驱控一体模块化驱动装置的制作方法

本发明涉及轻量化机械臂技术领域，特别涉及一种驱控一体模块化驱动装置。

背景技术

目前，现有模块化驱动装置使用的是双编码器结构，其可以使用其中一个绝对值编码器直接得到驱动装置的位置，并使用另一个增量式编码器控制电机的运动。

然而，由于双编码器加上力矩传感器会对中心走线管直径产生较高的要求，以至于关节的尺寸做得比较大，降低了关节的通用性。另一方面，使用电机电流融合算法也可以得到关节的力矩信息，但是在对力控要求苛刻的环境下，尤其是人机互动的环境和弱力需求时，没有力矩传感器是得不到机械臂与外界交互过程中精确的作用力，这些问题都需要亟待解决。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下问题的认识和发现作出的：

随着国家对高端制造装备投入不断加大，尤其是机械臂产业的大力发展，空间探索，工业操作，医疗康复，残疾辅助等方面对机械臂的需求量越来越来越大，要求越来越高。不仅要求机械臂能够完成特定的任务，而且在执行任务过程中还要有高的安全性和良好的人机协同性，同时要对机械臂本体也提出了很高的要求，比如运动的灵活性，狭小空间的适应性和较小的整体重量以及较大的输入力矩。另一方面，机械臂还对驱动装置装配难度以及后期设备故障修复提出比较高的要求，机械臂的多样性也对驱动装置的通用性提出要求。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种驱控一体模块化驱动装置，该装置可以有效提高驱动的准确性、适用性和灵活性，结构简单，简单易实现。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种驱控一体模块化驱动装置，包括：壳体，所述壳体的中心孔处固连有走线管，其中，所述壳体包括输入端壳体和输出端壳体；力矩传感器；谐波减速机，所述谐波减速机的钢轮固连在所述壳体的一端上，且所述谐波减速机的柔轮通过所述力矩传感器连接在所述壳体的另一端上；电机，所述电机的定子与所述壳体相连，且所述电机的转子通过连接件固定于所述谐波减速机的波发生器上，其中，所述连接件上固连有空心轴，且通过轴承支撑所述空心轴转动，以支撑所述电机转动；绝对值编码器，所述绝对值编码器的转动主体与所述空心轴固连，且所述绝对值编码器的读头通过立柱与所述壳体固连；控制驱动电路板，所述控制驱动电路板包括控制电路板和驱动电路板，以用于驱动所述电机转动，并且受控于驱动装置驱动器，所述控制电路板与所述驱动电路均支持ethercat协议，以读取所述编码器和所述力矩传感器的信息，同时与所述驱动器通信，并且将所述编码器的位置信息转换成所述电机的位置信息、速度信息以及加速度信息。

本发明实施例的驱控一体模块化驱动装置，通过驱控一体化可以使多个驱动装置协同工作，采用一个力矩传感器采集与外部交互过程中的力矩信号，以得到更加精确的力矩信息，驱动板和控制板都采用中空结构，在驱动装置中心还布置有走线管，有助于实现力矩传感器信号线和电源线的走线以及多驱动装置协同工作，克服了机械臂关节的尺寸大，走线复杂，不能实现精确力控等问题，从而有效提高驱动的准确性、适用性和灵活性，结构简单，简单易实现。

另外，根据本发明上述实施例的驱控一体模块化驱动装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述输出端壳体包括输出端主壳体、输出端连接壳体和轴承支撑盖，且所述输入端壳体包括：输入端主壳体、轴承端盖和输入端连接壳体。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述壳体为圆柱形，所述壳体的任一端作为输入端，而另一端作为输出端，且所述控制电路板和所述驱动电路板固连在所述驱动装置的端部，所述端部固连有所述读头，所述端部的另一端设有所述力矩传感器的信号线和电源线通过所述走线管连接至所述控制电路板上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电机采用外转子中空电机，所述定子固连在所述电机接近所述控制电路板和驱动电路板一端的外壳上，所述转子通过螺钉连接在所述连接件上，同时所述连接件通过螺钉连接在所述波发生器上，以通过所述转子转动带动所述波发生器转动，且所述连接件上固连所述空心管，以支撑所述波发生器。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述波发生器和所述连接件固连同时嵌套在所述柔轮的内部，所述柔轮嵌套在所述波发生器和所述钢轮中间并与所述力矩传感器直接固连，且所述钢轮固连在外壳上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述力矩传感器的一端固连在所述柔轮上，且所述力矩传感器的另一端固连在所述壳体上，所述力矩传感器的线通过所述壳体上的孔和所述走线管将信号传递至所述控制驱动电路板，其中，所述壳体上固连的走线管用于所述力矩传感器的走线以及多驱动装置之间的走线。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述空心管固连在所述连接件上，所述空心管的两端使用轴承支撑且空心管一端固连着所述转动主体，且固连在所述驱动装置外部的读头读取所述转动主体的位置信息，并将所述位置信息传递给所述控制驱动电路板以根据所述为位置信息进行处理。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动装置的两端外壳均使用轴承进行支撑，其中，一端外壳固连着所述电机和所述钢轮，另一端外壳固连着所述力矩传感器和轴承盖，且所述轴承盖上连接走线管，且所述轴承盖支撑着所述空心管上的轴承。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述转子连接件连接有所述空心管，空心轴一端连接着所述转动主体并且使用轴承支撑，所述读头放置在电路板端，以降低走线难度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：分布在两端外壳周向的多个固定孔，以作为对外界连接的接口。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的驱控一体模块化驱动装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的驱控一体模块化驱动装置的整体外观示意图；

