想要步进电机7对操作杆111进行反向助力时，可反向转动操作杆111，操作杆111会通过安装槽内的凸起压缩弹性件，从而使连接盘112能够反向转动一定的角度，进而使旋转编码器6产生脉冲，从而使步进电机7反向转动，步进电机7反向转动又进一步促进连接盘112反向转动，从而使操作杆111反向转动，实现对操作杆111的反向助力，通过上述过程步进电机7能够实现对操作组件1的正反向助力。

实施例6

如图5所示，所述连接机构3包括连杆31，所述连杆31的一端通过左销杆与所述连接盘112转动设置，在所述编码器转轮4上设置有向左倾斜的腰孔，所述连杆31的另一端通过右销杆与腰孔活动连接，在所述连杆31上设置有顶块32，在所述连杆31的下方设置有安装在安装板5上的变距块10，在所述变距块10上设置有凹槽101，所述顶块32的底端位于所述凹槽101内，在所述安装板5上安装有拉簧11，所述拉簧11与所述连杆31连接，操作组件1逆时针摆动，驱动连杆31运动，连杆31上的顶块32向左运动在拉簧11作用下落入变距块10的凹槽101内，右销杆由腰孔最高点落入最低点；当连杆31继续运动，在凹槽上升斜面作用下，右销轴13由最低点回升到最高点；返回运动原理同上；右销轴在编码器转轮4的最高点(转矩增加)时，操作组件1摆动一定角度，编码器转轮4将转动较小角度产生较少数量脉冲；右销轴在编码器转轮4的最低点(转矩减少)时，操作组件1摆动一定角度，编码器转轮4将转动较大角度产生较多数量脉冲；运动特性为接近两端脉冲减少动力减弱，离开两端脉冲增加动力加大，中间段脉冲数量产生最多动力最大。

实施例7

如图6所示，所述连接机构3包括安装在连接盘112上的主摆杆33和安装在编码器转轮4上的副摆杆34，在所述副摆杆34的一侧开设有滑槽，所述主摆杆33延伸至所述滑槽内，所述滑槽内设置有滚轮35，所述滚轮35安装在所述主摆杆33上，当操作组件1逆时针转动时，连接盘112会带动主摆杆33转动，此时，主摆杆33通过滚轮35使副摆杆34顺时针转动，进而使编码器转轮4转动，编码器转轮4转动带动编码器转轴12转动，使旋转编码器6产生脉冲，从而使步进电机7启动，反向转动操作组件1后，能够使旋转编码器6产生脉冲，从而使步进电机7反向启动。

实施例8

如图7所示，所述连接盘112为主动齿轮，所述编码器转轮4为从动齿轮，所述连接机构3包括同步带36，所述同步带36安装在所述连接盘112和所述编码器转轮4上，当需要启动步进电机7时，转动操作杆111，使连接盘112转动，连接盘112通过同步带36带动编码器转轮4转动，从而使旋转编码器6产生脉冲，进而使步进电机7启动，此时，如果反向转动操作杆111，使连接盘112反向转动，从而使编码器转轮4反向转动，旋转编码器6产生脉冲，使步进电机7反向启动，实现步进电机7助力的效果。

