CN107662220A - 一种机械臂关节及机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械臂技术领域，尤其是涉及一种机械臂关节及机械臂。机械臂关节包括输入组件、输出组件、制动器、谐波减速器、多圈绝对值编码器和光栅编码器，其中，多圈绝对值编码器用于检测所述中空输入轴初始启动时的多圈绝对角度值；当所述光栅编码器读取到Z相信号时，由所述光栅编码器检测所述中空输入轴的多圈绝对角度值。该机械臂关节通过绝对值编码器、和光栅编码器配合进行中空输入轴的多圈绝对角度值的信息检测，简化了多圈绝对值编码器的结构，提高了检测精度，进而简化了机械臂关节的整体结构、降低成本，提高机械臂关节的整体精度。机械臂包括机械臂关节，简化了整体结构，降低了自重，提高了整体精度。

Description

一种机械臂关节及机械臂

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其是涉及一种机械臂关节及机械臂。

背景技术

随着机电一体化技术的发展，工业产品朝着智能化、***化、微型化、模块化与人机协作的方向发展。尤其是在轻型机械臂领域，机械臂有着高精化、模块化、轻量化和多自由度化的发展趋势。

而对于现有机械臂来说，基本是模拟人的上臂构成的，为了保证机械臂具有六个空间自由度，其主动关节数目一般为六个，一般情况下全为转动关节。现有的模块化机械臂中的模块化关节的结构过于复杂，使得关节的自身体积较大、成本较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种机械臂关节，以解决现有技术中存在的模块化关节的结构过于复杂，使得关节的成本较高的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种机械臂关节，包括输入组件、输出组件、制动器、谐波减速器、多圈绝对值编码器和光栅编码器；

所述输入组件包括中空轴电机及中空输入轴，所述中空输入轴与所述中空轴电机的转子固定连接；

所述输出组件包括输出法兰和沿所述输出法兰的轴向延伸出的中空输出轴；

所述中空输出轴穿设于所述中空输入轴的轴腔中，且所述中空输出轴与所述中空输入轴之间能够发生相对转动；

所述中空输入轴与所述谐波减速器的波发生器固定连接，所述输出法兰与所述谐波减速器的刚轮固定连接；

所述制动器套设在所述中空输入轴上；

所述多圈绝对值编码器用于检测所述中空输入轴初始启动时的多圈绝对角度值；

当所述光栅编码器读取到Z相信号时，由所述光栅编码器检测所述中空输入轴的多圈绝对角度值。

优选地，所述多圈绝对值编码器包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器；

所述永磁体安装于所述中空输入轴并随所述中空输入轴转动；

所述至少一个磁角传感器设置于所述永磁体的周围，以检测所述中空输入轴的单圈绝对角度值；

标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内；

所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接，以供所述单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述中空输入轴的多圈绝对角度值。

优选地，所述光栅编码器包括光栅盘片和光栅读头，所述光栅盘片安装在所述中空输入轴，并随所述中空输入轴转动；所述光栅读头用于读取所述光栅盘片。

优选地，所述多圈绝对值编码器还包括主电源、备用电源和用于选择所述主电源或所述备用电源向所述单片机和磁角传感器供电的电源选择电路。

优选地，所述永磁体为N极与S极对称设置的环状永磁体。

优选地，所述至少一个磁角传感器和所述单片机集成在电路板上。

优选地，所述谐波减速器的柔轮与关节外壳固定连接；所述输出法兰通过第三轴承与所述波发生器连接；所述中空输入轴间隔套设有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承均通过轴承架与关节外壳连接。

优选地，所述制动器包括制动器转子、具有线圈的制动器定子、平板、电枢，所述制动器定子、电枢、制动器转子和平板依次同轴设置，且所述定子上设有作用在所述电枢上的弹性件，所述平板与所述制动器定子的相对位置固定，所述制动器转子固定在所述中空输入轴上，并与所述中空输入轴同步转动，所述制动器定子固定在关节外壳上；

当断电状态时，所述弹性件推动电枢压紧所述制动器转子，使所述制动器转子停止转动；

当通电状态时，所述电枢压缩弹性件，使所述电枢远离所述制动器转子。

本发明还提供了一种机械臂，包括上述任一种机械臂关节。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的机械臂关节，包括输入组件、输出组件、制动器、谐波减速器、多圈绝对值编码器和光栅编码器，其中，所述输入组件包括中空轴电机及中空输入轴，所述中空输入轴与所述中空轴电机的转子固定连接；所述输出组件包括输出法兰和沿所述输出法兰的轴向延伸出的中空输出轴；所述中空输出轴穿设于所述中空输入轴的轴腔中，且所述中空输出轴与所述中空输入轴之间能够发生相对转动；所述中空输入轴与所述谐波减速器的波发生器固定连接，所述输出法兰与所述谐波减速器的刚轮固定连接；所述制动器套设在所述中空输入轴上；所述多圈绝对值编码器用于检测所述中空输入轴初始启动时的多圈绝对角度值；当所述光栅编码器读取到Z相信号时，由所述光栅编码器检测所述中空输入轴的多圈绝对角度值。该机械臂关节通过绝对值编码器、和光栅编码器配合进行中空输入轴的多圈绝对角度值的信息检测，简化了多圈绝对值编码器的结构，提高了检测精度，进而简化了机械臂关节的整体结构、降低成本，提高机械臂关节的整体精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的机械臂关节的内部结构示意图；

