CN111237399A

CN111237399A - 一种输出高精度位置信息的伺服舵机

Info

Publication number: CN111237399A
Application number: CN202010181945.3A
Authority: CN
Inventors: 赵同阳
Original assignee: Shenzhen Zhiqin New Technology Co ltd
Current assignee: Guangdong Pengxing intelligent Co.,Ltd.
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-06-05

Abstract

本发明涉及智能机器人领域，尤指一种输出高精度位置信息的伺服舵机，本发明包含有相互对应的霍尔板和反馈磁铁组成的第二角度传感器，第一角度传感器由相互对应的霍尔传感器与第一霍尔磁铁组成，解决了采用双霍尔传感器无法同时检测法兰盘角度和电机角度检测的问题；第二角度传感器仅为相互对应的霍尔板和反馈磁铁组成，其体积厚度要比传统的光栅盘结构要少，因此，通过第二角度传感器代替了光栅盘解决了背景技术中采用光栅盘导致产品加工困难的问题。

Description

一种输出高精度位置信息的伺服舵机

技术领域

本发明涉及智能机器人领域，尤指一种输出高精度位置信息的伺服舵机。

背景技术

在关节型机器人设计中，一体化舵机关节模组是核心技术，其中谐波减速机和行星减速机为较为常用的两种减速机构，为保证高速高精度输出，动力单元常采用无刷伺服电机，在注重成本的应用中，行星减速机具有不可替代的优势，在和小减速比行星搭配中，盘式外转子伺服电机因其输出力矩大，惯量小。单级行星减速机构和盘式外转子电机组合成为低成本舵机的一种优势组合。

大扭矩伺服电机按照电机轴向中心与减速机轴向中心的位置可分为同心式如图1所示和偏置式如图2设计；

电机高速经过单级行星减速机构减速后，得到期望的低速大扭矩输出，在关节型或者对位置精度要求较高的使用场合，在高精度伺服电机控制中，至少需要两个角度检测电路和结构设计，一个用于做电机转动控制中反馈电机定子与转子的相对位置，另一个用于做减速后机械角度输出检测用，反馈输出法兰盘相对于外壳或客户静止坐标的旋转角度。

现有的角度传感器件一般采用成熟的霍尔电路如图8所示或者光栅盘电路如图9所示，盘式外转子电机加单级行星减速机构如图9所示，从图9可以得出，盘式外转子电机上的电机轴与行星减速结构的输出端位于同一中轴线上，根据现有的霍尔传感器(霍尔传感器的主控电路是霍尔电路，这种霍尔传感器与霍尔磁铁是对应配套)的采集端需要与霍尔磁铁上的中轴线重合，并且的采集端需要和霍尔磁铁均不能空心，因此，采用两个霍尔传感器在盘式外转子电机与行星减速机构的同心结构下无法轻易对电机角度和减速后机械角度的进行实时测量，因此现有此种结构设计普遍放弃对减速后机械角度检的测量，只保留对电机角度的检测，这样是不能得到法兰盘的真实角度位置输出。

根据此类型结构特征的限制，传统的设计方法无法解决在兼顾成本的情况下对舵机的厚度进行削减，更不能解决在环境恶劣的情况下同时解读电机角度信息和法兰盘的真实角度信息。霍尔传感器优点是厚度薄，占空间小，安装结构简单，但是，霍尔传感器与霍尔磁铁同心结构且不空心。

光栅编码盘的特点为精度高、中部空心、读头厚，缺点为无法做薄、易碎，并且脏污后容易失效；在盘式外转子伺服电机与单级行星减速机构同心一体机构设计中，空间和结构特点是不允许的，传统的组合方式是将光栅空心机构做电机旋转检测，将目标用刚体引入后端，穿过光栅编码盘中空结构，直达输出端，做减速机目标位置检测。在行星结构设计中中间太阳轮机构体积较少，为将末端低速位置信息传递给线路板，需将将太阳轮进行穿孔设计，加工安装难度大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种输出高精度位置信息的伺服舵机，旨在解决背景技术中采用光栅盘导致产品的加工难度大以及采用双霍尔传感器无法轻易同时检测法兰盘角度和电机角度的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种输出高精度位置信息的伺服舵机，包含有第一角度传感器、行星减速机、法兰盘，所述第一角度传感器包含有相互对应的霍尔传感器与第一霍尔磁铁，所述行星减速机包含有：

