本發(fā)明涉及機器人關節(jié)技術領域，具體涉及一種多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，尤其適用于服務型機器人的輕量化、多功能、低成本的設計與生產。

背景技術：

隨著現代社會的發(fā)展，人們的需求不斷增加，服務業(yè)的增長也越來越迅速，人員的需求量日益增長，但是我國的人口紅利正在逐漸消失，服務業(yè)的成本也在逐漸提升，引入服務型機器人就成為了一種必然的趨勢。但是傳統的服務型機器人成本較高，而且功能單一，結構冗余笨重，這些都在一定程度上限制了服務機器人的大規(guī)模應用。一體化服務機器人關節(jié)目前已經有一定的研究，經過檢索發(fā)現：

專利公開號為cn105313134a，名稱為“輕量型機械臂模塊化關節(jié)”的中國發(fā)明專利中，公開了一種輕量型機械臂模塊化關節(jié)，包括中空電機、減速器、高速電機軸承、模塊化關機輸出軸、編碼器。該發(fā)明在模塊化關節(jié)的基礎上進行了徹底的優(yōu)化和改進，具有質量輕、傳動精度高、體積小的優(yōu)點，而且對結構進行了簡化。但是系統仍然十分復雜，不夠輕量化。

專利公告號為cn105437255a，名稱為“一種中空走線的機電一體化關節(jié)”的中國實用新型專利中，公開了一種中空走線的機電一體化關節(jié)，包括力矩傳感器、中空電機定子、中空電機轉子、電磁抱閘、驅動控制器、電機支撐外殼、中空驅動軸、中空諧波減速器、大跨距軸承。此系統安裝了力矩傳感器，保證了一定的安全性，但是傳感器種類單一，不足以滿足日益增長的用戶需求。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發(fā)明所要解決的技術問題是，設計一種能夠高效穩(wěn)定運行的、接近于人體尺寸，單機傳動，多重智能傳感結合，便于服務行業(yè)應用及智能集成，具有多功能的輕量化服務機器人關節(jié)模塊。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現的。

一種多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，包括輸出端、中空直流無刷電機、法蘭2、中空諧波減速器1、霍爾式絕對定零度盤8、光電反射式相對編碼器7以及控制裝置12；其中：

所述中空諧波減速器1與輸出端相連接，并通過驅動輸出端帶動中空直流無刷電機轉動；

所述光電反射式相對編碼器7設置于中空直流無刷電機處，用于測量中空直流無刷電機的輸出轉速；

所述控制裝置與中空直流無刷電機相連接，用于控制中空直流無刷電機運轉；

所述法蘭2設置于中空諧波減速器1的輸入軸上，用于連接中空直流無刷電機與中空諧波減速器1；

所述霍爾式絕對定零度盤8設置于輸出端，用于對關節(jié)的零位進行確定。

優(yōu)選地，所述控制裝置12包括上層pcb板、下層pcb板、銅柱13、傳感器組件、控制器以及通訊組件，所述上層pcb板和下層pcb板之間通過銅柱13連接；所述傳感器組件、控制器以及通訊組件集成設置于上層pcb板和下層pcb板上。

優(yōu)選地，所述銅柱13垂直設置于上層pcb板和下層pcb板之間。

優(yōu)選地，所述傳感器組件包括如下任一個或任多個傳感器：

-溫度傳感器；

-濕度傳感器；

-電壓傳感器；

-電流傳感器；

-陀螺儀加速度計。

優(yōu)選地，所述控制器采用stm32f4xx系列控制芯片。

優(yōu)選地，所述通訊組件通過gthercat總線系統與其他關節(jié)模塊和/或上位機連接。

優(yōu)選地，所述中空直流無刷電機包括中空電機軸10、中空電機轉子4和中空電機定子3，所述中空電機轉子4套裝于中空電機軸10上并與法蘭2固定，所述中空電機定子3設置于中空電機軸10與中空電機轉子4之間；所述中空電機軸10作為中空走線管，與中心走線盤管共軸心。。

