一种机器人关节模块电机及其精准控制方法与流程

本发明涉及一种关节模块电机，特别是涉及一种机器人关节模块电机，本发明还涉及一种关节模块电机精准控制方法，特别涉及一种机器人关节模块电机精准控制方法，属于关节模块电机技术领域。

背景技术：

协作机器人的概念于1996年由美国西北大学的2位教授j.edwadcolgate和michaelpeshkin首次提出。

全球首款协作机器人ru5于2008年由丹麦优傲(universalrobots)公司研发生产，ur5具有安装迅速，部署灵活，安全可靠，编程简单等特点。其本体拥有6个关节，重18kg，有效负载5kg，臂展850mm，重复精度±0.1mm，结构上采用模块化关节设计，通过监测电流变化实现关节力反馈，在保证安全的同时降低了制造成本。机器人外接teachpendant控制器，搭载其自主研发的polyscope控制系统，操作简单，容易掌握，后续又推出了有效负载分别为3kg与10kg的ur3与ur10。

2015年4月，abb发布全球首款双臂协作机器人yumi，其主要针对消费级电子行业，单臂有效负载0.5kg，末端工具最大速度1.5m/s，位置重复度高达0.02mm；

进一步满足用户的个性化需求，科尔摩根(kollmorgen)公司于2017年推出了rgm机器人关节模组，该模组主要针对10kg以下有效负载的协作机器人，包括四种不同规格的关节模块，制造商可根据不同轴数和运动要求进行选型，易于组装，结构紧凑，基于rgm的机器人本体可配合众多主流机器人控制器使用，确保开发人员专注于安全防护、控制算法及功能应用；

北方工业大学针对ec75七轴协作机器人开发了关节模块，期望指标为末端工具最大速度3.4m/s，重复定位精度0.1mm。示教器采用艾利特自行研发的erp300，同时支持android。该模块化关节在结构设计上还有待进一步改进，主要体现在机械结构对于磁码盘的安装难度较大，由于磁码盘对安装位置要求很高，因此对装配面的加工精度要求极高，目前的结构很难实现精确定位，有待于后续在低速轴上设计微调装置，以实现磁码盘的精确装配；

哈尔滨工业大学近年来对轻型机械臂模块化柔顺关节进行了深入研究，在模块化关节中集成了驱动电机、谐波减速器、失电制动器、传感器、驱动器等多种部件，并且具有标准的机械接口和电气接口。

中国科学技术大学研制了一款六自由度模块化轻型机械臂，考虑到不同关节受力不同，为了提高关节的有效利用，在结构设计中分别为前三个关节和后三个关节设计了两种不同的关节模块，前三个关节的模块化关节结构紧凑，关节内集成了驱动器及控制器、传动机构、传感器等部件，具有断电制动保护功能，采用关节控制器与主控制器相分离的分布式结构的控制方案，提高了关节模块在电气系统上的模块化水平。

北京交通大学研制了一款六自由度轻型机械臂，其模块化关节模块将驱动电机、减速器、传感器等部件集于一体。每个模块化关节都包含完整的机械结构和控制电路，同时分别为机械连接和电气连接设计了通用的快速接口，模块内部存储器可以保存运动信息，保证每个关节可插拔和快速替换。为了实现模块化关节的轻量化设计，根据结构拓扑优化理论对外壳进行了结构优化。

从国内外研究现状看，模块化关节拥有高度的机电集成结构，其中包含电机，减速机，位置编码器，力矩传感器，驱动控制电路等。由于很多研究机构尤其是商业性质的研究机构通常将关节的设计作为核心机密，不对外公布关节的设计过程和具体细节，所以关于关节研究方法的文献相对较少。

