减速电机及包含其的机器人的制作方法

本实用新型涉及电机技术领域，特别涉及一种减速电机及包含其的机器人。

背景技术：

近年来机器人的发展对机电执行系统提出了越来越高的要求。在机器人运行过程中，精确获取机器人各个关节的输出位置至关重要。为了获取关节的输出绝对位置，现有以下方案：

现有技术方案之一将电机减速输出端通过刚性轴贯穿整个电机，在电机后部安装输出侧的绝对位置编码器或增量式编码器。这种方式一方面机械结构较为复杂，只有特定具有中空结构的减速器，比如摆线针轮减速器，才适用此方案。另一方面，当输出侧使用绝对位置编码器时，成本高昂；当输出侧使用增量式编码器时，断电重新开机后需要电机运动之后才能确定输出侧的绝对位置；

现有技术方案之一在输出端使用增量式编码器，配合限位开关确保绝对位置读数的正确性，这种方式成本相对上述方案较低，但是限位开关和增量式编码器较占空间，对空间要求高的机器人不适用。同时，此方案限制了执行器的可动范围；

现有技术方案之一在输出端使用增量式编码器，并配备电池，使得机器人主电源断电后依然能记录读数。这种方案虽然可靠，但其零件繁多，对空间紧凑的应用场景不利。

综上所述，现有技术中，机器人减速电机的执行系统尚不能同时满足结构简单、紧凑、对减速器类型没有选择性、低成本、不受断电影响、开机可直接读取输出绝对位置等的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施方式的目的在于提供一种减速电机及包含其的机器人，以使得减速电机结构简单、紧凑、对减速器类型没有选择性、低成本、不受断电影响、开机可直接读取输出绝对位置，从而更好满足机器人应用要求。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种减速电机，包括：设置于电机侧的绝对值编码器以及设置于电机输出侧的增量式编码器；

所述绝对值编码器以及所述增量式编码器均连接处理计算模块；

所述绝对值编码器以及所述增量式编码器分别用于向所述处理计算模块提供所述电机侧的位置信息x以及输出侧的位置信息q；其中，所述电机侧的转动信息z1与所述输出侧的位置信息q一一对应，z1＝r1*m+x,r1为所述输出侧每转动一圈所述z1中包含的所述电机侧累计转动的圈数，m为所述绝对值编码器的分辨率。

本实用新型的实施方式还提供了一种机器人，包括如前所述的减速电机。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，通过在电机侧设置绝对值编码器，在电机输出侧设置增量式编码器，且使得电机侧的转动信息z1与增量式编码器提供的输出侧的位置信息q一一对应，其中，z1＝r*m+x,r为输出侧每转动一圈z1中包含的电机侧累计转动的圈数，m为绝对值编码器的分辨率，从而可基于减速电机提供的电机侧的位置信息x以及输出侧的位置信息q直接计算得到输出侧的绝对位置。由于本实用新型实施方式直接在电机侧设置绝对值编码器，在电机输出侧设置增量式编码器，因此不要求减速电机的减速器具有特定中空结构，对减速器类型没有选择性，且无需额外增加电池、限位开关、对绝对值编码器以及增量式编码器的精度要求低，从而使得减速电机结构简单、紧凑，整体成本低，且不受断电影响，在重启开机后可直接获取输出侧的绝对位置，使用更方便。

