一种用于仿人机械臂的驱动电路板的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种用于仿人机械臂的驱动电路板。

背景技术：

现有的工业机器人的机械臂由多个互成直角的关节组成。该种结构的机械臂对外形并没有严格的限制，进而现有的机械臂对其驱动电路的尺寸和形状，也并没有严格的限制，可以做的很大，常常放置于一设备箱中。在设备箱中，从各个关节的驱动器中引出驱动线和各种反馈线，分别连接到机械臂的各个关节电机。

而在机器人设计领域中，随着设计水平的提高以及工业技术的进步，仿人机械已经成为越来越重要的发展方向，并且，因为仿人机械的动作能够接近于人的肢体动作，因此，仿人机械能够适用于人工工作条件，再加上能够设计出精密控制的机电控制电路，仿人机械的设计和制造已经成为机器人设计领域中的一个重要方向。

由于仿人机械的结构与传统工业机器人具有显著的差异，其对机械结构和控制电路的要求相比于传统工业机器人更加精密，传统工业机器人的设计已经不能满足仿人机械的设计。

例如，对于仿人机械臂的设计来说，由于仿人机械臂中各个关节需要模仿人的手臂而进行设计，这样，对于仿人机械臂的形状、大小提出了严格的限制，并且，由于人的手臂具有多种转动自由度，这样便要求仿人机械臂中控制电路能够满足这种转动自由度的要求，避免仿人机械臂在完成各种转动的过程中，电路走线不能与仿人机械臂产生缠绕。因此，针对仿人机械臂，需要依据其形态和运动自由度而重新设计相应的驱动电路。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种用于仿人机械臂的电机驱动电路板，以融合与仿人机械臂的整体设计之中，适应仿人机械臂的各种自由度的运动，同时配合控制线路的合理布置，避免线路扭曲、缠绕。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种用于仿人机械臂的驱动电路板；

所述驱动电路板位于所述仿人机械臂中的转臂关节；

所述驱动电路板包括转臂关节驱动电路和抬臂关节驱动电路；其中，

所述转臂关节驱动电路电连接于所述转臂关节，以控制所述转臂关节的转动；

所述抬臂关节驱动电路电连接于与所述转臂关节相邻的抬臂关节，以控制所述抬臂关节的转动。

进一步，所述转臂关节具有电路板安装端面；

当所述仿人机械臂处于伸展状态时，所述电路板安装端面正对于与所述转臂关节相邻的抬臂关节，并且所述电路板安装端面与所述抬臂关节之间具有一容纳空间；

所述驱动电路板安装于所述电路板安装端面，且位于所述容纳空间中。

进一步，所述电路板安装端面安装有滑槽；

所述驱动电路板通过所述滑槽安装于所述电路板安装端面。

进一步，所述驱动电路板安装有散热器；

当所述驱动电路板安装于所述电路板安装端面时，所述散热器紧压所述电路板安装端面，以将所述驱动电路板的热量传递至所述电路板安装端面，进而通过所述转臂关节散热。

进一步，所述驱动电路板设有转臂关节驱动电路连接器和抬臂关节驱动电路连接器；

所述转臂关节驱动电路通过所述转臂关节驱动电路连接器，电连接于所述转臂关节；

所述抬臂关节驱动电路通过所述抬臂关节驱动电路连接器，电连接于所述抬臂关节。

进一步，所述驱动电路板具有相对而设的第一侧边和第二侧边，所述第一侧边和第二侧边相互平行且呈直线状；

所述驱动电路板还具有相对而设的第三侧边和第四侧边，所述第三侧边和第四侧边均呈外凸的拱形；

所述驱动电路板通过所述第一侧边和第二侧边插接于所述滑槽。

进一步，所述仿人机械臂包括沿着所述仿人机械臂的轴线的方向交错排列的转臂关节和抬臂关节；其中，

所述转臂关节包括第一减速器端和第一电机端；

所述抬臂关节包括第二减速器端和第二电机端；其中，

所述第一减速器端和第一电机端以垂直于所述轴线方向的第一端面为第一对接面相互轴接，所述第一减速器端的中心轴和第一电机端的中心轴与所述轴线重合，以在转臂关节驱动电路的驱动下、在第一对接面内围绕其中心轴产生相对转动；

