CN201380493Y - 机器人关节模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了机器人关节模组，包括转动臂，其特征在于，动力腔体置于转动臂的端部，在动力腔体上设有电路腔体。所述动力腔体包括基座，在基座的一侧设有后盖，所述电路腔体置于后盖靠基座的内侧面上，步进电机置于基座内靠下端，电机输出端设有电机齿轮，和转动臂相连的齿轮与第一组合齿轮设于基座内的顶部，第二组合齿轮及第三组合齿轮通过第一轴设于连臂齿轮与第一组合齿轮的下方，第四组合齿轮通过第二轴设于第三组合齿轮的下方。本实用新型的优点是：闭环控制性能好，具备很高的可靠性，结构紧凑，体积小，成本低廉，耗电低，可以大规模普及到家用和娱乐领域。

Description

机器人关节模组

技术领域

本实用新型涉及一种机器人关节模组，属于机器人关节技术领域。

背景技术

传统的机器人转动关节的动力系统是由伺服电机、联轴器和齿轮组构成，由于机器人的关节动力系统是安装在机械臂中的，伺服电机的旋转方向和关节的运动方向垂直，齿轮组内需要用到伞齿轮来匹配转动方向，另外伺服电机采用旋转光电编码器形成位置环或速度环来闭环控制关节的转动，使之达到一定的速度精度或位置精度。这种机器人的关节有以下缺点：第一、由于采用伺服电机来驱动和管理关节的运动，成本昂贵，尤其是在多关节机器人的应用中；第二、伺服电机体积较大，一般安装在机械臂内，需要伞齿轮来匹配转动方向，降低齿轮的转矩，增加制造难度；第三、采用伺服电机对耗能较高，不适合于电池供电的小型系统。由于传统机器人关节具有以上缺点，不利于家用和个人娱乐机器人的普及。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种降低成本且降低整体耗能，同时使得机器人的模块化程度高的机器人关节模组。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种机器人关节模组，包括转动臂，其特征在于，动力腔体置于转动臂的端部，在动力腔体上设有电路腔体。

所述动力腔体包括基座，在基座的一侧设有后盖，在后盖内设有所述的电路腔体，步进电机置于基座内靠下端，电机输出端设有电机齿轮，和转动臂相连的齿轮(以下作“连臂齿轮”)与第一组合齿轮设于基座内的顶部，第二组合齿轮及第三组合齿轮通过第一轴设于连臂齿轮与第一组合齿轮的下方，第四组合齿轮通过第二轴设于第三组合齿轮的下方，第四组合齿轮与第三组合齿轮及电机齿轮相啮合，第三组合齿轮与第一组合齿轮相啮合，第二组合齿轮与第一组合齿轮及连臂齿轮相啮合。

所述电路腔体包括控制器，控制器分别连接关节角位置检测电路、步进开关驱动电路及关节总线接口，步进开关驱动电路连接电机信号接口。

本实用新型采用两相微型步进电机做为动力源。传动由齿轮组构成，整个齿轮组由6个齿轮构成，其中4个为组合齿轮，采用两组同轴双齿轮结构以节省空间。小型的步进电机虽然输出转矩较小，但是由于采用多齿轮的齿轮组，转矩得到了几十倍的提升，虽然速度也同倍数的降低了，但是由于微型步进电机的脉冲频率较高，在实际设计时可以使得速度满足要求；齿轮组采用同轴分布，进一步减小空间。这样既满足机器人运动速度和转矩的需求又可以做到很小的体积的传动系统，使得关节模组体积小，重量轻，关节可以模块化生产。

本实用新型的优点是：

1)结构紧凑，体积小，由此组合而成的机器人外观美观，仿生程度高；

2)由于步进电机取代了传统的伺服电机，使得成本低廉，可以大规模普及到家用和娱乐领域；

3)关节可以作成模块化，便于提高整个机器人的生产效率，并降低生产成本；

4)由于接口可以采用串行总线，使得关节和主体之间的联络的电气线的个数减小，从而使控制系统在运动中具备很高的可靠性；

5)能耗低，控制器可以采用低功耗的8位单片机，具备睡眠模式，使的无论是在工作的时候还是在休息的时候都具备很低的耗电量。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种机器人关节模组的架构图；

