一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的制作方法

本发明属于模块化关节技术领域，尤其涉及一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：自德国2013年提出工业4.0时代到目前为止，工业机械臂的发展突飞猛进，国内外的各大高校、研究所以及科技企业对于机械臂进行不断的研发和更新，许多制造企业都采用了工业机械臂代替人来完成一些恶劣环境下的作业，工业机械臂的发展已经达到了一种相对成熟的阶段。随着社会的进步，科技的创新以及人类需求的提高，传统工业制造机器人无法满足一些中小型企业和电脑、通讯、消费性电子三大科技产品整合应用的资讯家电产业等新兴市场的短周期、定制化、协作化的要求。因此，更加灵活、智能化、集成度高、装配简单且安全的协作机器人应运而生，渗透进各行业。目前为止，以全球四大机器人家族发那科、库卡、安川电机、abb为首，加上国内的机器人领军企业代表新松以及丹麦杰出机器人企业尤傲等，已经带来了协作机器人的发展狂潮。而在协作机械臂的设计当中，最重要的就是关节的设计，其特点是柔性好、集成度高、安全可靠、模块化等。相对于传统的单一、固定工作的工业机器人，协作机器人是由模块化关节通过不同的连杆组装而成，所以更加灵活、多元化、适应性强，并且可更换性和维修性都更好。

综上所述，现有技术存在的问题是：关节内的集成度还不够高，在一个关节内应该集成除了基本的机械系统外的完整的电源系统、驱动控制系统，未达到完全一体化的小型、灵巧和安全的机械臂关节，以至于关节无法根据需求进行自由组装完成作业。

关节内的数据采集系统不够完善，对于采集到的信息处理速度不够快，所以关节的控制通讯系统对于数据的采集以及处理速度有待提高。上述问题会进一步导致关节集成度不够高，内部数据采集系统不够完善，采集到的位置、速度以及力矩信息传输速度不够高，以及如何与驱动控制结合起来，控制通讯板所占空间较大。集成于关节内的控制通信系统通常会集成于几块pcb板上，所占有空间较大，不利于一体化关节的集成以及布局走线。以及在完成数据采集、传输以及处理后，如何进行一体化的驱动控制。

解决上述技术问题的难度：难度在于如何合理地考虑到灵活性，小巧性、完全集成化以及可靠性等要求去布局完全一体化关节的结构，以至于形成互换性好的完全模块化关节，达到可根据需求进行自由组装的目的；采取何种方案提高关节内的数据采集、传输以及处理的速度和准确性，在将数据处理后如何与驱动和控制部分结合，以至于达到驱动与控制一体化。

解决上述技术问题的意义：首先在于完成了一种合理布局的高速通信的完全一体化的机械臂关节，关节内采集数据的速度快且准确，可迅速提供数据给cpu，使得驱动控制板可以快速获取到有效的关节内位置、速度以及力矩信息，可以使关节的响应速度达到很高，解决关节应用于机械臂后与人交互时的安全问题和灵活性问题。其次在于达到了上述效果后可根据个人需求进行自由组装完成作业，可应用于生活中人机协作的很多方面。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节。

本发明是这样实现的，一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节包括：电机输入部分、控制驱动部分、传动输出部分；

电机输入部分包括静止的关节外壳、中空型的直流无刷伺服电机、输入高速轴、深沟球轴承、制动器以及光电编码器；

直流无刷伺服电机通过使用结构胶粘合的方式使得电机定子与关节外壳以及电机转子与高速轴之间安装固定，电机的左端通过关节外壳进行轴向定位，关节外壳与输入高速轴之间通过深沟球轴承连接；制动器的两块摩擦片以及线圈的外壳三者通过螺栓固定在一起，线圈安装于外壳当中，制动器的转子部分与输入高速轴固定连接，线圈外壳通过安装螺钉与静止后外壳之间连接固定；

光电编码器的码盘通过螺钉固定于输入高速轴的最右端，其采集装置与静止中空轴进行过盈配合连接；

控制驱动部分包括静止后外壳以及集成电源、控制、驱动于一体的pcb板；

驱动控制板通过静止后外壳的内部结构进行固定，通过三根伸出长轴进行pcb板的固定；

转动输出部分包括谐波减速器、柔轮输出法兰、力矩传感器、磁性编码器以及输出外壳；

谐波减速器的波发生器与输入高速轴通过花键进行固连，刚轮通过安装螺钉与电机外壳进行安装；柔轮输出法兰与柔轮通过螺钉进行连接；力矩传感器的内圈与柔轮输出法兰之间通过螺栓及螺母进行固定连接，外圈和关节输出外壳也通过螺栓及螺母进行连接；磁性编码器通过轴肩定位固定于柔轮输出法兰上，输出外壳与电机外壳之间相对转动。

