一种力感知的伺服驱动模块的制作方法

本实用新型涉及伺服电机驱动器的技术领域，更具体的涉及一种力感知的伺服驱动模块。

背景技术：

电机驱动器/执行器是机器人和自动化技术中对控制对象提供机械动力和控制作用的装置。在受控对象与环境动态交互过程中，动力学和运动学建模具有同等重要的控制效果。现有的驱动器或执行器通常只具有运动学特性，只能检测旋转角度、位移等运动学参数。在高端驱动技术中，采用精密力传感器来检测输出端力矩，这需要人工粘贴多个应变计和补偿标定；或者采用柔性机构，通过高精度多编码器差分方式，检测微量扭力应变来计算力矩；或者采用力矩电机和低减速比低摩擦的减速器，通过电流检测来等效输出力矩。而这些方式都需要定制传感器和电机，无法采用现有的标准化零件，导致其成本高昂，并且相应部件所占空间无法进一步优化，导致其无法微型化。

因此如何设计一款伺服驱动模块，其能够采用现有成熟技术和标准零件，以低成本的方式实现力感知和伺服控制，让驱动模块能够适应不同尺度尺寸、输出力的需求，是目前本领域亟待解决的问题。

现有力感知的驱动模块普遍成本高，体积较大，在机器人和自动化等领域应用受限。本实用新型使用紧凑的传动和感知结构，低成本的传感器结构，实现了大减速比下的力感知。

2、标准化零件和加工装配工艺。本实用新型关键传动零件均可以标准化批量生产，不需要复杂的人工装配工艺和标定过程。

3、同个模块结构，能适应从微型到大型的尺寸和输出力矩需求。本实用新型的机械结构设计，仅通过改变标准件的尺寸和参数，就可以满足从微型到大型的驱动控制需求

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种成本低、体积小巧、采用传统零部件就能够实现力感知和伺服控制的一种力感知的伺服驱动模块。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种力感知的伺服驱动模块，包括机架，在机架内设有高速旋转驱动部件、高速级减速传动机构、蜗轮蜗杆传动机构、蜗杆支撑测力机构和控制电路，所述的高速级减速传动机构与高速旋转驱动部件的输出轴齿轮啮合将高速旋转驱动部件的高速旋转运动减速到低速旋转运动并同时增加输出扭矩，所述的蜗轮蜗杆传动机构包括蜗轮部件和双联传动蜗杆部件，所述的双联传动蜗杆部件的上端与高速级减速传动机构的输出端传动连接，所述的双联传动蜗杆部件的下端与蜗轮部件啮合，所述的蜗杆支撑测力机构包括蜗杆支撑测力轴和端面轴向力检测传感部件，所述蜗杆支撑测力轴与机架固定连接，所述双联传动蜗杆部件与蜗杆支撑测力轴轴孔配合并能够绕轴线光滑转动，所述端面轴向力检测传感部件固定在蜗杆支撑测力轴的下端面，所述蜗轮部件的中心设有伸出机架的蜗轮输出轴，在蜗轮输出轴外设于用于检测输出旋转角度的角度检测器，所述角度检测器、高速旋转驱动部件与控制电路电连接。

作为优选，为了方便操作，所述的双联传动蜗杆部件包括上齿轮以及下蜗杆，所述下蜗杆与蜗轮部件啮合并位于蜗轮部件的右侧，所述上齿轮与高速级减速传动机构的输出端传动连接并位于高速级减速传动机构的左侧，所述的蜗杆支撑测力机构还包括锁紧轴套、第一旋转支撑部件和第二旋转支撑部件，所述第一旋转支撑部件、第二旋转支撑部件位于双联传动蜗杆部件两端面并与蜗杆支撑测力轴轴孔配合，所述锁紧轴套位于第一旋转支撑部件上方并轴向锁紧双联传动蜗杆部件。

作为优选，为了便于操作，所述的蜗轮部件包括第一蜗轮，所述第一蜗轮与下蜗杆啮合，所述蜗轮输出轴位于第一蜗轮中心，在蜗轮输出轴两端套有分别位于第一蜗轮两端面的第一蜗轮输出端轴承和第二蜗轮输出端轴承。

