一种舵机及机器人的制作方法

本发明涉及电机传动技术领域，特别涉及一种舵机及机器人。

背景技术：

舵机是一种位置(角度)伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前，在高档遥控玩具，如飞机、潜艇模型、机器人中已经得到了普遍应用。舵机工作时的主要任务是控制其输出轴位置运动或保持在某一设定位置。

目前，市面上较多的小型舵机其电机采用的是直流有刷电机，这种电机控制简单，但因其有机械电刷导致其寿命短，同时有刷电机有电就转的特性使得其在控制锁位时很容易发生过冲，影响舵机锁位性能；也有小部分舵机采用了性能较好的直流无刷(brushlessdirectcurrentmotor，bldc)电机或永磁同步电机作为动力源，但这两种电机控制相对复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种舵机，旨在解决目前的舵机采用的电机使用寿命短、锁位性能差且控制复杂的技术问题。

本发明是这样实现的，一种舵机，包括步进电机、减速机构、控制电路板和舵机输出轴，所述减速机构的首端与所述步进电机的输出轴连接，所述减速机构的末端与所述舵机输出轴连接，所述控制电路板上设置有控制器、驱动器和位置传感器，所述步进电机与所述驱动器电性连接；

所述控制器控制所述驱动器驱动所述步进电机工作，所述步进电机驱动所述减速机构带动所述舵机输出轴转动，所述位置传感器位于所述舵机输出轴的正下方且用于检测所述舵机输出轴的转动位置，所述位置传感器与所述控制器电性连接以形成闭环控制回路。

在一个实施例中，所述控制器包括用于输入通信命令的命令模块、与所述命令模块电性连接的pid模块，以及与所述pid模块电性连接的pwm模块，所述位置传感器与所述pid模块电性连接。

在一个实施例中，所通信命令为数字指令或pwm信号。

在一个实施例中，所述位置传感器为电位器、磁编码器或光编码器。

在一个实施例中，所述驱动器为集成的驱动芯片，或者，所述驱动器为包括分离器件组成的驱动桥路。

在一个实施例中，所述控制电路板包括相互平行设置的第一电路板和第二电路板，所述控制器和驱动器设置于所述第一电路板上，所述位置传感器设置于所述第二电路板上。

在一个实施例中，所述第二电路板通过多根支撑柱连接于所述第一电路板的上方。

在一个实施例中，所述第二电路板靠近所述步进电机的一侧设有缺口，所述缺口的形状与所述步进电机的外形适配。

在一个实施例中，所述控制电路板包括第一电路板，所述控制器、驱动器和位置传感器设置于所述第一电路板上，所述舵机输出轴靠近所述位置传感器的一端延伸至所述位置传感器的正上方。

本发明的另一目的在于提供一种机器人，其包括如上述所述的舵机。

实施本发明的一种舵机，具有以下有益效果：舵机采用步进电机，其无电刷，与有刷电机相比其使用寿命长，锁位性能好；同时，步进电机与直流无刷和永磁同步电机相比，其控制更简单；另外，舵机采用闭环控制方式控制步进电机，其定位更加准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的舵机的侧视结构示意图；

图2是本发明实施例提供的舵机的立体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的舵机的控制框架结构示意图。

上述附图所涉及的标号明细如下：

1-步进电机；2-减速机构；21-电机齿轮；22-一级齿轮组；23-二级齿轮组；24-三级齿轮组；25-舵机输出齿；26-一级齿轮轴；27-二级齿轮轴；28-三级齿轮轴；3-控制电路板；30-控制器；301-命令模块；302-pid模块；303-pwm模块；31-第一电路板；32-第二电路板；33-驱动器；4-舵机输出轴；5-位置传感器；6-支撑柱；。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本发明所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

请一并参阅图1至图3，本发明实施例提供了一种舵机，其包括步进电机1、减速机构2、控制电路板3和舵机输出轴4，其中，减速机构2的首端与步进电机1的输出轴连接，减速机构2的末端与舵机输出轴4连接，步进电机1驱动减速机构2转动，进而带动舵机输出轴4转动，即减速机构2将步进电机1的动力传输给舵机输出轴4，以输出给外部设备。在本实施例中，步进电机1本质是无刷电机，即步进电机1无电刷，其可以像传统的直流无刷电机或永磁同步电机一样受控(控制其转动及控制其输出力的大小)，且控制更加简单。在具体应用中，舵机还可包括壳体等结构，在此不作详细说明。

在控制电路板3上设置有控制器30、驱动器33和位置传感器5，其中，步进电机1设置于控制电路板3上并与驱动器33电性连接，通过驱动器33驱动步进电机1工作；驱动器33还与控制器30电性连接，通过控制器30控制驱动器33工作，进而驱动步进电机1工作；位置传感器5位于舵机输出轴4的正下方且用于检测舵机输出轴4的转动位置，并且，位置传感器5还与控制器30电性连接，用于将检测结果反馈给控制器30，控制器30根据反馈信息进一步控制驱动器33。