减速齿轮组，其输出端与法兰盘连接；

支架，其内部设有相互对应的转子和定子，转子与减速齿轮组的输入齿轮连接，第一霍尔磁铁设置在转子上；

第二角度传感器，第二角度传感器包含有相互对应的霍尔板和反馈磁铁，所述反馈磁铁设置在法兰盘。

进一步地，还包括有交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承镶嵌在外壳内并承载法兰盘。

进一步地，还包括有导磁环，所述导磁环设置在支架内并包裹转子和定子。

进一步地，还包括有导体柱，所述行星减速机还包含有电机驱动板以及与电机驱动板控制连接的驱动CPU，所述第二角度传感器包含有霍尔板驱动板和与霍尔驱动板控制连接的霍尔板CPU，所述电机驱动板通过导体柱与霍尔板驱动板电连接，且电机驱动板与霍尔板驱动板之间具有间隙。

进一步地，所述电机驱动板包含有驱动电路、控制终端以及断电电路，所述控制终端的控制端与驱动电路、断电电路的输入端控制连接，断电电路的控制电路与驱动电路的输入端连接。

进一步地，所述减速齿轮组包含有行星架以及设置在行星架内的太阳轮、内齿圈、行星轮，行星架，太阳轮与转子同轴连接，太阳轮与行星轮啮合，行星轮与内齿圈啮合，行星轮上具有与法兰盘连接的行星轴。

进一步地，还包括有轴承压紧盖以及内部具有容纳空间的驱动壳体，所述第一角度传感器、行星减速机、法兰盘、交叉滚子轴承均设置在驱动壳体内，驱动壳体与法兰盘相邻的端部为开口，所述开口向外延伸有侧面具有母螺纹的连接部，轴承压紧盖的内端设有公螺纹，所述轴承压紧盖与所述连接部螺纹连接。

进一步地，所述驱动壳体内设有与内齿圈相对应的基座，所述基座的侧面向内齿圈的中心轴方向延伸的抵接部，所述内齿圈与抵接部相抵。

进一步地，所述抵接部与内齿圈相邻的侧面具有缝隙，所述缝隙填充粘合剂。

进一步地，还包括有适配件，所述适配件设置在霍尔板驱动板与电机驱动板之间。

本发明的有益效果在于：

1.本发明包含有相互对应的霍尔板和反馈磁铁组成的第二角度传感器，第一角度传感器由相互对应的霍尔传感器与第一霍尔磁铁组成，解决了采用双霍尔传感器无法同时检测法兰盘角度和电机角度检测的问题。

2.第二角度传感器仅为相互对应的霍尔板和反馈磁铁组成，其体积厚度要比传统的光栅盘结构要少，因此，通过第二角度传感器代替了光栅盘解决了背景技术中采用光栅盘导致产品加工困难的问题。

附图说明

图1是本发明的剖视图。

图2是本发明的B处放大示意图。

图3是本发明的A处放大示意图。

图4是本发明的***图。

图5是本发明另一视面的***图。

图6是本发明的另一具体实施例图。

图7是图6的C处放大示意图。

图8是现有技术中霍尔传感器与霍尔磁铁的位置关系图；

图9是现有技术中的光栅盘结构图。

附图标号说明：1-定子支架；2-抵接部；3-导磁环；4-定子；5-驱动板保护盖；6-电机驱动板；7-轴承压紧盖；8-适配件；9-霍尔板；10-太阳轮；11-转子；12-轴承；13行星架；14-法兰盘；15-行星轮；16-连接部；17-行星轴；18-交叉滚子轴承；21-内齿圈；22-第一霍尔磁铁；23-霍尔传感器；24-线性霍尔元件；25-反馈磁铁；26-导体柱；27-缺口；28-霍尔板驱动板；29-转子支架。30-缝隙；