優(yōu)選地，所述中空諧波減速器1包括諧波減速器柔輪、諧波減速器鋼輪和諧波發(fā)生器，所述諧波減速器鋼輪和諧波發(fā)生器分別與諧波減速器柔輪相連接。

優(yōu)選地，還包括外殼組件；

所述外殼組件包括上外殼、下外殼和后蓋，所述上外殼和下外殼上下設置，所述后蓋設置于下外殼的底部；

所述控制裝置12設置于下外殼內；

所述中空直流無刷電機設置于上外殼內；

所述輸出端、中空諧波減速器1、霍爾式絕對定零度盤8分別設置于上外殼的外部；

所述光電反射式相對編碼器7設置于上外殼與中空直流無刷電機之間。

本發(fā)明提供的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，包括中空諧波減速器、法蘭、中空直流無刷電機定子、中空直流無刷電機轉子、上外殼、下外殼、光電反射式相對編碼器、霍爾式絕對定零度盤、中空走線管盤、中空電機軸(作為中空走線管)、后蓋、控制裝置：

中空電機，具有：中空電機轉子，中空電機定子以及中空電機軸；光電反射式相對編碼器，安裝在所述上外殼與中空直流無刷電機之間，用于檢測模塊化關節(jié)輸出軸的相對位置；霍爾式絕對定零度盤，設置于輸出端，用于確定關節(jié)的零位；中空電機轉子固定在法蘭上，中空電機定子與下外殼相連接。

本發(fā)明提供的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，減速器為諧波減速器，具有：諧波減速器柔輪，以及與該諧波減速器柔輪相連接的諧波減速器鋼輪和波發(fā)生器。

本發(fā)明提供的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，采用了兩種編碼器，所述霍爾式絕對定零度盤，采用霍爾傳感器對關節(jié)的零位進行確定，利用霍爾元件來進行關節(jié)零位的測量，厚度相較于傳統的絕對式光柵編碼器縮減了很多，并且價格大幅度下降，有利于工業(yè)生產中成本的控制；所述光電反射式相對編碼器，安裝在外殼與電機之間進行電機轉速的確定，避免了安裝在中空電機軸上所帶來的軸向長度的增加。

本發(fā)明提供的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，中空走線盤管與中空走線管共軸心，安裝在多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊輸出端。

本發(fā)明提供的的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，采用了多種傳感器來進行信息的采集，傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、陀螺儀加速度計來進行信息的采集。

本發(fā)明提供的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，主要的控制器采用意法公司的stm32f4xx系列控制芯片來對接受到的信息進行處理，該控制芯片采用ethercat通訊的方式來與上位機進行通訊。

本發(fā)明提供的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，關節(jié)模塊與關節(jié)模塊之間采用ethercat總線的方式來進行通信。

與現有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明的機構設計精巧實用，占用空間較小。目前本發(fā)明的直徑可以達到81mm，長度達到119.5mm，較傳統的一體化關節(jié)更為小巧，性能更加優(yōu)越。

2、本發(fā)明能夠實現較高的控制精度。本發(fā)明采用stm32作為控制器，并采用了自主研發(fā)控制裝置(電機驅動板)來對電機進行精確的控制，并且本發(fā)明通過光電反射式相對編碼器來進行位置的反饋，通過ethercat總線來進行信號的傳輸。

3、本發(fā)明具有很高的安全性和可靠性。本發(fā)明是專為服務型機器人而設計的，服務型機器人由于其使用條件的多樣，不同用戶經常會有不同的需求，本發(fā)明具有多種傳感器，可以獲得諸如：溫度、濕度、電壓、電流、加速度等多種信息，方便用戶根據使用條件進行調整。

4、本發(fā)明可以實現模塊化之間的快速銜接。本發(fā)明模塊與模塊之間的通訊方式為ethercat總線通訊方式，相比于傳統的can總線方式具有更大的帶寬，可以實現更加快速的通訊，同時，本發(fā)明優(yōu)化了接插件的結構，方便用戶進行關節(jié)間的連接，用戶只需要將對應的ethercat接頭和電源接頭接通即完成了模塊之間的硬件連接。

5、本發(fā)明可以實現關節(jié)的模塊化生產，實現了輕量化的設計，降低關節(jié)的重量，同時使得服務型機器人的機械臂不需要重新設計，只需要選擇合適的一體化關節(jié)進行拼裝，縮短了研發(fā)周期，進一步降低了成本，同時本發(fā)明具有多種傳感器，可以滿足不同用戶的不同需求。