作为优选，为了对蜗轮部件以及蜗轮蜗杆传动机构、高速级传动机构转动位置的限制，实现转动时不会出现偏差，所述的机架包括相互配合锁紧的第一基座和外壳，所述第一蜗轮输出端轴承设于第一基座的轴孔内，在第一基座内固定有限制蜗轮部件非传动自由度的第二基座，所述第二蜗轮输出端轴承设于第二基座的轴孔内。

作为优选，所述的高速旋转驱动部件可以是电机或者液压马达，所述的高速旋转驱动部件固定在第一基座上。

作为优选，所述的蜗轮输出轴可制成与第一蜗轮一体成型的实心轴形式或空心轴形式，还可以制成与第一蜗轮分体成型的实心轴或空心轴形式。

作为优选，所述的高速级减速传动机构可以是齿轮传动或蜗轮蜗杆传动或带传动形式。

作为优选，使得操作更加方便，所述的高速级减速传动机构为二级双联直齿轮减速机构，其包含一级减速齿轮、一级减速齿轮支撑轴、另一级减速齿轮和另一级减速齿支撑轴，所述一级减速齿轮套于一级减速齿轮支撑轴外，所述一级减速齿轮支撑轴设于第一基座的轴孔内，所述一级减速齿轮上方的第一大齿轮与输出轴齿轮啮合，所述一级减速齿轮下方的第一小齿轮与另一级减速齿轮上方的第二大齿轮啮合，所述另一级减速齿轮下方的第二小齿轮与上齿轮啮合，所述另一级减速齿轮套于另一级减速齿支撑轴上，所述另一级减速齿支撑轴设于第二基座的轴孔内。

作为优选，所述的控制电路包括主控板以及角度检测电路板，所述主控板位于第二基座下方的第一基座内，所述角度检测电路板固定在第二基座的一侧，所述的角度检测器与角度检测电路板电连接，所述角度检测电路板与主控板电连接，所述主控板与高速旋转驱动部件电连接。

作为优选，使得输出能起到减速作用，在伸出机架的蜗轮输出轴部分外设有与主控板电连接的末级减速器，所述末级减速器采用小减速比、摩擦力小的行星齿轮减速器或者摆线针轮减速器，其减速比选用2-36。

较现有技术，本实用新型的基础功能是在紧凑设计空间内实现高减速比和力矩放大，并检测蜗杆轴向力来间接测量蜗轮输出力矩。在此基础上，解耦机构(即为高速级减速传动机构)隔离了高速旋转驱动部件和力检测机构，合理配置了传动空间，减小噪声影响和惯量等。轴端力检测结构使力检测传感部件安装更加可靠便捷，装配工艺简单，检测精度和可靠性更高，综上所述本实用新型采用高速减速级传动结构解耦并传递动力，再采用蜗杆蜗轮构成输出端传动和力检测结构。并通过轴向端面形式的力测量结构精确测量轴向力，最终具有以下优点：

1、本实用新型采用高速级减速传动解耦高速旋转驱动部件与轴向力测量结构，减小了力测量结构的质量、惯量和传动噪声；

2、力测量结构采用端面安装方式，不需要手工安装多个力检测传感部件，简化装配工艺、提高检测精度，同时可以实现批量化、自动化生产；

3、各个零部件均采用标准化零件和标准化的加工装配工艺，因此零件均可以标准化批量生产，不需要复杂的人工装配工艺和标定过程，因此相对整体成本低操作更加方便；

4、同时整个结构空间紧凑，同时各个部件紧凑设置使得整体体积小巧；相比现有的力感知驱动模块由于普遍成本高，体积较大，在机器人和自动化等领域应用受限，本实用新型由于体积小巧，成本低，实现了大减速比下的力感知，更适合使用。

5、本实用新型的机械结构设计，仅通过改变标准件的尺寸和参数，就可以满足从微型到大型的驱动控制需求，同时由于设置减速装置，最终使得同个模块结构，能适应从微型到大型的尺寸和输出力矩需求，使得适用范围更广。