图3为根据本发明一个实施例的驱控一体模块化驱动装置的外壳结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的驱控一体模块化驱动装置的电机轴系示意图。

附图标记说明：

驱控一体模块化驱动装置-10、壳体-100、输出端壳体-110、输出端主壳体-111、输出端连接壳体-112、轴承支撑盖-113、输入端壳体-120、输入端主壳体-121、轴承端盖-122、输入端连接壳体-123、力矩传感器-200、谐波减速机-300、钢轮-310、柔轮-320、波发生器-330、电机-400、电机的转子-410、绝对值编码器-500、转动主体-510、读头-520、立柱-530、控制驱动电路板-600、控制电路板-610、驱动电路板-620、走线管-700、连接件-800、空心轴-900和轴承-1000。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的驱控一体模块化驱动装置。

图1是本发明一个实施例的驱控一体模块化驱动装置的结构示意图。

如图1所示，该驱控一体模块化驱动装置10包括：壳体100、力矩传感器200、谐波减速机300、电机400、绝对值编码器500和控制驱动电路板600。

其中，壳体100的中心孔处固连有走线管700，其中，壳体100包括输出端壳体110和输入端壳体120。力矩传感器200。谐波减速机300的钢轮310固连在壳体100的一端上，且谐波减速机300的柔轮320通过力矩传感器200连接在壳体100的另一端上。电机400的定子与壳体100相连，且电机400的转子通过连接件800固定于谐波减速机300的波发生器330上，其中，连接件800上固连有空心轴900，且通过轴承1000支撑空心轴900转动，以支撑电机400转动。绝对值编码器500的转动主体510与空心轴900固连，且绝对值编码器500的读头520通过立柱530与壳体100固连。控制驱动电路板600包括控制电路板610和驱动电路板620，以用于驱动电机400转动，并且受控于驱动装置10驱动器，控制电路板610与驱动电路620均支持ethercat协议，以读取编码器500和力矩传感器200的信息，同时与驱动器通信，并且将编码器500的位置信息转换成电机400的位置信息、速度信息以及加速度信息。本发明实施例装置10通过驱控一体化可以使多个驱动装置协同工作，从而有效提高驱动的准确性、适用性和灵活性，结构简单，简单易实现。

可以理解的是，本发明实施例主要用作机械臂关节，亦称关节，本发明实施例装置10包括输入输出壳体100、力矩传感器200、谐波减速机300、电机400、绝对值编码器500、控制驱动电路板600、走线管700、连接件800、空心轴900和轴承1000等。除了编码器500和控制驱动电路600在关节壳体100的外部，其余都在关节壳体100内部。电机400定子连接着壳体100，转子通过一个连接件固连在谐波减速器300的波发生器330上，同时连接件800上固连着一根空心轴900，并且使用轴承1000支撑着空心轴900转动，在空心轴900一端固连有编码器400的转动主体510，编码器400的读头520和壳体100通过立柱530固连。谐波减速机300钢轮310固连在一端的壳体100上，谐波减速机300的柔轮320通过力矩传感器200连接在另一端的壳体100上，此壳体100中心孔处固连有走线管700。输入输出端的壳体100通过轴承1000连接在一起。本发明实施例有效解决现有模块化驱动装置尺寸大，力控精度不高，多编码器冗余等问题的。驱动装置整体呈圆柱形，控制电路和驱动电路分在驱动装置的一端，有助于缩小驱动装置的体积，并且降低电机磁场和控制驱动电路磁场的耦合，达到相互不干扰的效果。