所述第二减速器端和第二电机端以沿所述轴线方向延伸的第二端面为第二对接面相互轴接，所述第二减速器端的中心轴和第二电机端的中心轴均与所述轴线的方向垂直，以在所述抬臂关节驱动电路的驱动下、在第二对接面内围绕垂直于所述轴线方向的中心轴产生相对转动；

每个第一减速器端和与其相邻的第二减速器端固定连接，每个第一电机端和与其相邻的第二电机端固定连接。

进一步，所述电路板安装端面位于所述第一电机端。

进一步，当所述仿人机械臂处于伸展状态时：

所述仿人机械臂的轴线呈直线状；

所述仿人机械臂中所有的转臂关节中的第一减速器端的中心轴和第一电机端的中心轴均与所述轴线重合；

所述仿人机械臂中所有的抬臂关节中的第二减速器端的中心轴和第二电机端的中心轴均与所述轴线垂直。

进一步，每一级转臂关节均安装一个所述驱动电路板。

从上述方案可以看出，本发明的用于仿人机械臂的驱动电路板，根据仿人机械臂的形状而布置于转臂关节正对于相邻的抬臂关节的电路板安装端面，当仿人机械臂处于伸展状态时，驱动电路板恰好布置于相邻的转臂关节和抬臂关节之间，这种结构节省了驱动电路板的安装空间，使得转臂关节和抬臂关节的长度可以大大缩短，进而增加仿人机械臂的整体灵活性。进一步地，因为，驱动电路板同时紧邻转臂关节和抬臂关节，从而有利于驱动电路板向转臂关节和抬臂关节连线的布置。本发明实施例中，驱动电路板采用滑槽的方式安装固定，并通过连接器与其它部分进行电气连接，从而易于安装和调试。驱动电路板采用高速实时总线ethercat来传输控制信号，具有实时响应快、成本低等优点。

仿人机械臂要求各个关节电机驱动电路的体积小、重量轻、效率高。驱动电路板不仅要对电机提供伺服驱动，而且要接受来自电机的霍尔反馈和旋转编码器的位置反馈，同时要能够提供制动保护等功能。因此，本发明实施例能够将驱动电路的体积设计的很小并隐藏于仿人机械臂的各个关节中，使得机械臂的外形与大小与普通人的胳膊类似。

附图说明

图1为本发明实施例中仿人机械臂的局部设计结构图；

图2为本发明的驱动电路板实施例结构图；

图3为本发明的驱动电路板实施例原理图；

图4为本发明实施例中的制动器的驱动电路图；

图5为本发明的驱动电路板实施例所适用的仿人机械臂的整体结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为本发明中仿人机械臂的局部设计结构图。参见图1所示，本发明实施例中，用于仿人机械臂的驱动电路板41结合于仿人机械臂的整体结构进行设计。其中，驱动电路板41位于所述仿人机械臂中的转臂关节10。如图2所示，为本发明的驱动电路板实施例理结构图。其中，所述驱动电路板包括转臂关节驱动电路411和抬臂关节驱动电路412。其中，所述转臂关节驱动电路411电连接于所述转臂关节10，以控制所述转臂关节10的转动。所述抬臂关节驱动电路412电连接于与所述转臂关节10相邻的抬臂关节20，以控制所述抬臂关节20的转动。

如图1所示，所述转臂关节10具有电路板安装端面，当所述仿人机械臂处于伸展状态时，所述电路板安装端面正对于与所述转臂关节10相邻的抬臂关节20，并且所述电路板安装端面与所述抬臂关节之间具有一容纳空间。所述驱动电路板41安装于所述电路板安装端面，且位于所述容纳空间中。