附图说明

图1是本实施例1中一种力感知的伺服驱动模块的整体结构示意图；

图2是本实施例1中一种力感知的伺服驱动模块的分解示意图；

图3是本实施例1中一种力感知的伺服驱动模块去除机壳时的结构示意图；

图4是本实施例1中蜗轮部件与两个蜗轮输出端轴承分解结构示意图；

图5是图3中双联传动蜗杆部件与其他部件分解时的结构示意图；

图6是本实施例1中一种力感知的伺服驱动模块的剖视图；

图7是本实施例2中一种力感知的伺服驱动模块的整体结构示意图；

图8是图中末级减速器与力感知的伺服驱动模块分离时的结构示意图。

其中：1-机架，101—高速旋转驱动部件，102-高速级减速传动机构，1021—输出轴齿轮，1022-另一级减速齿轮，1023-另一级减速齿支撑轴，1024-一级减速齿轮，1025-一级减速齿轮支撑轴，1032-角度检测器，103-蜗轮蜗杆传动机构，104-第一基座，105-第二基座，106-外壳，107-蜗杆支撑测力机构，108-主控板，111-锁紧轴套，1121-第一旋转支撑部件，1122-第二旋转支撑部件，113-双联传动蜗杆部件，114-蜗杆支撑测力轴，115-端面轴向力检测传感部件，121-蜗轮部件，1212-蜗轮输出轴，1221-第一蜗轮输出端轴承，1222-第二蜗轮输出端轴承，1033-角度检测器，123-末级减速器；1131-上齿轮，1132-下蜗杆，1024-1-第一大齿轮，1024-2-第一小齿轮，1022-1-第二大齿轮，1022-2-第二小齿轮。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步详述，以使本实用新型技术方案更易于理解和掌握。

实施例1：

如图1-图4示，本实施例公开的一种力感知的伺服驱动模块，包括机架1，在机架1内设有高速旋转驱动部件101、高速级减速传动机构102、蜗轮蜗杆传动机构103、蜗杆支撑测力机构107和控制电路，所述的高速级减速传动机构102与高速旋转驱动部件101的输出轴齿轮1021啮合将高速旋转驱动部件101的高速旋转运动减速到低速旋转运动并同时增加输出扭矩，所述的蜗轮蜗杆传动机构103包括蜗轮部件121和双联传动蜗杆部件113，所述的双联传动蜗杆部件113的上端与高速级减速传动机构102的输出端传动连接，所述的双联传动蜗杆部件113的下端与蜗轮部件121啮合，所述的蜗杆支撑测力机构107包括蜗杆支撑测力轴114和端面轴向力检测传感部件115，所述蜗杆支撑测力轴114与机架1固定连接，所述双联传动蜗杆部件113与蜗杆支撑测力轴114轴孔配合并能够绕轴线光滑转动，所述端面轴向力检测传感部件115固定在蜗杆支撑测力轴114的下端面，所述蜗轮部件121的中心设有伸出机架1的蜗轮输出轴1212，在蜗轮输出轴1212外设于用于检测输出旋转角度的角度检测器1033，所述角度检测器1033、高速旋转驱动部件101与控制电路电连接。

在本实施例中当负载作用于蜗轮扭矩时，会在双联传动蜗杆上产生等比例的轴向力，传递到应变轴产生微量轴向压力形变，所述的端面轴向力检测传感部件115包括但不限于电容式传感器、光电式传感器、电阻式传感器等由微量轴向压力形变而造成输出信号变化的传感器，角度检测器1033用于测量蜗轮输出轴转角。

作为优选，为了方便操作，所述的双联传动蜗杆部件113包括上齿轮1131以及下蜗杆1132，所述下蜗杆1132与蜗轮部件121啮合并位于蜗轮部件121的右侧，所述上齿轮1131与高速级减速传动机构102的输出端传动连接并位于高速级减速传动机构102的左侧，所述的蜗杆支撑测力机构107还包括锁紧轴套111、第一旋转支撑部件1121和第二旋转支撑部件1122，所述第一旋转支撑部件1121、第二旋转支撑部件1122位于双联传动蜗杆部件113两端面并与蜗杆支撑测力轴114轴孔配合，所述锁紧轴套111位于第一旋转支撑部件1121上方并轴向锁紧双联传动蜗杆部件113。在本实施例中锁紧轴套111与蜗杆支撑测力轴114上端锁紧连接，来限制双联传动蜗杆部件的轴向位移和传递轴向力，锁紧方式可为螺纹锁紧、紧定螺丝套锁紧、销套锁紧等方式。优选地，采用螺纹锁紧方式，第一旋转支撑部件1121和第二旋转支撑部件1122分别紧贴双联传动蜗杆部件的上下端面，用于传递轴向力并保证双联传动蜗杆部件能够相对蜗杆支撑测力轴114、锁紧轴套小阻力旋转，第一旋转支撑部件1121和第二旋转支撑部件1122类型包括但不限于推力球轴承或推力球轴承保持架或卡簧，同时蜗杆支撑测力轴114下端面外轮廓与第一基座104固接，蜗杆支撑测力轴114下端面外轮廓与第一基座104的固接方式包括但不限于胶接、焊接、螺纹锁紧连接。