具体实施方式

请参阅图1-5所示，本发明关于一种输出高精度位置信息的伺服舵机，包含有第一角度传感器、行星减速机、法兰盘14，所述第一角度传感器包含有相互对应的霍尔传感器23与第一霍尔磁铁22，所述行星减速机包含有：

减速齿轮组，其输出端与法兰盘14连接；

支架，其内部设有相互对应的转子11和定子4，转子11与减速齿轮组的输入齿轮连接，第一霍尔磁铁22设置在转子11上；

第二角度传感器，第二角度传感器包含有相互对应的霍尔板9和反馈磁铁25，所述反馈磁铁25设置在法兰盘14上。

本发明的使用原理如下：

在本体实施例中，所述反馈磁铁25为弧形，霍尔板9为环形状，同时，霍尔板9上设有若干个呈环形分布的线性霍尔元件24，在实际使用过程中，定子4带动转子11旋转从而驱动减速齿轮组使法兰盘14转动，那么，反馈磁铁25会在法兰盘14上转动而改变霍尔板9获取到的磁感强度分量以及磁场强度大小，即反馈磁铁25上的磁场强度直接映射在霍尔板9上，反馈磁铁25上的磁场强度会被霍尔板9上的霍尔元件上检测到；

可以理解为，通过霍尔板9获得减速后的角度数据，通过霍尔传感器23获得转子11的电机角度数据，因此联合两数据可以精确法兰盘14上的绝对位置信息。

需要说明的是，霍尔板9上的线性霍尔元件24与反馈磁铁25位于同一中轴线上，那么，在转动过程中，反馈磁铁25上的中轴线会与霍尔板9上全部的线性霍尔元件24的中轴线重合，在本具体实施例中，线性霍尔元件24设有6个，可以理解为，通过6个线性霍尔元件25可以分为6个区域，减速齿轮组具有6倍减速比，那么，霍尔板9为环形状，因此，可以理解为，反馈磁铁25每转动60°就进入到另一个区域上，即转子11转动一圈，则法兰盘14转动一周，并且上述6个区域上标明有0-60°的示数值，因此，通过线性霍尔元件24可以判断当前反馈磁铁25处于哪个象限，进而配合第一角度传感器组合处一个精准的角度。

在本具体实施例中，所述支架包含有转子支架29与定子支架1，转子11设置在转子支架29的外周，定子4以环形分布的形式固定在定子支架1的内面，第一霍尔磁铁22固定在转子支架29上，法兰盘9位于转子支架29下，霍尔板9位于转子支架29的上方，那么，可以肯定的是，转子支架29位于法兰盘14与霍尔板9之间，因此，转子支架29不会影响霍尔板9对反馈磁铁25上磁力的采集。

需要进一步说明的是，

霍尔板9具有厚度薄、内部中空的优点，并且具有过限制位后的保护功能。

进一步地，还包括有交叉滚子轴承18，所述交叉滚子轴承18镶嵌在外壳内并承载法兰盘14；采用上述方案，交叉滚子轴承18做轴向、径向冲击力矩的承接，刚性高、紧密及高转速下仍能确保精确。

进一步地，还包括有导磁环3，所述导磁环3设置在支架内并包裹转子11和定子4；导磁环3、转子11、定子4、转子支架29、定子支架1组成了无刷永磁电机结构，无刷永磁电机具有输出力矩大、惯量小以及低成本的优势，而行星减速机也具有低成本的优势，那么无刷永磁电机与行星减速机的组合成为低成本舵机的优势组合。