其中，控制器30、驱动器33、步进电机1、减速机构2、舵机输出轴4、位置传感器5及控制器30，构成闭合回路，以实现闭环控制。在本实施例中，采用闭环控制方式控制步进电机1，可有效解决传统开环控制步进电机1时丢步导致定位不准确的问题。

本发明实施例的舵机采用步进电机1，其无电刷，与有刷电机相比其使用寿命长，锁位性能好；同时，步进电机1与直流无刷和永磁同步电机相比，其控制更简单；另外，舵机采用闭环控制方式控制步进电机1，其定位更加准确。

在具体应用中，位置传感器5可以为电位器、磁编码器或光编码器等，其具体型号根据实际需要的性能和精度确定，如mps9960、ams5048等。另外，步进电机1的型号也根据实际应用需要进行选择。

在一个实施例中，减速机构2为减速齿轮机构，其包括电机齿轮21、一级齿轮组22、二级齿轮组23、三级齿轮组24、舵机输出齿25、一级齿轮轴26、二级齿轮轴27和三级齿轮轴28。其中，电机齿轮21作为减速机构2的首端，舵机输出齿25作为减速机构2的末端。一级齿轮轴26、二级齿轮轴27和三级齿轮轴28相互平行设置，且均与舵机输出轴4平行。电机齿轮21套设于步进电机1的输出轴上，一级齿轮组22套设于一级齿轮轴26上，二级齿轮组23套设于二级齿轮轴27上，三级齿轮组24套设于三级齿轮轴28上，舵机输出齿25套设于舵机输出轴4上。电机齿轮21、一级齿轮组22、二级齿轮组23、三级齿轮组24和舵机输出齿25之间逐次啮合，进而实现动力的传动。

在本实施例中，一级齿轮组22、二级齿轮组23和三级齿轮组24均包括大齿轮和小齿轮，其中，大齿轮和小齿轮固定连接在一起且同轴转动。一级齿轮组22的大齿轮与电机齿轮21啮合，二级齿轮组23的大齿轮与一级齿轮组22的小齿轮啮合，二级齿轮组23的小齿轮与三级齿轮组24的大齿轮啮合，三级齿轮组24的小齿轮与舵机输出齿25啮合。另外，一级齿轮组22的小齿轮位于其大齿轮的上方，二级齿轮组23的小齿轮位于其大齿轮的下方，三级齿轮组24的小齿轮位于其大齿轮的下方。

请参阅图3，在一个实施例中，控制器30包括命令模块301、pid(proportion、integral、differential，比例、积分、微分)模块302和pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)模块303，其中，命令模块301用于输入通信命令，pid模块302与命令模块301电性连接，该pid模块302还与位置传感器5电性连接，该pid模块302用于接收命令模块301的通信命令，还用于接收位置传感器5发送的反馈信息，通过比较通信命令与反馈信息来调整对驱动器33的控制。在本实施例中，闭环控制采用负反馈。在具体应用中，命令模块301输入的通信命令可以为数字指令，也可以为pwm信号。

在本实施例中，该pid模块302用于根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制；pwm模块303与pid模块302电性连接，该pwm模块303还与驱动器33电性连接，该pwm模块303用于对模拟信号电平进行数字编码。在其它实施例中，pid模块302也可采用pi模块或pd模块替换。

在一个实施例中，驱动器33为集成的驱动芯片，以便于简化驱动电路结构，并简化装配工艺。在其它实施例中，驱动器33为包括分离器件组成的驱动桥路，该方式可降低驱动器33的集中发热。

在一个实施例中，控制电路板3包括相互平行的第一电路板31和第二电路板32，其中，控制器30和驱动器33均设置于第一电路板31上，位置传感器5设置于第二电路板32上。在本实施例中，第二电路板32位于第一电路板31的上方，使得第二电路板32上的位置传感器5可以更靠近舵机输出轴4的底端，进而可以保证位置传感器5的检测精度。在具体应用中，在舵机输出轴4的底端的端部设置有磁铁，该磁铁与位置传感器5配合使用，以实现舵机输出轴4的位置检测。

在本实施例中，第二电路板32通过多根支撑柱6连接于第一电路板31的上方。具体地，在第一电路板31和第二电路板32的四周共设置有三根支撑柱6，三根支撑柱6相互平行设置，且分别与第一电路板31和第二电路板32垂直，每一根支撑柱6的一端与第一电路板31固定连接，每一根支撑柱6的另一端与第二电路板32固定连接，进而实现第一电路板31与第二电路板32的固定连接。其中，在靠近步进电机1的一角未设置支撑柱6，以防止支撑柱6影响步进电机1的装配。

另外，在本实施例中，在第二电路板32靠近步进电机1的一侧设置有缺口，该缺口的形状与步进电机1的外形适配，以避让步进电机1，防止第二电路板32对步进电机1造成干涉。

在另一个实施例中，控制电路板3包括一块第一电路板31，控制器30、驱动器33和位置传感器5均设置于该第一电路板上，舵机输出轴4靠近位置传感器5的一端延伸至位置传感器5的正上方，使得舵机输出轴4的底端的端部靠近位置传感器5并位于位置传感器5的正上方。

本发明实施例还提供了一种机器人，其包括如上述所说的舵机。

以上所述仅为本发明的可选实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。