图2是本发明实施例提供的多圈绝对值编码器和光栅编码器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的制动器结构示意图。

图中：100-中空输入轴；101-转子；102-定子；103-中空输出轴；104-输出法兰；105-波发生器；106-刚轮；107-柔轮；108-外壳；109-端盖；110-光栅读头；111-光栅盘片；112-永磁体；113-磁角传感器；114-驱动电路板；115-编码器电路板；118-制动器；119-电枢；120-制动器定子；121-制动器转子；122-平板；123-第一轴承；124-第二轴承；125-第三轴承。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本发明实施例提供的机械臂关节，包括输入组件、输出组件、制动器、谐波减速器和多圈绝对值编码器；输入组件包括中空轴电机及中空输入轴100，中空输入轴100与中空轴电机的转子101固定连接；输出组件包括输出法兰104和沿输出法兰104的轴向延伸出的中空输出轴103，中空输出轴103与输出法兰104同步转动；中空输出轴103穿设于中空输入轴100的轴腔中，且中空输出轴103与中空输入轴100之间能够发生相对转动。

机械臂关节还包括谐波减速器，其中，中空输入轴100与谐波减速器的波发生器105固定连接，输出法兰104与谐波发生器的刚轮106固定连接。

多圈绝对值编码器用于检测所述中空输入轴100的多圈绝对角度值；制动器118固定在中空输入轴100上，在需要时对中空输入轴100进行制动。

机械臂关节还包括关节外壳108，中空轴电机的定子102与关节外壳108固定连连，该定子102可以与关节外壳108通过胶粘的方式连接，也可以通过螺丝连接；中空输入轴100与中空轴电机的转子101可以通过胶粘连接或者螺母锁紧，中空轴电机的转子101转动时，中空输入轴100随转子101一起转动。输出法兰104的轴线与中空输出轴103的轴线重合。

另外，输出法兰104的材质为铝合金，可以大大降低成本和加工难度。谐波减速器的柔轮107与关节外壳108固定连接，具体的柔轮107与关节外壳108通过螺钉固定连接，刚轮106通过螺钉与输出法兰104固定连接，柔轮107与刚轮106通过十字交叉滚子轴承传动连接。

工作时，中空轴电机的转子101带动中空输入轴100转动，中空输入轴100带动谐波减速器的波发生器105转动，进而再通过柔轮107和刚轮106实现减速，并通过输出法兰104输出转动，也就是说，中空输入轴100的输入速度大于输出法兰104的输出速度；输出法兰104转动的同时，带动中空输出轴103一起转动。

在一个实施方式中，中空输出轴103与输出法兰104一体加工而成，使中空输出轴103与输出法兰103之间具有更好的同步性和输出精度。

当然，在另外一些实施全名，中空输出轴103与输出法兰104可采用分体的方式，具体的，中空输出轴103和输出法兰104分别加工，然后通过螺纹连接、胶粘连接或者螺纹连接和胶粘连接相结合的方式连接，使中空输出轴103和输出法兰104同步转动，降低了加工难度，从而降低了成本。

优选地，中空输出轴103的材质为尼龙或碳纤维等具有耐高温，不易磨损非金属。

该实施例中，输出法兰104通过第三轴承125与波发生器105连接，具体的第三轴承125的内圈与输出法兰104连接，第三轴承125的外圈与波发生器105连接，波发生器105与中空输入轴100固定连接。中空输入轴100上间隔套设有第一轴承123和第二轴承124，具体地，第一轴承123和第二轴承124的内圈与中空输入轴100固定连接，第一轴承123和第二轴承124的外圈均通过轴承固定架与关节外壳108固定连接。

优选地，第一轴承123和第二轴承124为深沟球轴承；两个轴承能够为中空输入轴100提供两个稳定的受力支撑点，并能够抵消中空轴电机产生的磁力对中空输入轴100施加的弯矩，同时实现波发生器105与输出法兰104之间的相对转动。