进一步地，还包括有导体柱26，所述行星减速机还包含有电机驱动板6以及与电机驱动板控制连接的驱动CPU，所述第二角度传感器包含有霍尔板驱动板28和与霍尔驱动板控制连接的霍尔板CPU，所述电机驱动板6通过导体柱26与霍尔板驱动板28电连接，且电机驱动板6与霍尔板驱动板28之间具有间隙。

在本具体实施例中，导磁环3、转子11、定子4、转子支架29、定子支架1组成三相无刷永磁电机结构，霍尔传感器23的输出端与霍尔板CPU连接，那么霍尔板CPU将霍尔传感器23采集到的数据输出至驱动CPU上，那么，第一角度传感器上的霍尔传感器23与第一霍尔磁铁22组成增量式位置信号产生电路，即输出定子4与转子11位置相关的A、B、Z三种增量信号到驱动CPU上，因此，驱动CPU根据霍尔传感器23提供的增量脉冲信号通过电机驱动板6驱使电机快速响应；

电机驱动板6可以通过总线直接与霍尔传感器23连接，因此，电机驱动板6可以获得霍尔传感器23上的位置信息。

磁场变化信息传递到环形霍尔板9上，造成霍尔板9上的磁场分布转移一个60度象限，并被霍尔板CPU所侦测到。

进一步地，所述电机驱动板6包含有驱动电路、控制终端以及断电电路，所述控制终端的控制端与驱动电路、断电电路的输入端控制连接，断电电路的控制电路与驱动电路的输入端连接；在本具体实施例中，还具有对外用户命令的物理接口，所述物理接口通过CAN总线与控制终端连接，那么可以在控制终端上预设电机角度的范围值，避免调整参数过程中出现参数调整错误导致硬件过渡使用而损坏的现象，可以理解为，当用户调整参数时使电机角度超出参数预设的范围值，那么超出预设范围值的参数信息会被霍尔驱动板28上的霍尔板CPU检测到，那么断电电路直接断开电路，直接造成电路开路，因为，参数调整会涉及到各个机械部件之间的配对性，因此，其中一个参数出现异常，会使机械部件收到硬性破坏。

在本具体实施例中，电机驱动板6采用FOC矢量驱动控制方案设计，因此，可以提高对转子11与定子4两者之间的相对位置关系。

驱动电路、控制终端、断电电路均为现有技术，即上述技术特征均属于本领域人员的公知常识，因此，说明书中不再阐述其具体型号及其结构。

进一步地，所述减速齿轮组包含有行星架13以及设置在行星架13内的太阳轮10、内齿圈21、行星轮15，行星架13，太阳轮10与转子11同轴连接，太阳轮10与行星轮15啮合，行星轮15与内齿圈21啮合，行星轮15上具有与法兰盘14连接的行星轴17；在本具体实施例中，行星轮15设有三个，那么太阳轮10带动行星轮15转动，使行星轮15绕太阳轮10公转，同时，为了实现减速的目的，那么行星轮15上的径向长度比太阳轮10上的径向长度要短，三个行星轮15经降速后其力矩通过行星轴17输出到法兰盘14上。

需要说明的是，法兰盘14是与行星轴17刚性连接且两者同步转动；

进一步地，还包括有轴承压紧盖7以及内部具有容纳空间的驱动壳体，所述第一角度传感器、行星减速机、法兰盘14、交叉滚子轴承18均设置在驱动壳体内，驱动壳体与法兰盘14相邻的端部为开口，所述开口向外延伸有侧面具有母螺纹的连接部16，轴承压紧盖7的内端设有公螺纹，所述轴承压紧盖7与所述连接部16螺纹连接；那么，上述特征所产生的效果为可以使法兰盘14快速拆卸与安装，即通过连接部16与轴承压紧盖7对交叉滚子轴承18进行限位。

进一步地，所述驱动壳体内设有与内齿圈21相对应的基座，所述基座的侧面向内齿圈21的中心轴方向延伸的抵接部2，所述内齿圈21与抵接部2相抵；使内齿圈21与抵接部2无缝隙紧配合，用来保证抵接部2与内齿圈21之间的装配精度，并且保证了内齿圈21与驱动壳体的同心度。