进一步地，在本发明的一个实施例中，壳体100可以为圆柱形，壳体100的任一端作为输入端，而另一端作为输出端，且控制电路板610和驱动电路板620固连在驱动装置10的端部，端部固连有读头520，端部的另一端设有力矩传感器200的信号线和电源线通过走线管700连接至控制电路板610上。

可以理解的是，本发明实施例驱动装置10的壳体100可以为圆柱形，任何一端均可作为输入端或者输出端，驱动装置10一端通过连接件将控制电路板610和驱动电路板620固连在驱动装置10端部，此端还使用连接件800固连着编码器读头510。中心有走线管700，本发明实施例的装置10另一端力矩传感器200的信号线和电源线通过走线管700连接到控制电路板610上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，输出端壳体110包括输出端主壳体111、输出端连接壳体112和轴承支撑盖113，且输入端壳体120包括：输入端主壳体121、轴承端盖122和输入端连接壳体123。

举例而言，如图2所示，本发明实施例的驱动装置10整体呈现圆柱形，控制电路板610和驱动电路620安装在输入端，中间布置着绝对值编码器500。发明实施例驱动装置10的壳体100包括输出端壳体110和输入端壳体120，具体地，输出端主壳体111和输出端连接壳体112连接在一起，输入端主壳体121端部有轴承支撑端盖122。在输出端连接壳体112和输入端主壳体121圆周上均匀分布多个螺纹孔，其用于固定机械臂的臂杆。端部控制驱动电路610以及绝对值编码器500的读头520都使用立柱530将其固定在驱动装置10输入端主体外壳121上。

如图3所示，输出端主壳体111呈空心圆柱状，其内部含有多个阶梯凸台用于定位力矩传感器200和轴承支撑盖113。轴承支撑盖113放置在输出端主壳体111外部的圆形凹槽中，输出端主壳体111内部支撑着空心轴一端的轴承，输出端主壳体111中心留有圆孔用于固定走线管700。输出端壳体110和输入端壳体120使用轴承900连接在一起，轴承900内测连接着输入端连接壳体123，外侧连接着输出端连接壳体112，并使用输入端连接壳体123和输出端主壳体111对其进行定位连接。输入端主壳体121和输入端连接壳体123之间，以及输出端主壳体111和输出端连接壳体112之间使用螺纹连接，并将输出端连接壳体112和输入端主壳体121圆周部位均匀设置螺纹孔用于固定机械臂的臂杆。

进一步地，在本发明的一个实施例中，力矩传感器200的一端固连在柔轮320上，且力矩传感器200的另一端固连在壳体100上，力矩传感器200的线通过壳体100上的孔和走线管700将信号传递至控制驱动电路板600，其中，壳体100上固连的走线管700用于力矩传感器200的走线以及多驱动装置之间的走线。

可以理解的是，力矩传感器200一端使用螺钉固连在谐波减速器300的柔轮320上，另一端固连在驱动装置10的壳体100上，力矩传感器200的线通过壳体100上的孔和走线管700将信号传递给控制驱动电路板600。壳体100上还固连着走线管700，用于力矩传感器700走线以及多驱动装置之间的走线。如图1所示，力矩传感器200可以呈圆盘状，中心有空以便走线，外圆周均布多个用于和输出端主壳体111固连在一起的螺纹孔。

进一步地，在本发明的一个实施例中，波发生器330和连接件800固连同时嵌套在柔轮320的内部，柔轮320嵌套在波发生器330和钢轮310中间并与力矩传感器200直接固连，且钢轮310固连在外壳上。

具体而言，如图1所示，谐波减速器300包含钢轮310、柔轮320和波发生器330三个部分。波发生器330嵌套在柔轮320里，柔轮320嵌套在钢轮310里，柔轮320和钢轮310之间使用齿啮合在一起。其中钢轮310使用螺钉固定在输入端壳体123上，柔轮320通过螺钉连接力矩传感器200上，其中力矩传感器200上的凸台用于定位柔轮320。谐波减速机300具有中心孔特征，用于驱动装置10的走线。

进一步地，在本发明的一个实施例中，电机400可以采用外转子中空电机，定子固连在电机接近控制电路板610和驱动电路板620一端的外壳上，转子通过螺钉连接在连接件800上，同时连接件800通过螺钉连接在波发生器330上，以通过转子转动带动波发生器330转动，且连接件800上固连空心管，以支撑波发生器300。