本发明的实施例，多圈绝对值编码器用于检测中空输入轴初始启动阶段的多圈绝对角度值。具体地，如图1和图2所示，本实施例中的多圈绝对值编码器包括永磁体112、单片机和至少一个磁角传感器113、其中，永磁体112安装于中空输入轴100，并随中空输入轴100转动，且永磁体112的几何中心位于中空输入轴100的轴线上，磁角传感器113集成于编码器电路板115上，并位于永磁体112的一侧，通过周期变化的磁场给出一圈内的单圈绝对角度值。在本实施例中，单片机可以集成在编码器电路板115上，也可以集成在驱动电路板114上，即单片机与永磁体112相对位置并没有特定要求，在此不做限定。

需要说明的是，电路板可以是如图1所示的包括驱动电路板114和编码器电路板115的两块分体设置的电路板，能够在一定程度上进一步减少电板板的体积；在其它一些实施例中，也可以是一块电路板。

永磁体112安装在中空输入轴100上，安装时对永磁体的位置没有特殊要求，通过一个标定过程把绝对角度值的零位标记在单片机中，当单片机检测到单圈绝对角度值的零位时，即可判定中空输入轴100旋转跨圈，而磁角传感器113的输出端与单片机连接，磁角传感器113将检测的信息传送给单片机，单片机根据检测到的单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定中空输入轴100的多圈绝对角度值。

多圈绝对值编码器的对外数据接口是一个SPI接口，由单片机提供，配置为SPI从模式。

本实施例提供的多圈绝对值编码器与现有的多圈绝对值编码器相对比，无需复杂的齿轮组结构，使多圈绝对值编码器的结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高。

需要说明的是，本实施例中的永磁体可以是圆形，也可是其他形状，优选的永磁体为N极与S极对称设置，具体可采用一个N极与S极对称设置的永磁铁实现。

本发明实施例提供的多圈绝对值编码器，还包括电源，具体地，电源包括主电源和备用电源，多圈绝对值编码器还设有用于选择主电源或所述备用电源向所述单片机和磁角传感器113供电的电源选择电路。

本发明实施例中，主电源由外部供电实现，备用电源由电池实现，电源选择电路由电源选择芯片实现。具体的，外部供电和电池供电通过电源选择芯片切换，可有效去除干扰，避免切换过程中的电源抖动。在一个具体实施例中，电源选择芯片为MAX6326芯片。其中，电池可选择一个小封装的支持充电功能的锂离子电池，充电控制可以选用专门的锂电池充电管理芯片，也可以通过单片机实现，通过单片机实现时，有外部供电时，单片机通过集成的ADC功能电路检测电池的电压，当电压低于预设门限电压时通过IO控制充电开关电路打开，对电池充电，充电过程中监测电压，电压达到一定值时认为已充满，关断充电电路。其中，充电开关电路可通过三极管实现。

本发明实施例中，当所述电源选择电路选择所述备用电源供电且且在预设时间内，所述单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对，当角度变化始终小于阈值时，所述单片机进入待机，即单片机处于超低功耗的休眠模式，只消耗备用电源很小的电流，用于维持单片机和磁角传感器113的基本工作，防止记圈错误。

此处，单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对的预设时间为0.5S-1.5S，优选为1S，当然该预设时间可以根据中空输入轴的转速、检测精度等因素进行选择。

在一个具体的实施例中，永磁体112采用环状磁铁，磁角传感器113采用模拟输出磁角度传感器集成芯片，位于环状磁铁的侧面，单片机选用低功耗型单片机，电池采用锂离子电池。

当使用模拟输出磁角传感器放置在永磁体112的侧面时，需要标定，具体地，模拟输出磁角传感器提供正弦值，余弦值两路信号输出，相位差为45度，可在180度内提供唯一的正弦值和余弦值，以180度周期循环。通过正弦值和余弦值得到正切值，利用正切值查表，用一个高精度的编码器标定它，记录一张正切值与实际角度值的映射表格，并存储到单片机内，单片机根据模拟输出磁角传感器输出的信号即可以得到中空输入轴的实际的角度值。

在另一个实施例中，若模拟输出磁角传感器放置在圆形磁铁的端面，在得到正切值后，求反正切就可以得到中空输入轴的实际的角度值。

在其它一些实施例中，还可以使用直接输出角度的磁角传感器，放在端面直接输出角度值，或者磁角传感器自带补偿算法，只需针对不同型号提供一些参数即可。

进一步地，本实施例还包括光栅编码器，如图1和图2所示，光栅编码器包括光栅盘片111和光栅读头110，其中，光栅盘片111安装在所述中空输入轴100上，并随中空输入轴100转动，光栅读头110安装在驱动电路板114上，用于读取光栅盘片111。

优选地，光栅编码器为增量式光栅编码器。

使用时，多圈绝对值编码器获取初始启动阶段，中空输入轴100的多圈绝对角度值，当单片机读取到光栅编码器的Z相信号时，光栅编码器以当前多圈绝对编码器的多圈绝对角度值为基点进行位置信息的累计，进而实现中空输入轴100高精度的多圈绝对角度值的检测。