工作时，通过高速旋转驱动部件101工作带动输出轴齿轮1021旋转，同步带动高速级减速传动机构102进行旋转并将高速旋转驱动部件101的高速旋转运动减速到低速旋转运动并同时增加输出扭矩，同时在双联传动蜗杆部件实现和驱动部件、减速级的力解耦，便于测量蜗杆轴向力，然后减速后驱动蜗轮蜗杆传动机构103旋转，由蜗轮蜗杆传动机构103旋转带动蜗轮输出轴1212旋转，最终实现驱动的作用，并通过角度检测器1033来感知输出的旋转角度，并通过端面轴向力检测传感部件115来检测蜗杆轴向力的大小，最终间接来测量蜗轮的输出力矩。

作为优选，为了便于操作，所述的蜗轮部件121包括第一蜗轮1211，所述第一蜗轮1211与下蜗杆1132啮合，所述蜗轮输出轴1212位于第一蜗轮1211中心，在蜗轮输出轴1212两端套有分别位于第一蜗轮1211两端面的第一蜗轮输出端轴承1221和第二蜗轮输出端轴承1222。

作为优选，为了对蜗轮部件121以及蜗轮蜗杆传动机构、高速级传动机构转动位置的限制，实现转动时不会出现偏差，所述的机架1包括相互配合锁紧的第一基座104和外壳106，所述第一蜗轮输出端轴承1221设于第一基座104的轴孔内，在第一基座104内通过螺丝固定有限制蜗轮部件121非传动自由度的第二基座105，所述第二蜗轮输出端轴承1222设于第二基座105的轴孔内，在本实施例中，第一基座104用于限制蜗轮蜗杆传动机构、高速级传动机构的非传动自由度。第二基座105用于限制蜗轮非传动自由度，所述的第一蜗轮输出端轴承1221和第二蜗轮输出端轴承1222用于承受蜗轮径向力，同时当模块尺寸受限时，可以移除第一蜗轮输出端轴承1221和第二蜗轮输出端轴承1222，同时本实施例中的第一基座104可根据高速级减速传动机构轴向剖分成上下两半或者所有基座可以制成一体来增加结构强度等，最终便于高速级减速传动机构安装，在本实施例中在第一基座104内通过螺丝固定有限制蜗轮部件121非传动自由度的第二基座105的固定方式还可以是压合、焊接之类的。

另外，第一基座、第二基座也可以制成一体，或者上下剖分结构等。

作为优选，所述的高速旋转驱动部件101可以是电机或者液压马达，所述的高速旋转驱动部件101固定在第一基座104上，在本实施例中考虑结构配置的问题，优先选用高速旋转驱动部件101为电机。

作为优选，所述的蜗轮输出轴1212可制成与第一蜗轮1211一体成型的实心轴形式或空心轴形式，还可以制成与第一蜗轮1211分体成型的实心轴或空心轴形式，在本实施例中蜗轮输出轴1212制成空心结构时，对应轴线上的其他部件均制成空心结构，便于电气走线。

作为优选，所述的高速级减速传动机构102可以是齿轮传动或蜗轮蜗杆传动或带传动形式，在本实施例中优先选用齿轮传动，本实施例中高速级减速传动机构可由一级或多级传动串联构成(本实施例采用2级，还可以采用其他级别的形式，不是对本实用新型的限制)。