作为一个实施例，所述减速电机还包括：减速器输出轴；所述增量式编码器包括：磁性码盘以及n个磁性数字开关；所述磁性码盘与所述减速器输出轴固定连接；

其中，表示上取整；

所述n个磁性数字开关的电周期两两不相等，r为减速比。

作为一个实施例，u与所述增量式编码器的磁性码盘的电周期总数互质；其中，r＝u/v，r为减速比,u和v均为正整数，且u与v互质。

作为一个实施例，所述减速电机还包括：

电机转子以及与所述电机转子固定连接的电机转子输出轴；

所述绝对值编码器包括：径向充磁磁铁以及绝对值编码器芯片；

所述径向充磁磁铁与所述电机转子输出轴固定连接；

所述绝对值编码器芯片与所述处理计算模块电性连接。

作为一个实施例，所述径向充磁磁铁为沿直径方向充磁的圆柱形双极磁铁。

作为一个实施例，所述处理计算模块设置于所述电机侧，所述增量式编码器通过走线与所述处理计算模块连接；

所述走线布设于所述减速电机的减速器外侧。

附图说明

图1是根据本实用新型实施方式减速电机的结构示意图；

图2是根据本实用新型实施方式减速电机的增量式编码器的安装结构示意图；

图3是根据本实用新型实施方式减速电机的一种输出侧绝对位置检测方法的流程图；

图4是根据本实用新型实施方式减速电机的输出侧绝对位置检测方法中确定圈数r1的流程图；

图5是根据本实用新型实施方式减速电机的另一种输出侧绝对位置检测方法的流程图；

图中标记示意为：10-电机转子；11-电机转子输出轴；12-绝对值编码器；120-径向充磁磁铁；121-绝对值编码器芯片；20-减速器；21-减速器输出轴；22-增量式编码器；220-磁性码盘；221-磁性数字开关；30-处理计算模块；300-微型计算机；301-电路板。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施方式中，为了使读者更好地理解本实用新型而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本实用新型所要求保护的技术方案。

本实用新型的实施方式涉及一种减速电机，作为示例而非限制，适用于机器人减速电机执行系统。

如图1所示，该减速电机包括：电机转子10、电机转子输出轴11、减速器20、减速器输出轴21、设置于电机侧的绝对值编码器12以及设置于电机输出侧的增量式编码器22；绝对值编码器12以及增量式编码器22均连接处理计算模块30；绝对值编码器12以及增量式编码器22分别用于向处理计算模块30提供电机侧的位置信息x以及输出侧的位置信息q；其中，电机侧的转动信息z1与输出侧的位置信息q一一对应，z1＝r*m+x,r为输出侧每转动一圈z1中包含的电机侧累计转动的圈数，m为绝对值编码器的分辨率。

具体而言，绝对值编码器12可以包括径向充磁磁铁120以及绝对值编码器芯片121。电机转子10、电机转子输出轴11以及径向充磁磁铁120三者固定连接，在电机运作时，绝对值编码器芯片121相对电机转子10保持静止。径向充磁磁铁120可以采用沿直径方向充磁的圆柱形双极磁铁。在电机运作时，绝对值编码器芯片121实时检测径向充磁磁铁120的方向，并以分辨率m输出电机侧的位置信息x，x为0≤x＜m中的任意整数。举例而言，本实施例中，m＝4096，x可以为0至4095中的任意整数。

本实施例中，增量式编码器22包括：磁性码盘220和n个磁性数字开关221，磁性数字开关比如为霍尔磁性感应数字开关。具体地，电机转子输出轴11连接减速器20，减速器20连接减速器输出轴21，即电机转子输出轴11的输出经过减速器20减速后由减速器输出轴21输出。磁性码盘220为环形，与减速器输出轴21固定连接。当电机运作时，减速器输出轴21和磁性码盘220运动，磁性数字开关221保持相对静止。

如图2所示，本实施例中，磁性码盘220包括50个极，分为25个电周期，每个电周期包含一个磁极n极和一个磁极s极，n极磁场方向朝外。当电机运作时，磁性码盘220运动，增量式编码器22根据磁性数字开关221所在位置对应的磁性码盘220的磁极n极或s极输出高电平或低电平信号，比如，当磁性数字开关221所在位置对应磁性码盘220的磁极s时，该磁性数字开关221输出高电平，当磁性数字开关221所在位置对应磁性码盘220的磁极n时，该磁性数字开关221输出低电平，高低电平可以分别采用1、0表示，因此，n个磁性数字开关221的输出即为增量式编码器提供的输出侧的位置信息，记作q，q为长度为n位的二进制数字。本实施例对于增量式编码器的结构不做具体限制，比如磁性码盘的极数还可以为26个等。

本实施例的减速电机的减速比为r，即，电机转子10每转动r圈，减速器输出轴21转动一圈，因此，在减速电机运作时，若保证电机侧的转动信息z1与输出侧的位置信息q一一对应，即可根据绝对值编码器12提供的电机侧的位置信息x以及增量式编码器提供的输出侧的位置信息q得到输出侧的绝对位置。其中，z1＝r1*m+x,r为输出侧每转动一圈z1中包含的电机侧累计转动的圈数，m为绝对值编码器的分辨率。由于z1＝r1*m+x，因此，z1与q一一对应等价于r1、x以及q三者一一对应。