进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的电机静外壳和静止后外壳之间通过螺纹连接固定。

进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的静止中空轴通过自攻螺钉固定于静止后外壳上。

进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的直流无刷伺服电机、谐波减速器、制动器、光电编码器、驱动控制板以及力矩传感器都是中心孔结构；

输入高速轴以及柔轮输出法兰是中空结构，实现关节内以及关节之间的走线。

进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的pcb板包括：

fpga控制芯片及其固件，由fpga芯片以及烧录进去芯片的控制其他模块的硬件电路组成；

电源配置模块，通过电源端子进行+24v电源供电，电源配置模块经过分压元件将+24v电压分为+24v、+3.3v、+5.5v、+5v以及1.2v五路电压；

电机驱动模块，包含电机的驱动芯片以及mosfet组成的全桥电路，接收来自fpga的pwm控制信号以产生脉冲，进行电机的驱动；

存储器模块，选择ddr3作为存储芯片，达到数据的高速存储和读取；

pcie总线接口模块，基于pcie的ip核实现的dma级联结构接口，与上位机的高速数据交互；

信号调理模块，完成采集信号的消抖、滤波以及放大处理，确保得到精准可靠的关节实时数据；

ad转换模块，基于ad转换芯片实现此模块，完成模拟信号的模数转换；

时钟配置模块，包含时钟芯片以及时钟调理电路，给总线接口模块、ad转换模块、fpga以及存储器模块提供时钟信号以及保证时钟信号的稳定输入。

进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的fpga控制芯片包括；

ad控制电路，用于完成ad转换芯片的控制；

spi通信驱动电路，此功能电路用于ad控制电路的底层模块，用于完成spi通信的控制；

ddr3控制电路，用于完成高速存储芯片的控制；

pcie串行总线控制电路，用于完成控制接口的数据传输，完成与上位机的数据传输；

电机驱动芯片控制电路，用于进行电机驱动芯片的控制；

本发明的另一目的在于提供一种基于所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的数据传输方法，所述数据传输方法包括：从传感器收集到相应的数据之后，通过spi通信接口到达控制驱动板的控制调理电路，ttl电平信号可直接到达cpu，模拟信号经过ad转换成数字信号后再传输到cpu；在cpu进行处理后，数据在ddr3控制ip核实现的驱动电路的驱动下到达ddr3芯片中进行缓存，mig实现对于ddr3的读取控制，在ddr3将数据完成缓存之后，当fpga接收到命令时，将数据从ddr3中读出来；然后利用级联结构dma接口方式的pcie总线传输控制器，实现数据的高速传输。

进一步，所述数据传输方法的数据经过cpu的时候实现电机控制算法的比较运行，结合上位机传输的控制信号，以cpu中的控制器为基础产生pwm控制信号来控制驱动电路产生相应的脉冲信号。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的工业制造机器人。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明从以实现高精度位置控制以及柔顺性的设计要求为出发点，考虑需要采集哪些关节的数据来传回控制器达到控制要求，然后再综合考虑每种传感器的布局和布线，达到简洁、高性能的要求，接着综合考虑集成化关节内零部件的布局布线以及其他连接件的设计，使关节具备通用性和互换性，降低机械臂的装配难度，便于产品的横向扩展和更新换代。

本发明基于高速串行总线实现伺服关节模块化伺服系统可实现数据的迅速传输，以使关节达到高性能等要求；实现高性能的完全模块化关节以便自行组装机器人或者应用于智能机械臂的关节配套。

本发明通过不同的装配方式集成于关节内部，使得整个关节的布局条理清晰，简明高效，整体布局结构紧凑，安装方便；关节内集成的高速轴光电编码器、输出轴磁性编码器以及力矩传感器能够实现关节内位置、速度以及力矩的测量，以实现精确的位置控制以及关节柔性；关节的灵巧以及通用性让此关节具有自由拓展的特点，可根据需求，利用不同的连杆结构进行关节之间组合，以此适应不同的工作环境；对于一个完全一体化的模块化机械臂关节来说，每个关节中集成有一个电机，此设计关节的方案中选择的是bldc电机，从模型上来看，位置环的控制是电机控制的基础，主流的电机控制环内部都是由三个环嵌套而成，最外面是位置环、中间是力矩环、最内部是速度环，实现三闭环pid反馈控制器，产生相应的pwm控制信号给伺服电机驱动电路进行电机的驱动控制，可以实现电机的精确控制，提高系统的响应，增强系统对于外界的抵抗能力；