6、本發(fā)明增加了對于結構進行了優(yōu)化，采用了中空走線的方式，在傳統關節(jié)的基礎上大幅度簡化了結構，使得本發(fā)明更加靈活，輕巧，除此之外，本系統還增加了多種傳感器，可以采集更多的信息，傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、陀螺儀加速度計。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊的外部結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊的剖面示意圖。

圖中：1為中空諧波減速器；2為法蘭；3為中空直流無刷電機定子；4為中空直流無刷電機轉子；5為外殼一；6為外殼二；7為光電反射式相對編碼器；8為霍爾式絕對定零度盤；9為中空走線管盤；10為中空電機軸；11為后蓋；12為控制裝置；13為銅螺柱。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

實施例

本實施例一種多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，包括輸出端、中空直流無刷電機、法蘭2、中空諧波減速器1、霍爾式絕對定零度盤8、光電反射式相對編碼器7以及控制裝置12；其中：

所述中空諧波減速器1與輸出端相連接，并通過驅動輸出端帶動中空直流無刷電機轉動；

所述光電反射式相對編碼器7設置于中空直流無刷電機處，用于測量中空直流無刷電機的輸出轉速；

所述控制裝置與中空直流無刷電機相連接，用于控制中空直流無刷電機運轉；

所述法蘭2設置于中空諧波減速器1的輸入軸上，用于連接中空直流無刷電機與中空諧波減速器1；

所述霍爾式絕對定零度盤8設置于輸出端，用于對關節(jié)的零位進行確定。

進一步地，所述控制裝置12包括上層pcb板、下層pcb板、銅柱13、傳感器組件、控制器以及通訊組件，所述上層pcb板和下層pcb板之間通過銅柱13連接；所述傳感器組件、控制器以及通訊組件集成設置于控制裝置12的上下兩層pcb板上。

進一步地，所述銅柱13垂直設置于上層pcb板和下層pcb板之間。

進一步地，所述傳感器組件包括如下任一個或任多個傳感器：

-溫度傳感器；

-濕度傳感器；

-電壓傳感器；

-電流傳感器；

-陀螺儀加速度計。

進一步地，所述控制器采用stm32f4xx系列控制芯片。

進一步地，所述通訊組件通過ethercat總線系統與其他關節(jié)模塊和/或上位機連接。

進一步地，所述中空直流無刷電機包括中空電機軸10、中空電機轉子4和中空電機定子3，所述中空電機轉子4套裝于中空電機軸10上并與法蘭2固定，所述中空電機定子3設置于中空電機軸10與中空電機轉子4之間；所述中空電機軸10作為中空走線管，與中心走線盤管共軸心。。

進一步地，所述中空諧波減速器1包括諧波減速器柔輪、諧波減速器鋼輪和諧波發(fā)生器，所述諧波減速器鋼輪和諧波發(fā)生器分別與諧波減速器柔輪相連接。

進一步地，還包括外殼組件；

所述外殼組件包括上外殼、下外殼和后蓋，所述上外殼和下外殼上下設置，所述后蓋設置于下外殼的底部；

所述控制裝置12設置于下外殼內；

所述中空直流無刷電機設置于上外殼內；

所述輸出端、中空諧波減速器1、霍爾式絕對定零度盤8分別設置于上外殼的外部；

所述光電反射式相對編碼器7設置于上外殼與中空直流無刷電機之間。

下面結合附圖對本實施例進一步描述。

如圖1所示，本實施例的結構主要包括轉矩傳感器(傳感器組件)、中空諧波減速器、法蘭、中空直流無刷電機定子、中空直流無刷電機轉子、上外殼、下外殼、光電反射式相對編碼器、霍爾式絕對定零度盤、中空走線管盤、中空電機軸(作為中空走線管)、后蓋、控制裝置、銅螺柱。

如圖2所示，控制部分包括主要狀態(tài)處理系統(控制器)和通訊系統。

主要狀態(tài)處理系統，負責對關節(jié)的狀態(tài)信息進行處理，并通過通訊系統與上位機和驅動系統進行通信，它的主要控制芯片為意法公司的stm32f4xx系列控制芯片，具體型號為stm32f407vg。

通訊系統，主要狀態(tài)處理系統與上位機進行通訊的方式為ethercat通訊方式，主要狀態(tài)處理系統從上位機獲得命令并經過處理后與驅動系統進行命令的發(fā)送和反饋，關節(jié)間的通訊也采用ethercat的方式，相比于傳統的can總線方式具有更大的帶寬，可以實現更加快速的通訊。