作为优选，使得操作更加方便，所述的高速级减速传动机构102为二级双联直齿轮减速机构，其包含一级减速齿轮1024、一级减速齿轮支撑轴1025、另一级减速齿轮1022和另一级减速齿支撑轴1023，所述一级减速齿轮1024套于一级减速齿轮支撑轴1025外，所述一级减速齿轮支撑轴1025设于第一基座104的轴孔内，所述一级减速齿轮1024上方的第一大齿轮1024-1与输出轴齿轮1021啮合，所述一级减速齿轮1024下方的第一小齿轮1024-2与另一级减速齿轮1022上方的第二大齿轮1022-1啮合，所述另一级减速齿轮1022下方的第二小齿轮1022-2与上齿轮1131啮合，所述另一级减速齿轮1022套于另一级减速齿支撑轴1023上，所述另一级减速齿支撑轴1023设于第二基座105的轴孔内。所述的高速级减速传动机构102还可以是多级齿轮减速传动结构，在实际设计中双联直齿轮减速传动结构中还可以采用斜齿轮、蜗轮蜗杆、锥齿轮、带传动等均可，传动级数也不限于二级。

作为优选，所述的控制电路包括主控板108以及角度检测电路板1032，所述主控板108位于第二基座105下方的第一基座104内，所述角度检测电路板1032固定在第二基座105的一侧，所述的角度检测器1033与角度检测电路板1032电连接，所述角度检测电路板1032与主控板108电连接，所述主控板108与高速旋转驱动部件101电连接。

在本实施例中，所述的控制电路由主控板108以及角度检测电路板1032组成。其中根据设计空间需求，在具体实施例方式中角度检测电路板1032可合并到上主控板108，只用一块电路板，角度检测器1033包括但不限制光电编码器、旋转变压器、磁编码器。优选地，采用绝对式磁编码器。主控板108与端面轴向力检测传感部件、角度检测电路板1032形成电气连接，处理力检测传感部件、角度检测器相关信号，并驱动高速旋转驱动部件。

本实用新型提出的力感知的伺服驱动模块，其基础功能是在紧凑设计空间内实现高减速比和力矩放大，并检测蜗杆轴向力来间接测量蜗轮输出力矩。在此基础上，解耦机构(即为高速级减速传动机构)隔离了高速旋转驱动部件和力检测机构，合理配置了传动空间，减小噪声影响和惯量等。轴端力检测结构使力检测传感部件安装更加可靠便捷，装配工艺简单，检测精度和可靠性更高，综上所述本实用新型采用高速减速级传动结构解耦并传递动力，再采用蜗杆蜗轮构成输出端传动和力检测结构。并通过轴向端面形式的力测量结构精确测量轴向力，最终具有以下优点：

1、本实用新型采用高速级减速传动解耦高速旋转驱动部件与轴向力测量结构，减小了力测量结构的质量、惯量和传动噪声；

2、力测量结构采用端面安装方式，不需要手工安装多个力检测传感部件，简化装配工艺、提高检测精度，同时可以实现批量化、自动化生产；

3、各个零部件均采用标准化零件和标准化的加工装配工艺，因此零件均可以标准化批量生产，不需要复杂的人工装配工艺和标定过程，因此相对整体成本低操作更加方便；

4、同时整个结构空间紧凑，同时各个部件紧凑设置使得整体体积小巧；相比现有的力感知驱动模块由于普遍成本高，体积较大，在机器人和自动化等领域应用受限，本实用新型由于体积小巧，成本低，实现了大减速比下的力感知，更适合使用。

5、本实用新型的机械结构设计，仅通过改变标准件的尺寸和参数，就可以满足从微型到大型的驱动控制需求，同时由于设置减速装置，最终使得同个模块结构，能适应从微型到大型的尺寸和输出力矩需求，使得适用范围更广。

实施例2：

如图7、图8所示，本实施例公开的一种力感知的伺服驱动模块，为了使得输出能起到减速作用，在伸出机架1的蜗轮输出轴1212部分外设有与主控板108电连接的末级减速器123，所述末级减速器123采用小减速比、摩擦力小的行星齿轮减速器或者摆线针轮减速器，其减速比选用2-36，通过蜗轮输出轴1212作为输入再连接到末级减速器123，用于减小模块回程误差和提高扭矩。末级精密减速器选用减速比较小、摩擦阻力较小的减速机构，可采用行星减速器、摆线针轮减速器、谐波减速器、同步带等减速其。优选地，采用小减速比的行星减速器或小减速比的摆线针轮减速器，在本实施例中当蜗轮输出轴1212制成空心结构时，对应轴线上的其他部件均制成空心结构，便于电气走线，即末级减速器123、角度检测器1033均采用中空的形式。

当然，以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。