图2为本实用新型提供的一种机器人关节模组的主视图；

图3为本实用新型提供的一种机器人关节模组的侧视图；

图4为电路腔体的电路示意图；

图5A为第一圆柱形永磁体、第二圆柱形永磁体及线性霍尔芯片的安装主视图；

图5B为第一圆柱形永磁体、第二圆柱形永磁体及线性霍尔芯片的安装侧视图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本实用新型。

实施例

如图1所示，为本实用新型提供的一种机器人关节模组的架构图，由动力腔体I、电路腔体II及转动臂III组成，动力腔体I置于转动臂III的端部，在动力腔体I上设有电路腔体II。

如图2及图3所示，为本实用新型提供的一种机器人关节模组的结构示意图，由步进电机1、第一轴2、连臂齿轮3、第二组合齿轮4、第一组合齿轮5、第三组合齿轮6、第二轴7、第四组合齿轮8、前盖9、第一转动臂10、第二转动臂11、后盖12、基座13及电机齿轮14组成。在基座13的一侧设有后盖12，电路腔体II固定在后盖12靠基座13的内侧面上，步进电机1置于基座13内靠下端，电机输出端设有电机齿轮14，连臂齿轮3与第一组合齿轮5设于基座13内的顶部，第二组合齿轮4及第三组合齿轮6通过第一轴2设于齿轮3与第一组合齿轮5的下方，第四组合齿轮8通过第二轴7设于第三组合齿轮6的下方，第四组合齿轮8与电机齿轮及第三组合齿轮6相啮合，第三组合齿轮6与第一组合齿轮5相啮合，第二组合齿轮4与第一组合齿轮5及连臂齿轮3相啮合。第一转动臂10置于后盖12与基座13之间，第一转动臂10与连臂齿轮3及第一组合齿轮5同轴，第二转动臂11设于所述基座13的另一侧，第二转动臂11与连臂齿轮3及第一组合齿轮5同轴。

如图4所示，为电路腔体的电路示意图，包括控制器5-1，控制器5-1分别连接关节角位置检测电路5-5、步进开关驱动电路5-2及关节总线接口5-7，步进开关驱动电路5-2连接电机信号接口5-6。

关节角位置检测电路5-5由第一圆柱形永磁体15、第二圆柱形永磁体17和线性霍尔芯片16组成，本实用新型的重点是线性霍尔芯片16及第一圆柱形永磁体15和第二圆柱形永磁体17的安装位置。如图5A及图5B所示，为第一圆柱形永磁体15、第二圆柱形永磁体17及线性霍尔芯片的安装示意图，为了阐述关节角位置检测的局部，图5B中不显示基座，由于电路腔体II固定在后盖12靠基座13的内侧面上，因此线性霍尔芯片16的感应面的位置是固定的，线性霍尔芯片16的中心点和第一转动臂10的转动轴心线重合，两个N极和S极相对的第一圆柱形永磁体15及第二圆柱形永磁体17柱嵌在第一转动臂10的一端侧臂上，位于第一转动臂10的转动轴心的两侧等距离处并和轴心构成一条直线，第一圆柱形永磁体15及第二圆柱形永磁体17位置随第一转动臂10转动绕轴心移动，也就是说，当第一转动臂10转动时，第一圆柱形永磁体15及第二圆柱形永磁体17会绕线性霍尔芯片16的中心点转动，位于转动臂上面的第一圆柱形永磁体15及第二圆柱形永磁体17和线性霍尔芯片16的感应面的角度在变化，由于角度变化造成的分解到垂直线性霍尔芯片16感应面方向的磁通量在变化，根据线性霍尔芯片16的原理，将使线性霍尔芯片16输出一个变化的电平信号Vp，设芯片电源电压为Vcc，当转臂中心线和感应面夹角β在0°到180°之间变化时，Vp在小于0.5*Vcc的最小值Vpmin和大于0.5*Vcc的最大值Vpmax之间变化，其中绝对值|Vp-0.5*Vcc|和垂直磁通量的大小成正比。将这个信号送到单片机的A/D转换端，控制器便可读出该信号幅度值Vp，从而计算出转动臂的角位置。