此后，以光栅编码的检测的位置信息为准，多圈绝对值编码器的多圈绝对角度值信息储存在第二单片机上，并以光栅编码的检测的位置信息修正多圈绝对值编码器的多圈信息，当外部电源出现故障或模块化维修拆装时，多圈绝对值编码器在关节掉电状态下采用动态间隔时间采样的策略以保证整机处于较低的功耗水平，并记录储存位置信息。当正常上电并检测到光栅编码器Z相时，再切换到经过标定的光栅编码器绝对位置值。

本发明实施例，通过一个绝对值编码器和一个增量式光栅编码器，共同配合，进行中空输入轴100的位置信息检测，不但简化了绝对值编码器结构，同时提高了检测精度，进而简化了机械臂关节的整体结构、降低成本，提高机械臂关节的整体精度。

优选地，机械臂关节还包括端盖109，该端盖109与关节外壳108配合，用于保护关节。

如图3所示，制动器118包括制动器转子121、具有线圈的制动器定子120、平板122、电枢119，其中，制动器定子120、电枢119、制动器转子121和平板122依次同轴设置，且制动器定子120上设有作用在所述电枢119上的弹性件，所述平板122与制动器定子120的相对位置固定，制动器转子121固定在中空输入轴100上，并能够与中空输入轴100同步转动，制动器定子120固定在关节外壳108上；

当断电状态时，弹性件推动电枢119压紧制动器转子121，使制动器转子121停止转动，从而使中空输入轴100停止转动；当通电状态时，电枢119压缩弹性件，使电枢119远离制动器转子121，使制动器转子121自由转动。优选地，弹性件为压缩弹簧。

本实施例还提供了一种机械臂，该机械臂包括多个上述任一种机械臂关节。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种机械臂关节，其特征在于，包括输入组件、输出组件、制动器、谐波减速器、多圈绝对值编码器和光栅编码器；

所述输入组件包括中空轴电机及中空输入轴，所述中空输入轴与所述中空轴电机的转子固定连接；

所述输出组件包括输出法兰和沿所述输出法兰的轴向延伸出的中空输出轴；

所述中空输出轴穿设于所述中空输入轴的轴腔中，且所述中空输出轴与所述中空输入轴之间能够发生相对转动；

所述中空输入轴与所述谐波减速器的波发生器固定连接，所述输出法兰与所述谐波减速器的刚轮固定连接；

所述制动器套设在所述中空输入轴上；

所述多圈绝对值编码器用于检测所述中空输入轴初始启动阶段的多圈绝对角度值；

当检测到所述光栅编码器的Z相信号后，由所述光栅编码器检测所述中空输入轴的多圈绝对角度值。

2.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：所述多圈绝对值编码器包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器；

所述永磁体安装于所述中空输入轴并随所述中空输入轴转动；

所述至少一个磁角传感器设置于所述永磁体的周围，以检测所述中空输入轴的单圈绝对角度值；

标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内；

所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接，以供所述单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述中空输入轴的多圈绝对角度值。

3.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：所述光栅编码器包括光栅盘片和光栅读头，所述光栅盘片安装在所述中空输入轴，并随所述中空输入轴转动；所述光栅读头用于读取所述光栅盘片。

4.根据权利要求2所述的机械臂关节，其特征在于：所述多圈绝对值编码器还包括主电源、备用电源和用于选择所述主电源或所述备用电源向所述单片机和磁角传感器供电的电源选择电路。

5.根据权利要求2所述的机械臂关节，其特征在于：所述永磁体为N极与S极对称设置的环状永磁体。

6.根据权利要求2所述的机械臂关节，其特征在于：所述至少一个磁角传感器和所述单片机集成在电路板上。

7.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：所述谐波减速器的柔轮与关节外壳固定连接；所述输出法兰通过第三轴承与所述波发生器连接；所述中空输入轴间隔套设有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承均通过轴承架与关节外壳连接。

8.根据权利要求1所述的机械臂关节，其特征在于：所述制动器包括制动器转子、具有线圈的制动器定子、平板、电枢，所述制动器定子、电枢、制动器转子和平板依次同轴设置，且所述定子上设有作用在所述电枢上的弹性件，所述平板与所述制动器定子的相对位置固定，所述制动器转子固定在所述中空输入轴上，并与所述中空输入轴同步转动，所述制动器定子固定在关节外壳上；

当断电状态时，所述弹性件推动电枢压紧所述制动器转子，使所述制动器转子停止转动；

当通电状态时，所述电枢压缩弹性件，使所述电枢远离所述制动器转子。

9.一种机械臂，其特征在于：包括如权利1-8任一项所述的机械臂关节。