为了便于驱动电路板41的安装和测试，所述电路板安装端面安装有滑槽，所述驱动电路板41通过所述滑槽安装于所述电路板安装端面。同时，为了有利于所述驱动电路板41的散热，所述驱动电路板安装有散热器，所述散热器固定在转臂关节驱动电路411和抬臂关节驱动电路412上，当所述驱动电路板41安装于所述电路板安装端面时，所述散热器紧压所述电路板安装端面，以将所述驱动电路板41的热量传递至所述电路板安装端面，进而通过所述转臂关节10散热。

另外，为了便于与转臂关节和抬臂关节的连接和拆装，本发明实施例中，所述驱动电路板设有转臂关节驱动电路连接器和抬臂关节驱动电路连接器。所述转臂关节驱动电路411通过所述转臂关节驱动电路连接器电连接于所述转臂关节10，所述抬臂关节驱动电路412通过所述抬臂关节驱动电路连接器电连接于所述抬臂关节20。

继续参见图2所示，为了匹配电路板安装端面的滑槽，便于驱动电路板41的安装，所述驱动电路板41具有相对而设的第一侧边413和第二侧边414，所述第一侧边413和第二侧边414相互平行且呈直线状，进而，所述驱动电路板41可通过所述第一侧边413和第二侧边414插接于所述滑槽。同时，为了匹配仿人机械臂的外形，使得驱动电路板41端部不至于探出仿人机械臂外侧，以保持仿人机械臂的整体美观，所述驱动电路板还具有相对而设的第三侧边415和第四侧边416，所述第三侧边415和第四侧边416均呈外凸的拱形，外凸的拱形设计一方面便于对驱动电路板41在滑槽中进行插拔时的握持，另一方面也与仿人机械臂外弧形表面相似，能够使得驱动电路板41端部不至于探出仿人机械臂外侧，还能保持仿人机械臂的整体美观。

本发明的驱动电路板实施例，其原理如图3所示，驱动电路板上安装两个插卡型电机驱动器，转臂关节驱动电路411主要由转臂电机驱动器及其配套附属电路构成，抬臂关节驱动电路412主要由抬臂电机驱动器及其配套附属电路构成，进而分别驱动抬臂关节和转臂关节的电机。直流48v为驱动器提供动力电源，直流24v为驱动器提供逻辑控制电源。关节端绝对值编码器和电机端相对值编码器以及电机的霍尔传感器反馈回来的电机和关节的位置信号通过各自的连接器输入到相应的电机驱动器，电机驱动器输出三相电机动力电流给电机。

为了使机械臂在没有供电的情况下保持断电前的状态，还需要用制动器来阻止电机在断电时旋转。电机在通电时，制动器松开，电机按驱动器的要求旋转。由于制动器需要的电流较大，而制动控制信号为ttl电平，因此采用如图4所示的电路来驱动制动器。其中，u8为光电耦合的mosfet继电器(常开型)，继电器最大输出电流为1a，耐压60v。光耦的发光二极管的驱动电流为5～10ma。为防止制动器线圈在断电瞬间产生的浪涌电压电压击穿mosfet继电器，采用双向瞬态电压抑制(transientvoltagesuppress，tvs)二极管d10来吸收瞬时高压。作为一个具体实施例，该tvs二极管d10的型号为smf30ca，在mosfet继电器引脚3、4两端电压大于33.3v时能够瞬间导通，从而吸收制动器线圈产生的浪涌电压。

图5示出了本发明驱动电路板实施例所适用的仿人机械臂的整体结构。同时参见图1和图5所示。所述仿人机械臂包括沿着所述仿人机械臂的轴线30的方向交错排列的转臂关节10和抬臂关节20。

每个所述转臂关节10包括第一减速器端12和第一电机端14。其中，所述第一减速器端12具有沿轴线30方向延伸的中心轴122、以及垂直于该中心轴122的第一端面124，所述第一电机端14具有沿轴线30方向延伸的中心轴142、以及垂直于该中心轴142的第一端面144；所述第一减速器端12和第一电机端14以垂直于所述轴线30方向的第一端面124和144为第一对接面16相互轴接，所述第一减速器端12的中心轴122和第一电机端14的中心轴142与所述轴线30重合，以在转臂关节驱动电路411的驱动下、在第一对接面16内围绕其中心轴122、124产生相对转动。