本實施例的控制過程為，當關節(jié)姿態(tài)調整的命令發(fā)出后，主要狀態(tài)處理系統可以迅速地做出運動規(guī)劃，并將命令發(fā)送給控制裝置，控制器通過逆變電路實現交流電和直流電的轉換，輸出六路pwm方波，并交替更換pwm的導通角，通過光電反射式相對編碼器和電流傳感器的反饋信息對多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊的位置、速度進行實時的檢測和控制，當關節(jié)的位置達到設定值時，立即終止系統。

本實施例所采用的保護措施，主要利用傳感器組件所反饋的信息，分別為力矩傳感器，電流傳感器以及霍爾式絕對定零度盤，主要原理為根據傳感器組件所反饋的信息綜合算出的沖擊里超過所設定的閥值時，則判定關節(jié)遇到了障礙物，此時立即停機，防止意外的發(fā)生。

本實施例的電流環(huán)設計，電機軸的輸出轉矩與電機定子的繞組電流成正比，根據kcl電流定理，只需要采集兩相的電流就可以知道三相的電流量，本實施例通過在電機的兩路電路中串聯上電流傳感器來實現對于電流值的采集，并通過ad數模轉換器將信息傳給主要狀態(tài)處理系統。

本實施例的速度和位置環(huán)設計，速度和位置環(huán)在電機的控制中具有非常重要的作用，其檢測的精確性直接影響到對電機的控制精度，本實施例采用一個光電反射式相對編碼器來實現電動機轉速，電動機轉向以及轉子相對于定子位置的檢測，本發(fā)明采用的光電反射式相對編碼器安裝在電機與外殼一之間，避免了安裝在中空電機軸上所帶來的軸向長度的增加，本發(fā)明所采用的霍爾式絕對定零度盤，利用霍爾元件來進行關節(jié)零位的測量，厚度相較于傳統的絕對式光柵編碼器縮減了很多，并且價格大幅度下降，有利于工業(yè)生產中成本的控制。

在本實施例中：

中空直流無刷電機，包括中空電機轉子4、中空電機軸10、中空電機定子3組成；

所述光電反射式相對編碼器7用于測量中空直流無刷電機的輸出轉速；

所述中空直流無刷電機通過中空諧波減速器1驅動輸出端轉動；

所述控制裝置12由上、下兩層pcb板通過銅螺柱13相連，用于控制所述中空直流無刷電機運轉。

所述的控制裝置12，包括多種傳感器，負責采集關節(jié)的狀態(tài)信息；

所述中空直流無刷電機為具有中空的電機軸的直流無刷帶霍爾電機。

采用了多種傳感器來進行信息的采集，傳感器主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、陀螺儀加速度計來進行信息的采集。

所述減速器為諧波減速器，具有：諧波減速器柔輪，以及與該諧波減速器柔輪相連接的諧波減速器鋼輪和波發(fā)生器。

采用了兩種編碼器，所述霍爾式絕對定零度盤，采用霍爾傳感器對關節(jié)的零位進行確定，所述光電反射式相對編碼器，安裝在外殼與電機之間進行電機轉速的確定。

主要狀態(tài)處理系統，其控制器采用意法公司的stm32f4xx系列控制芯片來對接受到的信息進行處理。

通訊系統(通訊部件)，其單片機與上位機的通訊方式為ethercat通訊系統。

本實施例提供的一種多功能輕量化服務機器人關節(jié)模塊，適用于服務機器人機械臂的快速制造。包括了輸出端、諧波減速器、法蘭、中空直流無刷電機、中空走線管盤、霍爾式絕對定零度盤、光電反射式相對編碼器以及控制裝置；控制裝置包括stm32控制板，直流無刷電機驅動板，ethercat通訊模塊以及多種傳感器；所述中空直流無刷電機通過中空諧波減速器驅動所述輸出端轉動；所述光電反射式相對編碼器用于測量中空直流無刷電機的輸出轉速；所述控制裝置用于控制中空直流無刷電機運轉。本發(fā)明機構尺寸接近于人體尺寸，采用單機傳動，結構緊湊，并且具有多重智能傳感器結合，便于服務行業(yè)應用及智能集成，解決了現有一體化關節(jié)體積大，重量沉，安全保護功能欠佳等問題。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。