控制器5-1选用单片8bit微控制器；步进开关驱动电路5-2可以采用4组PMOS和NMOS的对管，这4个MOS管用于控制两相线圈的每相两侧的Power高低，

电路腔体对外关节总线接口5-7和机器人的主控系统相连，连接总线为由6根线构成的关节传输导线，包括：电源线2根(MVDD，DVDD)，地线1根(GND)，控制线3根(SCL，SDA，INT).其中SCL，SDA为I2C总线，INT为辅助的中断线；

每个关节模组接收I2C总线进入的指令，包括对象关节的编号，该关节的转动速度模式，以及转动到什么位置。从指令中提取出关节的编号，判断是否是本关节的操作。如果是，进而提取出其他转动信息，通过单片机的GPIO口，遵循位置闭环控制软件的算法，产生步进电机的驱动所需的步进脉冲序列，步进脉冲序列信号控制步进开关驱动电路中的分立的功率开关MOS管，MOS管输出交替开关的驱动电流流过步进电机的两相线圈，产生满足主控处理器要求的运转。

Claims (5)

1.一种机器人关节模组，包括转动臂(III)，其特征在于，动力腔体(I)置于转动臂(III)的端部，在动力腔体(I)上设有电路腔体(II)。

2.如权利要求1所述的一种机器人关节模组，其特征在于，所述动力腔体(I)包括基座(13)，在基座(13)的一侧设有后盖(12)，所述电路腔体(II)置于后盖(12)靠基座(13)的内侧面上，步进电机(1)置于基座(13)内靠下端，电机输出端设有电机齿轮(14)，和转动臂(III)相连的齿轮(3)与第一组合齿轮(5)设于基座(13)内的顶部，第二组合齿轮(4)及第三组合齿轮(6)通过第一轴(2)设于齿轮(3)与第一组合齿轮(5)的下方，第四组合齿轮(8)通过第二轴(7)设于第三组合齿轮(6)的下方，第四组合齿轮(8)与电机齿轮(14)及第三组合齿轮(6)相啮合，第三组合齿轮(6)与第一组合齿轮(5)相啮合，第二组合齿轮(4)与第一组合齿轮(5)及齿轮(3)相啮合。

3.如权利要求2所述的一种机器人关节模组，其特征在于，所述的转动臂(III)包括第一转动臂(10)及第二转动臂(11)，第一转动臂(10)置于所述后盖(12)与所述基座(13)之间，第一转动臂(10)与所述齿轮(3)及所述第一组合齿轮(5)同轴，第二转动臂(11)设于所述基座(13)的另一侧，第二转动臂(11)与所述齿轮(3)及所述第一组合齿轮(5)同轴。

4.如权利要求1至3项中任一项所述的一种机器人关节模组，其特征在于，所述电路腔体(II)包括控制器(5-1)，控制器(5-1)分别连接关节角位置检测电路(5-5)、步进开关驱动电路(5-2)及关节总线接口(5-7)，步进开关驱动电路(5-2)连接电机信号接口(5-6)。

5.如权利要求4所述的一种机器人关节模组，其特征在于，所述关节角位置检测电路(5-5)包括至少一个第一磁体(15)和线性霍尔芯片(16)，第一磁体(15)柱的位置随转动臂(III)的转动而移动，线性霍尔芯片(16)的位置固定在磁体运动影响区域内的一固定点上，第一磁体(15)位置和线性霍尔芯片(16)的中心点之间产生相对运动，线性霍尔芯片(16)的输出信号用于转动角位置的检测。

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