为了保证电机侧的转动信息z1与输出侧的位置信息q一一对应，减速电机的相关配置及参数需要满足以下条件：

表示上取整，比如，log2r等于2.9时，n≥3；

在实际应用中，减速比r应为大于1的有理数；若r为整数，则需要满足：增量式编码器22的磁性码盘的电周期总数与r的最大公约数为1，即p/2与r最大公约数为1；若r不为整数，则任取i＝1,2...的整数，都有v/u*i不能被2/p整除；其中，r＝u/v,u和v均为正整数，且u与v互质，表示下取整，p为磁性码盘的磁极数；

在n个磁性数字开关中，存在个磁性数字开关的电位角两两不相等；即存在包含个磁性数字开关的集合，在集合中任取两个所述磁性数字开关，分别固定于电机输出侧的位置φi、φj，必然有：φi％(720/p)≠φj％(720/p)，其中i和j为不大于n的自然数，且i≠j，表示上取整。

可以理解的是，上述条件是为了保证电机侧的转动信息z1与输出侧的位置信息q一一对应的必要条件，而不一定是充分条件，在实际应用中，减速电机的配置只要能够使得z1与q一一对应即可，本实施方式不对减速电机的具体配置做任何限制。

在一个例子中，表示上取整，n个磁性数字开关的电周期两两不相等。

在一个应用中，u与增量式编码器22的磁性码盘的电周期总数互质；其中，r＝u/v，r为减速比,u和v均为正整数，且u与v互质。电周期总数等于p/2，即p/2与u互质。

本实施例中，p＝50，且n个磁性数字开关的电位角两两不相等。这样可以采用最少数量的磁性数字开关达到检测输出侧绝对位置的目的。具体地，n个磁性数字开关固定于电机输出侧的位置φi可以这样确定：

n个磁性数字开关中，第i个磁性数字开关固定于电机输出侧的以下位置φi处：720/p×(di+(i-1)/n)+offset；其中，di为小于或者等于p/2的整数，i取遍1到n之间的整数，offset为任意数字。本实施例中，d1＝0，d2＝8，d3＝16，offset＝1°，即3个磁性数字开关分别固定于电机输出侧的1°、121°、241°位置，即φ1＝1°、φ2＝121°、φ3＝241°；且3个磁性数字开关两两之间相隔1/3个电周期。从而可保证z1与q一一对应。

可以理解的是，在实际应用中，增量式编码器22还可以包含备用磁性数字开关，从而可在某些磁性数字开关失效时，使用备用的磁性数字开关替代失效的磁性数字开关，提高电机维护的便利性。

本实施例中，绝对值编码器芯片121以及增量式编码器22的n个磁性数字开关221均与处理计算模块30电性连接，然不限于此。具体地，处理计算模块30可以设置于电机侧，增量式编码器22通过走线与处理计算模块30连接，该走线可布设于减速电机的减速器20外侧，因此，不要求减速器为中空结构，从而可提高本实施方式的适用范围。

本实施例中，处理计算模块30可以包括：微型计算机300和电路板301。其中，微型计算机300包括：存储器和处理器。存储器为非易失性存储介质，在微型计算机300断电后存储内容不会消失。电路板301是微型计算机300和绝对值编码器芯片121的物理载体，微型计算机300和绝对值编码器芯片121可焊接固定在电路板301上，绝对值编码器芯片121位于电路板301更靠近减速器20的一侧，微型计算机300位于电路板301的另一侧。电路板301提供微型计算机300和绝对值编码器芯片121必要的外围电路和电源。

在实际应用中，处理计算模块30在获取到电机侧的位置信息x以及输出侧的位置信息q后，可以通过实时计算以及查表法得到输出侧的绝对位置。

如图3所示，处理计算模块30实时计算得到输出侧绝对位置的方法包括以下步骤：

步骤301：根据电机侧的位置信息x以及输出侧的位置信息q得到z1中包含的圈数r1；

其中，该圈数r1还为电机侧相对预设电机侧零点位置转过的圈数r1。

步骤302：根据r1以及电机侧的位置信息x得到相对预设的输出侧零点位置的输出侧绝对位置。

其中，电机侧零点位置与输出侧零点位置对应。

电机侧零点位置是电机侧绝对位置的参考位置，输出侧零点位置是输出侧绝对位置的参考位置，且电机侧零点位置和输出侧零点位置对应，在实际应用中，可以通过初始化方式得到电机侧零点位置和输出侧零点位置。比如，在减速电机执行系统首次通电时，可以控制电机缓慢旋转，并检测第一个使得增量式编码器的读值由第一规定值变化到第二规定值时的绝对值编码器的读值z和增量式编码器的读值q1,分别作为电机侧零点位置和输出侧零点位置。