实施例9

如图8所示，所述连接盘112与所述编码器转轮4均为全齿齿轮，所述操作杆111包括操作执行齿条1111和驱动齿条1112，所述执行齿条1111与所述编码器转轮4啮合，所述驱动齿条1112与所述连接盘112啮合，所述操作执行齿条1111的一侧开设有安装槽，在所述安装槽的两侧均安装有缓冲弹簧1113，所述驱动齿条1112的一侧设置有凸块，所述凸块的两侧分别与相应的缓冲弹簧1113连接，在对操作执行齿条1111进行驱动时，使操作执行齿条1111向上移动，操作执行齿条1111驱动编码器转轮4转动，从而使旋转编码器6产生脉冲，进而使步进电机7转动，在操作执行齿条1111向上移动时，驱动齿条1112静止，当步进电机7启动后，步进电机带动连接盘112转动，连接盘112使驱动齿条1112向上移动，驱动齿条1112向上移动通过缓冲弹簧1113带动操作执行齿条1111向上移动，从而使编码器转轮4继续转动，进而使旋转编码器6继续产生脉冲，此时，可向下移动操作执行齿条1111，使编码器转轮4反向转动，进而使旋转编码器6产生脉冲，使步进电机7反向转动，上述过程使操作组件1实现了上下移动并得到步进电机7的助力效果，在所述操作执行齿条1111和所述驱动齿条1112上均开设有限位孔，在安装板5上设置有两个限位块1114，两个所述限位块1114位于相应的限位孔内并对操作执行齿条1111和驱动齿条1112的移动起到限位的作用。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，包括：步进电机驱动器、直流电源、安装板(5)、步进电机(7)、机械控制装置和旋转编码器(6)，所述步进电机(7)与所述旋转编码器(6)均安装在所述安装板(5)上，其特征在于，所述机械控制装置包括操作组件(1)和编码器转轮(4)，所述步进电机(7)上设置有步进电机转轴(8)，所述操作组件(1)设置在所述步进电机转轴(8)上，所述步进电机转轴(8)上设置有驱动块(2)，所述旋转编码器(6)上设置有编码器转轴(12)，所述编码器转轮(4)设置在编码器转轴(12)上，所述操作组件(1)用于驱动所述编码器转轮(4)，所述步进电机(7)转动可助力操作组件(1)转动，所述操作组件(1)包括操作杆(111)和连接盘(112)。

2.根据权利要求1所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接盘(112)设置在所述步进电机转轴(8)上，所述操作组件(1)与所述编码器转轮(4)之间设置有连接机构(3)，所述操作组件(1)通过所述连接机构(3)驱动所述编码器转轮(4)转动。

3.根据权利要求2所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接盘(112)上设置有安装槽，所述安装槽与所述驱动块(2)适配。

4.根据权利要求3所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述安装槽内安装弹性件，安装槽、驱动块(2)以及弹性件三者结构相互适配。

5.根据权利要求4所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述弹性件为环形、半月形或弧形，其中，当弹性件为环形时，弹性件的数量为一个，驱动块(2)与安装槽内均无凸起，当弹性件为半月形时，弹性件的数量为两个，安装槽与驱动块(2)均设置一个凸起，当弹性件为弧形时，弹性件的数量为四个，安装槽与驱动块(2)均设置两个凸起。

6.根据权利要求2所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接机构(3)包括连杆(31)，所述连杆(31)的两端分别与所述连接盘(112)和所述编码器转轮(4)转动连接。

7.根据权利要求2所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接机构(3)包括连杆(31)，所述连杆(31)的一端通过左销杆与所述连接盘(112)转动设置，所述编码器转轮(4)上设置有向左倾斜的腰孔，所述连杆(31)的另一端通过右销杆与腰孔活动连接，所述连杆(31)上设置有顶块(32)，所述连杆(31)的下方设置有安装在安装板(5)上的变距块(10)，所述变距块(10)上设置有凹槽(101)，所述顶块(32)的底端位于所述凹槽(101)内，所述安装板(5)上安装有拉簧(11)，所述拉簧(11)与所述连杆(31)连接。

8.根据权利要求2所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接机构(3)包括连接盘(112)上的主摆杆(33)和副摆杆(34)，所述副摆杆(34)的一侧开设有滑槽，所述主摆杆(33)延伸至所述滑槽内，所述滑槽内设置有滚轮(35)，所述滚轮(35)安装在所述主摆杆(33)上。

9.根据权利要求2所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接盘(112)为主动齿轮，所述编码器转轮(4)为从动齿轮，所述连接机构(3)包括同步带(36)，所述同步带(36)安装在所述连接盘(112)和所述编码器转轮(4)上。

10.根据权利要求1所述的一种基于肢体动作控制步进伺服电机的机械控制装置，其特征在于，所述连接盘(112)与所述编码器转轮(4)均为全齿齿轮，所述操作杆(111)包括操作执行齿条(1111)和驱动齿条(1112)，所述执行齿条(1111)与所述编码器转轮(4)啮合，所述驱动齿条(1112)与所述连接盘(112)啮合，所述操作执行齿条(1111)的一侧开设有安装槽，所述安装槽的两侧均安装有缓冲弹簧(1113)，所述驱动齿条(1112)的一侧设置有凸块，所述凸块的两侧分别与相应的缓冲弹簧(1113)连接，所述操作执行齿条(1111)和所述驱动齿条(1112)上均开设有限位孔，安装板(5)上设置有两个限位块(1114)，两个所述限位块(1114)位于相应的限位孔内。

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