可以理解的是，本发明实施例的电机400选用的是具有中心空的电机，以实现驱动装置中心走线的目的。具体而言，如图3所示，电机的转子410通过螺钉连接着连接件800，电机400的定子固定在输入端主壳体121上，其中输入端主壳体121上有定位用的凸台和用于通过螺钉的通孔。连接件800通过螺钉连接在谐波发生器300柔轮320上，连接件上有固定槽，空心轴900上有凸台，其中凸台恰好和连接件800上的固定槽配合在一起，固定连接件800的螺钉将空心轴900和连接件800一起固定在谐波发生器300的柔轮320上。

进一步地，控制电路板610和驱动电路板620构成的控制驱动电路板600能够实现扩展，能将多个驱动装置串联在一起和上位机通信，实现上位机对机械臂的控制。控制电路板610和驱动电路板620是具有中心孔的环形形状，绝对值编码器500的转动主体510也具有环形形状，以利于走线管中的线通过。

进一步地，在本发明的一个实施例中，空心管固连在连接件800上，空心管的两端使用轴承1000支撑且空心管一端固连着转动主体510，且固连在驱动装置10外部的读头520读取转动主体510的位置信息，并将位置信息传递给控制驱动电路板600以根据为位置信息进行处理。

可以理解的是，如图4所示，空心轴900两端各有一个轴承1000用于保持空心轴900位置并支撑空心轴900的转动。空心管固连在连接件800上，两端使用轴承支撑且空心管一端固连着绝对值编码器500的转动主体510并且使用轴承支撑1000，绝对值编码器500的读头520放置在电路板端以降低驱动装置10的走线难度，固连在驱动装置外部的读头520读取转动主体510的位置信息，并将位置信息传递给控制驱动电路板600进行处理。

进一步地，在本发明的一个实施例中，驱动装置10的两端外壳均使用轴承1000进行支撑，其中，一端外壳固连着电机400和钢轮310，另一端外壳固连着力矩传感器200和轴承盖，且轴承盖上连接走线管700，且轴承盖支撑着空心管上的轴承1000。

进一步地，在本发明的一个实施例中，本发明实施例的装置10还包括：多个固定孔。其中，分布在两端外壳周向的多个固定孔，以作为对外界连接的接口。

综上，本发明实施例具有以下有益效果：

(1)驱动装置整体呈圆柱形，控制电路和驱动电路分在驱动装置的一端，有助于缩小驱动装置的体积，并且降低电机磁场和控制驱动电路磁场的耦合，达到相互不干扰的效果。驱动装置驱动器和控制器集成在驱动装置的一端，可以使多个驱动装置协同工作组，组成的机械臂系统可以采用分布式控制系统，有助于减小主控系统的复杂性；驱动装置采用一个力矩传感器采集与外部交互过程中的力矩信号，可以使驱动装置得到更加精确的力矩信息。

(2)电机编码器读头位于驱动装置壳体外部，减小了驱动装置走线的难度；编码器转动体连接在空心轴端部，并且二者之间采用连接件连接，解决了编码器转动体和空心轴不能直接连接的问题。

(3)采用外转子空心电机，相同体积的电机具有更大的输出力矩，有助于缩小驱动装置的体积；电机转子和谐波减速机波发生器使用连接件连接，并且有空心轴连接在连接件上，有助于支撑电机转子，并且可以形成驱动装置中空的结构。

(4)力矩传感器一端直接连接在柔轮上，另一端直接连接在外壳上，有助于减小驱动装置的体积和降低结构的复杂程度，有利于装配。

(5)两端外壳直接用两个轴承连接而不是采用一个交叉滚子轴承连接，有助于缩小驱动装置的体积，降低驱动装置的设计难度。

(6)驱动装置使用ethercat总线协议，并且每个驱动装置上的控制板上都有转接接口，有助于实现驱动装置与上位机的高速通信。

(7)驱动板和控制板都采用中空结构，在驱动装置中心还布置有走线管，有助于实现力矩传感器信号线和电源线的走线以及多驱动装置协同工作。

根据本发明实施例提出的驱控一体模块化驱动装置，通过驱控一体化可以使多个驱动装置协同工作，采用一个力矩传感器采集与外部交互过程中的力矩信号，以得到更加精确的力矩信息，驱动板和控制板都采用中空结构，在驱动装置中心还布置有走线管，有助于实现力矩传感器信号线和电源线的走线以及多驱动装置协同工作，克服了机械臂关节的尺寸大，走线复杂，不能实现精确力控等问题，从而有效提高驱动的准确性、适用性和灵活性，结构简单，简单易实现。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。