本发明选择fpga作为控制芯片的优点有：

1、fpga芯片以纯硬件的方式进行并行处理，可在内部嵌入微处理器，可以达到相当高的性能，根据自己的需求设计fpga的外围电路，将调理电路、驱动电路、通信接口以及ad转换电路等集成在一块芯片上，在小型轻量化设计方面有相当大的优势；

2、在控制器的设计方面完成本方案的位置、速度、力矩控制，以此为基础进行模块化关节的控制器设计正在成为伺服控制器集成化设计的主流；fpga由fpga芯片和相关的配置电路组成，负责整个系统各个模块的整体调度与控制；选择pcie总线作为与上位机传输数据的总线，pcie总线相较于传统总线具有更快的数据传输速度、良好的兼容性和拓展性，因此，设计基于pcie的高速数据采集系统具有重要意义；

3、从传感器收集到相应的数据之后，ttl电平信号在进过了信号调理后，遵循spi通信协议与fpga进行数据传输。模拟信号在经过了信号调理电路后到达ad转换电路，将模拟信号转换成数字电路后，遵循spi通信协议与fpga进行数据交互。在fpga进行处理后，数据在ddr3控制ip核为基础的驱动电路的驱动下到达ddr3芯片中进行缓存，mig实现对于ddr3的读取控制，在ddr3将数据完成缓存之后，当fpga接收到读取命令时，将数据从ddr3中读出来，然后利用级联结构dma接口方式的pcie总线传输控制器，遵循pcie通信协议实现与上位机的高速数据传输。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的整体结构示意图；

图3是本发明实施例提供的信号采集以及驱动控制板的方案图；

图4是本发明实施例提供的电源、驱动、控制一体化的硬件布局设计图；

图5是本发明实施例提供的主控制器的固件控制逻辑设计图；

图中：1、直流无刷伺服电机；2、关节外壳；3、制动器；4、光电编码器；5、pcb板；6、静止后外壳；7、静止中空轴；8、电机粘圈；9、深沟球轴承；10、谐波减速器；11、柔轮输出法兰；12、力矩传感器；13、磁性编码器；14、输入高速轴；15、输出外壳。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现有的机械臂的模块化关节内部的结构以及布局布线相对复杂且关节的柔性还有待提高；关节的控制通讯系统性能有待提高；本发明的目的是在达到精确的位置控制和关节柔性的基础上，在关节内部实现以高速串行总线为基础的驱控一体化伺服系统设计。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节包括：电机输入部分、控制驱动部分、转动输出部分。

电机输入部分包括静止的关节外壳2、中空型的直流无刷伺服电机1、输入高速轴14、深沟球轴承9、制动器3以及光电编码器4；控制驱动部分包括静止后外壳6以及集成电源、控制、驱动于一体的pcb板5；转动输出部分包括谐波减速器10、柔轮输出法兰11、力矩传感器12、磁性编码器13以及输出外壳15。

关节内的无框电机通过使用结构胶粘合的方式使得电机定子与关节外壳以及电机转子与高速轴之间的安装固定，电机的左端通过关节外壳2进行轴向定位即可，关节外壳2与输入高速轴14之间通过深沟球轴承9连接。

制动器3的两块摩擦片以及线圈的外壳三者通过螺栓固定在一起，线圈安装于其外壳当中，制动器3的转子部分与输入高速轴14固定连接，线圈外壳通过安装螺钉与静止后外壳6之间连接固定。