每个所述抬臂关节20包括第二减速器端22和第二电机端24。其中，所述第二减速器端22具有沿轴线30方向延伸的第二端面224、以及垂直于第二端面224的中心轴222，所述第二电机端24具有沿轴线30方向延伸的第二端面244、以及垂直于第二端面244的中心轴242。所述第二减速器端22和第二电机端24以沿所述轴线30方向延伸的第二端面224和244为第二对接面26相互轴接，所述第二减速器端22的中心轴222和第二电机端24的中心轴242均与所述轴线30的方向垂直，以在所述抬臂关节驱动电路412的驱动下、在第二对接面26内围绕垂直于所述轴线30方向的中心轴222、242产生相对转动。

每个第一减速器端12和与其相邻的第二减速器端22固定连接，每个第一电机端14和与其相邻的第二电机端24固定连接，以使固定连接的两个部件在其中一个部件产生转动时带动另一部件与之一起转动。具体地，如图5所示，在任意一个转臂关节10中，其第一减速器端12和与其相邻的一个抬臂关节20的第二减速器端22相邻，而和与其相邻的另一个抬臂关节20的第二减速器端22之间由该转臂关节10的第一电机端14隔开，因此，该转臂关节10的第一减速器端12和与其相邻的第二减速器端22固定连接。类似地，在该转臂关节10中，其第一电机端14和与其相邻的一个抬臂关节20的第二电机端24之间由该转臂关节10的第一减速器端12隔开，则其和与其相邻的一个第二电机端24固定连接。

在本实施例中，每个转臂关节10可以仿人机械臂的轴线30为中心进行转动，具有360°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的扭转动作。而与其相邻的抬臂关节20则以垂直于轴线30的方向为中心进行转动，具有360°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的抬举动作。进一步地，相邻的转臂关节10和抬臂关节20必然通过电机端或者减速器端固定连接，从而将相互垂直或者正交的两个方向的转动进行组合，从而在三维立体空间内实现多角度、位置的组合，以满足仿人机械臂能够停留在任一方向和角度的要求。而其中的驱动电路板41无论仿人机械臂如何转动，均不妨碍转臂关节和抬臂关节的转动，并且，驱动电路板41位于转臂关节面向抬臂关节的端面上，因此，对于转臂关节和抬臂关节而言，不必像现有机械臂那样，为了迎合驱动电路板41的大小而设计的过长。进而，一方面美化了仿人机械臂的外观，另一方面因为转臂关节和抬臂关节不必设计过长而对于转动、位置的控制更加精细，可移动的覆盖区域范围更大。

图5所示实施例中，通过一个转臂关节10和一个抬臂关节20的组合即可实现几乎四个自由度内全角度、位置的覆盖，优选地，本实施例中的仿人机械臂中转臂关节10和抬臂关节20的总数至少为七个，通过两两相接的转臂关节10和抬臂关节20的多组组合，以满足三维立体空间内六自由度移动的要求，提高机械臂的操作精度。其中，所述电路板安装端面位于转臂关节10的第一电机端12，每一级转臂关节10均安装一个所述驱动电路板41，即每个转臂关节10的第一电机端14均设置一块驱动电路板41，驱动电路板41设置在该转臂关节10的第一电机端14上。相邻的两个关节的第一电机端14和第二电机端24固定连接在一起，因此其之间不存在相对运动，当在驱动电路板41设置在第一电机端14上时，该驱动电路板41与第一电机端14和第二电机端24之间的连线(例如，电机动力线、编码线等)可在第一电机端14和第二电机端24的内部进行，例如通过固定的线槽实现。同时，驱动电路板41与第一减速器12和第二减速器22之间的连线非常少，大多仅为传感器连线一种，因此，驱动电路板41设置在该转臂关节10的第一电机端14上能够简化关节之间的连线结构和布线布局。