进一步地，所述抵接部与内齿圈相邻的侧面具有缝隙30，所述缝隙30填充粘合剂；这样设计，通过粘合剂可以提高抵接部2与内齿圈21之间的装配强度。

在本具体实施例中，所述缝隙30的长度可以根据实际需求而制作其长度。

进一步地，所述抵接部2与内齿圈21相邻的侧面具有缺口27；这样设计，可以使内齿圈21快速进入到基座中并与抵接部2紧密配合。

进一步地，还包括有适配件8，所述适配件8设置在霍尔板驱动板28与电机驱动板6之间；所述适配件8是为了用于固定霍尔板驱动板28与电机驱动板6。

在本具体实施例中，所述适配件8为绝缘材料制作，优先选择塑胶材料。

在本具体实施例中，还包括有驱动板保护盖5，定子支架1的表面为开面，所述电机驱动板6、霍尔板驱动板28设置在开面内，驱动板保护盖5设在开面上。

在本具体实施例中，定子支架1内设有轴承12，所述转轴12与定子支架1的内壁相抵。

参阅图6-7所示，在另一具体实施例中，驱动壳体的内壁设有母螺纹，轴承压紧盖7的外周设有公螺纹，所述轴承压紧盖7通过螺纹的方式固定在驱动壳体内，法兰盘14、交叉滚子轴承18均设置在行星架13下方，行星架13通过螺丝与轴承压紧盖7固定使法兰盘14与交叉滚子轴承18紧密贴合。

以上实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种输出高精度位置信息的伺服舵机，包含有第一角度传感器、行星减速机、法兰盘，所述第一角度传感器包含有相互对应的霍尔传感器与第一霍尔磁铁，其特征在于，所述行星减速机包含有：

减速齿轮组，其输出端与法兰盘连接；

2.根据权利要求1所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：还包括有交叉滚子轴承，所述交叉滚子轴承镶嵌在外壳内并承载法兰盘。

3.根据权利要求1所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：还包括有导磁环，所述导磁环设置在支架内并包裹转子和定子。

4.根据权利要求2所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：还包括有导体柱，所述行星减速机还包含有电机驱动板以及与电机驱动板控制连接的驱动CPU，所述第二角度传感器包含有霍尔板驱动板和与霍尔驱动板控制连接的霍尔板CPU，所述电机驱动板通过导体柱与霍尔板驱动板电连接，且电机驱动板与霍尔板驱动板之间具有间隙。

5.根据权利要求4所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：所述电机驱动板包含有驱动电路、控制终端以及断电电路，所述控制终端的控制端与驱动电路、断电电路的输入端控制连接，断电电路的控制电路与驱动电路的输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：所述减速齿轮组包含有行星架以及设置在行星架内的太阳轮、内齿圈、行星轮，行星架，太阳轮与转子同轴连接，太阳轮与行星轮啮合，行星轮与内齿圈啮合，行星轮上具有与法兰盘连接的行星轴。

7.根据权利要求6所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：还包括有轴承压紧盖以及内部具有容纳空间的驱动壳体，所述第一角度传感器、行星减速机、法兰盘、交叉滚子轴承均设置在驱动壳体内，驱动壳体与法兰盘相邻的端部为开口，所述开口向外延伸有侧面具有母螺纹的连接部，轴承压紧盖的内端设有公螺纹，所述轴承压紧盖与所述连接部螺纹连接。

8.根据权利要求7所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：所述驱动壳体内设有与内齿圈相对应的基座，所述基座的侧面向内齿圈的中心轴方向延伸的抵接部，所述内齿圈与抵接部相抵。

9.根据权利要求8所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：所述抵接部与内齿圈相邻的侧面具有缝隙，所述缝隙填充粘合剂。

10.根据权利要求4所述的一种输出高精度位置信息的伺服舵机，其特征在于：还包括有适配件，所述适配件设置在霍尔板驱动板与电机驱动板之间。