光电编码器4的码盘通过螺钉固定于输入高速轴14的最右端，其采集装置与静止中空轴15进行过盈配合连接。

电机静外壳和静止后外壳6之间通过螺纹连接固定，以保持两者的静止状态。

静止中空轴15通过自攻螺钉固定于静止后外壳6上，实现关节内部以及关节之间走线的目的。

驱动控制板通过静止后外壳6的内部结构进行固定，通过三根伸出长轴进行pcb板5的固定，以完成数据的采集以及处理。

谐波减速器10的波发生器与输入高速轴14通过花键进行固连，柔轮作为输出，刚轮通过安装螺钉与电机外壳进行安装，以达到减速的目的。

柔轮输出法兰11与柔轮通过螺钉进行连接，达到输出的传递作用。

应变式的力矩传感器12的内圈与柔轮输出法兰11之间通过螺栓及螺母进行固定连接，外圈和关节输出外壳也通过螺栓及螺母进行连接，以实现力矩的测量。

磁性编码器13通过轴肩定位固定于柔轮输出法兰11上，实现低速轴输出的速度测量。

输出外壳15与电机外壳之间相对转动。

直流无刷伺服电机1、谐波减速器10、制动器3、光电编码器4、驱动控制板5以及力矩传感器12都是中心孔结构。

输入高速轴14以及柔轮输出法兰11也是中空结构，实现关节内以及关节之间的走线，方便数据的传输以及电机的控制。

在本发明的优选实施例中：

传感器信号采集方案：在关节内集成了位置传感器(高速端光电编码器)、速度传感器(输出端磁性编码器)、力矩传感器(固定于输出端盖)。

位置传感器：增量式光电编码器，选择带细分的差分数字abz输出，属于ttl电平信号，根据控制芯片的类型决定是否需要ad转换，此传感器支持spi通信协议，通过spi通信协议与控制驱动板进行数据传输。

速度传感器：绝对式磁性编码器，此传感器支持spi通信协议，传感器与控制驱动板的数据传输采用spi通信协议。

力矩传感器的输出信号标准是频率信号，与原始电路整合设计输出模拟信号，则需要对其进行调理，然后进行ad转换，将模拟信号转换成数字信号后，与fpga之间以spi通信协议为基础进行数据交互。

为了达到高速数据存储及读取，在控制驱动板上集成了ddr3高速数据存储器，存储器与fpga之间在ddr3的ip核为基础的驱动电路的驱动下进行通信，实现数据的存储及读取；

控制驱动板与上位机的通信采用pcie4.0协议进行通信，通过此高速串行总线接收上位机的控制指令以及向上位机反馈采集信息；

为实现驱控一体化，在控制驱动板上集成了mosfet驱动电路，其产生电磁脉冲信号进行电机的驱动；

数据传输路线：从传感器收集到相应的数据之后，由spi通信接口到达控制驱动板的控制调理电路，ttl电平信号在经过调理后传输到fpga，模拟信号在经过ad转换后，由模拟信号转换成数字电路后再传输到fpga，在fpga进行处理后，数据由ddr3控制ip核为驱动到达ddr3芯片中进行缓存，mig实现对于ddr3的读取控制，在ddr3将数据完成缓存之后，当fpga接收到命令时，将数据从ddr3中读出来，然后利用级联结构dma接口方式的pcie总线传输控制器，实现数据的高速传输；

数据经过cpu的时候可以实现电机控制算法的比较运行，结合上位机传输过来的控制信号，以cpu中的控制器为基础产生pwm控制信号来控制驱动电路产生相应的电磁脉冲信号；

关节的信号采集以及驱动控制的方案如图3，通过此方案可实现数据的高速传输以及电机的控制；

pcb板的硬件布局主要分为以下几部分：

1、fpga控制芯片及其固件，这部分的组成是由fpga芯片以及烧录进去芯片的控制其他模块的硬件电路组成，是整个硬件电路的核心部分；

2、电源配置模块，通过电源端子进行+24v电源供电，电源配置模块经过分压元件将+24v电压分为+24v(给电机和力矩传感器)、+3.3v(给ad转换芯片、信号调理电路以及存储器芯片)、+5.5v(给两种编码器)、+5v(给电机驱动电路驱动)以及1.2v(给fpga)五路电压；