本实施例中，一个电周期对应的减速器输出轴机械角为720°/p＝720°/50＝14.4°，而3个磁性数字开关221两两之间相隔1/3个电周期，每个电周期的相位角为360°，因此，3个磁性数字开关221两两之间的相位角之差为120°。当磁性码盘220旋转一周时，三个磁性数字开关的输出包括：

101->100->110->010->011->001->101或001->011->010->110->100->101->001的周期变化，其中->表示变化的顺序，左侧先于右侧发生。磁性数字开关输出的信号由微型计算机300读取。在本实施例中，可规定001->011->010->110->100->101->001的变化方向为正方向。在初始化时，可控制电机正方向缓慢转动，速度可以在20rpm(转/分)以下，当检测到输出侧增量式编码器的值由010到110变化时，将110对应的电机侧绝对值编码器的读值z作为电机侧零点位置，110作为输出侧零点位置，z比如为1000，则1000-110即为对应的电机侧零点位置和输出侧零点位置。可以理解的是，本实施例对于电机运转方向以及第一规定值和第二规定值均不作限制，只要第一规定值和第二规定值是在对应周期中连续出现的。

如图4所示，步骤301根据电机侧的位置信息x以及输出侧的位置信息q得到z1中包含的圈数r1可以包括步骤401至步骤406。

步骤401：将圈数取值变量r赋值为0；

在实际应用中，圈数取值变量r的取值范围可根据r的大小确定。

步骤402：判断r的取值是否小于r，如果r的取值小于r则执行步骤404，否则执行步骤403输出q，x为无效值，即根据当前的q、x无法确定输出侧绝对位置。在本实施例中，r＝6；

步骤404：判断r的取值是否能使q，x成立(即确定r的取值与x、q是否一一对应)，若成立，则执行步骤406，输出r的取值，此时，r的取值即为与q、x对应的电机侧相对预设的电机侧零点位置转过的圈数r1,否则执行步骤405；

步骤405：将r赋值为r+1，然后返回步骤402。

步骤404判断r的取值是否能使q，x成立中，具体可以包括：根据以下公式计算得到与当前的圈数取值r以及x对应的各磁性数字开关的相位角θi；

若各磁性数字开关的相位角θi均与q对应，则确定当前的圈数取值r与x、q对应；其中，％表示求余，m为绝对值编码器的分辨率，z为电机侧的零点位置，p为增量式编码器的磁性码盘的极数，为各磁性数字开关在输出侧零点位置处的相位角，其中i取遍包含1到n的整数。

换言之，步骤404判断r的取值是否能使q，x成立中，具体包括：根据r的取值以及x分别计算得到每个磁性数字开关的数字的相位角，再根据磁性数字开关的相位角与磁性数字开关的输出的对应关系确定各磁性数字开关的第一读值，然后根据各第一读值与微型计算机读取的q中对应的第二读值的比对结果，确定当前的圈数取值r与x、q是否一一对应。

本实施例中，分别将位于电机输出侧1°、121°以及241°位置处的磁性数字开关记为k1、k2以及k3。当输出侧位于零点位置时，比如q的输出从001变化到101时，k1、k2以及k3的数字的相位角分别为0°、120°以及240°，即k1、k2以及k3对应的分别为0°、120°以及240°。