图5所示实施例中，当所述仿人机械臂处于伸展状态时。所述仿人机械臂的轴线30呈直线状，仿人机械臂中所有的转臂关节10中的第一减速器端12的中心轴122和第一电机端14的中心轴142均与所述轴线30重合，所述仿人机械臂中所有的抬臂关节20中的第二减速器端22的中心轴222和第二电机端24的中心轴242均与所述轴线30垂直。进而，仿人机械臂整体呈笔直的状态。

为了仿照人类手臂的结构，可通过如图5所示的七关节机械臂实现一种仿人机械臂。其中，一个转臂关节10和一个抬臂关节20组合形成腕部关节w，一个转臂关节10和一个抬臂关节20组合形成肩部关节s，两个转臂关节10和位于其之间的一个抬臂关节20组合形成肘部关节e，肘部关节e设置在腕部关节w和肩部关节s之间，并按照转臂关节10和抬臂关节20交错排列的顺序进行设置，即可实现类似于、甚至超出人类手臂的自由度。

优选地，每个第一减速器端12具有沿其中心轴122贯穿第一减速器端12的第一中空腔体126，每个第一电机端14具有沿其中心轴142贯穿第一电机端14的第一中空腔体146，在一个转臂关节10中，第一减速器端12和第一电机端14轴接在一起，因此其第一中空腔体126和146保持对准。

类似地，每个抬臂关节20的第二减速器端22或者第二电机端24具有沿轴线30方向贯穿第二减速器端22或者第二电机端24的第二中空腔体246，如图1所示。其中，在图5所示的实施例中，第二中空腔体246位于每个抬臂关节20的第二电机端24中。

优选地，第二中空腔体246位于第二减速器端22或者第二电机端24的背离第二对接面26的一侧。

本发明实施例中，由所述驱动电路板41和与驱动电路板41连接的线缆42共同构成了电气机构40。其中，线缆42交替地通过第一中空腔体126、146和第二中空腔体246、以与各个转臂关节10和抬臂关节20连接。

在本发明实施例中，转臂关节10和抬臂关节20均具有中空的关节结构，根据本发明实施例的仿人机械臂以其自身的轴线30方向为中心进行旋转的特点，其线缆42采用中心走线的方式，而非暴露在机械臂的外围。根据本发明实施例的机械臂的转动运行的特点，每个关节的截面基本呈圆形，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，必然会导致外壳的造型为非圆形，从而提高加工成本。进一步地，由于每一个关节的两部分之间均具有相对旋转运动，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，旋转运动必然导致线缆42的长度的变化，因此为了避免线缆被拉断，必然需要提供大量的冗余量。

而本发明实施例通过中心走线的方式以及中空腔体的设置方向，转臂关节10在旋转时，线缆42的长度不会随着其转动而发生剧烈变化，而抬臂关节20在旋转时，线缆42的长度变化有限，因此只需要为每个抬臂关节10的转动提供线缆长度变化的冗余量即可。

其中，可通过总线的方式为每个关节的电机提供电源和控制信号，则线缆42可为由电源线和控制总线形成的总线线缆。其中，可采用高速实时的ethercat总线，电源线采用20a的动力线和5a的控制线，这样控制总线和电源线外层包围屏蔽层后的直径可为9mm。则对应地，第一中空腔体和第二中空腔体的直径至少为11mm，以供总线线缆通过。

优选地，为了避免增加抬臂关节的长度，与相邻的转臂关节10和抬臂关节20连接的一个驱动电路板41设置在转臂关节10内。由于转臂关节20的相对旋转方向与机械臂的轴线方向垂直或正交，因此抬臂关节20的长度的增加必然影响整个机械臂的灵活程度和精密度，因此根据邻近的结构的特点，为相邻的一对转臂关节10和抬臂关节20提供在一起的驱动电路板41，并且该驱动电路板41设置在转臂关节10内。

为了避免线缆42由于每个关节的相对旋转运动而发生扭转而与高速旋转的电机转子形成摩擦、导致坏损，每个转臂关节10还包括一个卡线夹182和一个弹簧夹184。其中，卡线夹182设置在第一电机端14的第一中空腔体146内，以将线缆42固定在其中。弹簧夹184设置在第一减速器端12的第一中空腔体126内，以将线缆42可调整地固定在其中。