3、电机驱动模块，此模块包含电机的驱动芯片以及mosfet组成的全桥电路，接收来自fpga的pwm控制信号以产生脉冲，进行电机的驱动；

4、存储器模块，选择ddr3作为存储芯片，达到数据的高速存储和读取；

5、pcie总线接口模块，基于pcie的ip核实现的dma级联结构接口，以此实现与上位机的高速数据交互；

6、时钟配置模块，此模块包含了时钟芯片以及时钟调理电路，给总线接口模块、ad转换模块、fpga以及存储器模块提供时钟信号以及保证时钟信号的稳定输入；

集电源、驱动、控制于一体的硬件布局设计如图4所示；

根据上面的硬件设计，通过设计输入进行fpga的内部电路开发，完成控制器内部固件的设计，主要包括以下几部分；

1、ad控制电路，此控制电路基于spi通信协议实现，设计此固件电路完成ad转换芯片的控制；

2、ddr3控制电路，此控制电路基于ddr3的软ip核为基础，设计此固件电路完成高速存储芯片的控制；

3、pcie串行总线控制电路，此控制电路基于pcie的ip软核为基础，设计此固件电路完成控制接口的数据传输，完成与上位机的数据传输；

4、电机驱动芯片控制电路，此控制电路基于电机驱动芯片为基础，设计此固件电路进行点击驱动芯片的控制；

主控制器的固件控制逻辑设计如图5所示。

结合上诉的驱动控制方案图、硬件布局设计图以及设计的固件控制逻辑图，此关节的控制过程为：位置传感器、速度传感器以及力矩传感器进行关节数据的采集，并通过串行外设接口的方式以差分信号的形式传输到控制驱动板的前端调理电路，将数据进行消抖、滤波以及可编程增益放大处理后，得到准确完整的信号，传输到板上的ad芯片，后输入到fpga的引脚，此过程的数据传输遵循spi传输协议，也是根据此协议为基础进行ad控制电路的设计，其中传输到板上的位置和速度信号由于是ttl电平，可不经过模数变换直接输入到fpga的引脚，fpga的内嵌cpu会进行数据的存储，同时数据会在ddr3控制ip核为基础的ddr3控制器的驱动下传输到ddr3中进行数据的缓存，在fpga接收到读取信息时，将数据从ddr3读出来，并以ip核实现的pcie接口将数据通过pcie高速串行总线传输到上位机，进行数据的实时监测，此过程遵循pcie总线协议；cpu内已经下载好了控制算法，此控制算法根据位置、速度以及力矩数据，结合上位机传输的控制信号，进行速度、力矩以及位置的三闭环反馈控制，输出准确有效的脉宽调制控制信号到电机控制驱动电路，进而产生相应的脉冲信号进行电机的实时控制。整个控制过程实现的时间是极短的，能达到非常快的响应速度和高准确的精度，保证了高精度与安全性。

本发明实施例提供的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节其结构组成如图1所示，为了方便通讯及控制，采用了中心孔走线的方式。将模块化关节大体分为了三部分：转动输出部分、电机输入部分以及控制驱动部分。关节的传动原理为：在电源供给板5给bldc电机1供电之后，其转子部分带动高速轴14转动，作为关节系统的输入。图中所述的电磁驱动制动器3包括电磁铁、弹簧、两块摩擦片、转子，制动器的转子部分固定于高速轴14的右边，制动器的其余部分通过螺栓固定于静止后外壳6上。电机正常工作的时候，电磁铁处于通电的状态，产生电磁力对摩擦片进行吸附，转子部分正常随着高速轴转动。当发生故障掉电的时候，电磁铁断电，摩擦片失去电磁铁的吸附，使得弹簧向外弹出，摩擦柱受到两块摩擦片的挤压，与摩擦片相接触，在二者的挤压和摩擦柱的相对运动下产生摩擦力，从而产生制动力矩，制动器的加上一个定位垫圈进行轴向定位，防止其发生轴向的移动。在本设计关节内加入制动器可以保证在发货所能突发状况的时候，能够紧急通过机械制动来保护操作者避免受伤，在高速轴14的左边与谐波减速器10相连接，此类谐波减速器适用于轻量型关节，由波发生器、柔轮、刚轮三部分组成，具有小型、轻量、精度高、高转矩容量、安静运行等特点，谐波减速器的波发生器与高速轴固定，柔轮和刚轮都可以作为减速器的输出，以此达到减速的目的，此设计的模块用柔轮作为输出，与法兰盘11固连。为了使关节达到一定的柔性，在此关节的设计中加入了力矩传感器，所以输出法兰盘11与力矩传感器12的内环固连，力矩传感器的外环与此关节的输出法兰15固连，作为一体化关节的输出。

本发明基于高速串行总线来集成驱动、控制以及电源系统于一块pcb板上，图1所示的部件5便是，其与后外壳进行固定，同样采用中心孔的结构，实现数据的快速传输，方便信息的采集和电机的驱动控制。传统的关节集成设计的机械部分设计不考虑机械和电气之间的联系以及机械设计对控制的影响，如果关节的伺服性能达不到预期的目标则需要不断修改控制策略，甚至修改关节的布局零部件的更换。在一些传统的机械臂关节在设计当中，没有将控制器集成于关节内，或者通过外部电源进行关节内的供电，不便于更新和维修等问题。轻量型人机协作机械臂的工作任务和工作环境多变，可能工作在危险领域，可能与人类有亲密的接触，因此，安全性是此关节要考虑到的首要问题。所以除了实现传统的位置控制以外，还需要具有好的柔顺性，防止在机械臂与人发生接触时候对操作者造成损伤，在此关节里面设计布置了位置传感器、速度传感器以及力矩传感器进行关节相应数据的采集，传输到控制驱动板以实现关节的柔性控制。传统的模块化关节将实现关节的驱动、控制、电源三部分所分开，在三块pcb板子上实现对应的功能，所占用的关节内空间较多，现在的模块化关节的发展方向是趋于高速数据传输、小型化、轻量化、安全性高、互换性强。

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。