根据公式(一)分别计算得到：

θ1＝((((r*m+x-z)/m/r*360)％(720/p))*p/2-0)％360；

θ2＝((((r*m+x-z)/m/r*360)％(720/p))*p/2-120)％360；

θ3＝((((r*m+x-z)/m/r*360)％(720/p))*p/2-240)％360；

其中，θ1、θ2以及θ3分别为根据r的取值以及x计算得到的k1、k2以及k3的相位角，单位均为°。

磁性数字开关的相位角与磁性数字开关的输出的对应关系比如为：如果0≤θi＜180，则磁性数字开关的对应读数为1，如果180≤θi＜360，则磁性数字开关的对应读数为0，从而可以据此确定k1、k2以及k3的数字读值，分别记作3个磁性数字开关的第一读值,且q中各磁性数字开关对应的第二读值按照相同方式确定。当3个磁性数字开关的第一读值与微型计算机读取的q中的第二读值均一致时，确定当前的r的取值使q，x成立，否则，判定当前的r的取值为错误值。比如，当根据计算出的相位角确定k1、k2以及k3的读值分别为1、0、1，而q中的第二读值亦为1、0、1时，确定当前的r的取值使q，x成立，否则，比如，q中的第二读值分别为0、0、1时，则确定当前的r的取值不能使q，x成立。

步骤302根据r1以及电机侧的位置信息x得到相对预设的输出侧零点位置的输出侧绝对位置中，通过以下公式计算得到输出侧绝对位置a：

a＝(r1*m+x-z)/m/r*360(二)，单位为°。

从公式(二)可以看出，输出侧绝对位置的精度由电机侧绝对值编码器的分辨率m以及减速比r的乘积决定，即，当电机侧绝对值编码器的分辨率为4096，减速比为6时，输出侧绝对位置的精度可达24576。因此，本实施方式在输出侧绝对位置精度要求相同的情况下，相比现有直接在输出侧设置绝对值编码器的方式，可以大大降低对于绝对值编码器的精度要求，从而有利于降低成本。

如图5所示，通过查表法得到输出侧绝对位置的方法包括步骤501至步骤503。

步骤501：获取电机侧绝对值编码器提供的电机侧位置信息以及电机输出侧的增量式编码器提供的的输出侧位置信息。

步骤502：从预设的位置圈数对照表中查找得到与电机侧位置信息以及输出侧位置信息对应的圈数作为圈数r1。

其中，该圈数r1同样为电机侧相对预设电机侧零点位置转过的圈数，电机侧零点位置以及对应的输出侧零点位置的获取方式请参考上文，此处不再赘述。

举例而言，本实施例中的位置圈数对照表可以这样得到：

控制电机转动使之到达零点位置，将r赋值为0，并控制电机正向旋转，当x由(z-1)％4096变化为z时，将r赋值为r+1；

如果r＜r则继续旋转电机；如果r≥r，则控制电机终止旋转；

在上述电机旋转过程中，读取并记录每一个电机侧绝对值编码器12的读值x、输出侧增量式编码器22的读值q和圈数r，得到位置圈数对照表。其中，位置圈数对照表中的每一个x、q、r组合均应是唯一的，即与表中的其他组合不相同。对于表中的每一个不同的x、q、r组合，可以将(x,q)作为表中元素的索引，r作为元素的值，存储在微型计算机300的存储器中。

步骤502中，当电机运行时，实时读取x,q的值，再通过索引(x,q)查找位置圈数对照表，即可直接读取对应元素的值，即可得到圈数r1。

步骤503：根据r1以及电机侧位置信息得到相对预设的输出侧零点位置的输出侧绝对位置。

步骤503与上述步骤302一致，此处不再赘述。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，通过在减速电机的电机侧设置绝对值编码器，输出侧设置增量式编码器，且使得电机侧的转动信息z1与增量式编码器提供的输出侧的位置信息q一一对应，从而即可根据实时读取的电机侧位置信息x以及输出侧的位置信息q得到输出侧绝对位置，且断电重启后也可直接检测输出侧绝对位置。因此，本实施方式不要求减速器为中空结构，对减速器类型没有要求，且无需在输出侧配置限位开关或者电池等，因此，本实施方式可使减速电机同时满足结构简单、紧凑、对减速器类型没有选择性、低成本、不受断电影响、开机可直接读取输出侧绝对位置等的需求，从而更好满足机器人应用要求。

本实用新型的实施方式还涉及一种机器人，包括如前述实施方式所述的减速电机。

本实用新型实施方式相对于现有技术而言，由于机器人中的减速电机同时满足结构简单、紧凑、对减速器类型没有选择性、低成本、不受断电影响、开机可直接读取输出侧绝对位置等的需求，因此，有利于机器人更好地满足应用要求。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。