其中，卡线夹182与线缆42固定连接，每个卡线夹182与线缆42之间不发生相对移动或转动。而弹簧夹184与线缆42可调整地连接，线缆42与弹簧夹184之间具有相对移动的自由度，在弹簧夹184的调整固定作用下，能够使在此转臂关节10内，卡线夹182与弹簧夹184之间的线缆42能够保持拉直的形态，以避免由于缠绕而与电机转子形成摩擦的问题。

弹簧夹184调整的线缆42的长度在于由于抬臂关节20的转动而造成的线缆42长度的变化，因此在弹簧夹184的调整固定作用下，在相邻的一对转臂关节10和抬臂关节20中，两个卡线夹182之间的线缆42能够保持拉直的形态，以避免由于缠绕而与电机转子形成摩擦的问题。

本发明的用于仿人机械臂的驱动电路板，根据仿人机械臂的形状而布置于转臂关节正对于相邻的抬臂关节的电路板安装端面，当仿人机械臂处于伸展状态时，驱动电路板恰好布置于相邻的转臂关节和抬臂关节之间，这种结构节省了驱动电路板的安装空间，使得转臂关节和抬臂关节的长度可以大大缩短，进而增加仿人机械臂的整体灵活性。进一步地，因为，驱动电路板同时紧邻转臂关节和抬臂关节，从而有利于驱动电路板向转臂关节和抬臂关节连线的布置。本发明实施例中，驱动电路板采用滑槽的方式安装固定，并通过连接器与其它部分进行电气连接，从而易于安装和调试。驱动电路板采用高速实时总线ethercat来传输控制信号，具有实时响应快、成本低等优点。

仿人机械臂要求各个关节电机驱动电路的体积小、重量轻、效率高。驱动电路板不仅要对电机提供伺服驱动，而且要接受来自电机的霍尔反馈和旋转编码器的位置反馈，同时要能够提供制动保护等功能。因此，本发明实施例能够将驱动电路的体积设计的很小并隐藏于仿人机械臂的各个关节中，使得机械臂的外形与大小与普通人的胳膊类似。

另外，本发明实施例中，每个转臂关节可以仿人机械臂的轴线为中心进行转动，具有360°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的扭转动作。而与其相邻的抬臂关节则以垂直于轴线的方向为中心进行转动，具有360°以内的转动自由度，其转动类似于人类手臂的抬举动作。进一步地，相邻的转臂关节和抬臂关节必然通过电机端或者减速器端固定连接，从而将相互垂直或者正交的两个方向的转动进行组合，从而在三维立体空间内实现多角度、位置的组合，以满足机械手臂能够停留在任一方向和角度的要求。

本实施例的仿人机械臂通过一个转臂关节和一个抬臂关节的组合即可实现几乎四个自由度内全角度、位置的覆盖，通过两两相接的转臂关节和抬臂关节的多组组合，以满足三维立体空间内六自由度移动的要求，提高机械臂的操作精度。

进一步地，根据本实施例的仿人机械臂以其自身的轴线方向为中心进行旋转的特点，其线缆采用中心走线的方式，而非暴露在机械臂的外围。根据本实施例的机械臂的转动运行的特点，每个关节的截面基本呈圆形，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，必然会导致外壳的造型为非圆形，从而提高加工成本。进一步地，由于每一个关节的两部分之间均具有相对旋转运动，如果机械臂的线缆放置在机械臂的外壳上，旋转运动必然导致线缆的长度的变化，因此为了避免线缆被拉断，必然需要提供大量的冗余量。而本实施例通过中心走线的方式以及中空腔体的设置方向，转臂关节在旋转时，线缆的长度不会随着其转动而发生剧烈变化，而抬臂关节在旋转时，线缆的长度变化有限，因此只需要为每个抬臂关节的转动提供线缆长度变化的冗余量即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。