针对协作机器人的任务背景和使用需求，实时精准在线确定和任意开机时刻确定模块化关节自身的转位转动位置信息，是模块化关节准确操作的基础，也是协作机器人执行精准操作的关键，但从公开的资料看，目前模块化关节多采用绝对编码器、或者增量式编码器+绝对值编码器共用模式，实现对关节转位的检测，存在转位精度不够高、以及无法实现任意开机时刻自主确定自身关节位置的缺陷，另外针对电机的固定也不够紧固和便捷，而且对转动一定角度后的制动也没有卡死结构，为此设计一种机器人关节模块电机及其精准控制方法来优化上述问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为了提供一种机器人关节模块电机及其精准控制方法，通过将固定螺杆贯穿第二机械臂然后使其贯穿第一固定孔并压缩第一安装环和第二安装环，通过第一安装环和第二安装环将外缓冲筒和内滑杆压缩通过紧固弹簧紧固，启动无框力矩电机带动转轴转动，通过转轴带动输出轴转动，通过输出轴带动t型连接杆和卡位齿轮盘转动并通过输出轴也带动第一机械臂转动进行对第一机械臂方位调节，通过启动精密斜坡减速机和摩擦式制动器进行对转轴制动，通过启动电动伸缩杆使其卡杆插入至卡槽内侧，在卡位齿轮盘转动的时候存在反向运动侧被卡杆卡住避免失误反向运动，通过启动电动伸缩杆带动卡杆回收，然后启动旋转电机转动使其卡杆对卡槽进行反向卡合，通过电机端绝对值编码器记录无框力矩电机的转动位置，通过输出端绝对值编码器记录输出轴的转动程序比对二者位置，能够准确记住掉电重启时刻、开机时刻输出轴和无框力矩电机转动的精确位置，保证模块化关机运动位置的精准和重复精度。

本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

一种机器人关节模块电机，包括无框力矩电机，所述无框力矩电机的输出端安装有转轴，且所述转轴远离所述无框力矩电机的一端安装有输出轴，所述无框力矩电机外侧的中部安装有双环架组件，所述双环架组件之间安装有紧固组件，所述转轴的外侧且位于所述输出轴和无框力矩电机之间套设有精密斜坡减速机，所述输出轴远离所述无框力矩电机的一端安装有卡位齿轮盘组件，所述无框力矩电机的外侧靠近所述转轴处安装有u型连杆，所述u型连杆的端部安装有环型筒体组件，所述环型筒体组件内设有与所述卡位齿轮盘组件相互配合的电动卡位组件，所述无框力矩电机远离所述转轴的一侧依次安装有摩擦式制动器、电机端绝对值编码器和输出端绝对值编码器，所述双环架组件的一侧安装有第二机械臂组件，所述输出轴的一侧安装有第一机械臂。

优选的，所述双环架组件包括第一安装环、第二安装环和第一固定孔，所述第一安装环和第二安装环皆安装在所述无框力矩电机的外侧，且位于所述无框力矩电机的中部，所述第一安装环和第二安装环之间安装有紧固组件，所述第二安装环和第一安装环上皆开设有第一固定孔。

优选的，所述紧固组件包括外缓冲筒、紧固弹簧和内滑杆，所述外缓冲筒的一侧沿所述第二安装环的环部固定，所述外缓冲筒的内端部安装有紧固弹簧，所述紧固弹簧的另一端安装有内滑杆，且所述内滑杆部分插入至所述外缓冲筒的内侧，所述内滑杆的另一端固定在所述第一安装环上。

优选的，所述卡位齿轮盘组件t型连接杆、卡位齿轮盘和卡槽，所述输出轴一侧的中部安装有t型连接杆，所述t型连接杆远离所述输出轴的一端安装有卡位齿轮盘，所述卡位齿轮盘的外侧等间距开设有卡槽。

优选的，所述环型筒体组件包括外固定环和侧中空筒，所述u型连杆远离所述无框力矩电机的一端安装有外固定环，所述外固定环外侧的中部安装有侧中空筒，且所述电动卡位组件安装在所述侧中空筒的内部。

优选的，所述电动卡位组件包括旋转电机、电动伸缩杆、固定板、卡杆和限位弹簧，所述限位弹簧安装在所述侧中空筒内底部处，所述限位弹簧的一端安装有旋转电机，且所述旋转电机的输出端安装有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆的输出端安装有卡杆，且所述卡杆与所述卡槽相互配合，所述侧中空筒外侧的中部安装有固定板，且所述固定板内中部固定在所述电动伸缩杆的外侧中部。

优选的，所述精密斜坡减速机和无框力矩电机之间安装有防尘盖板。

优选的，所述第二机械臂组件包括第二机械臂和固定螺杆，所述无框力矩电机外侧的端部套设有第二机械臂，所述固定螺杆贯穿所述第二机械臂侧边和第一固定孔并通过螺母固定。

优选的，所述输出轴上开设有第二固定孔，所述输出轴的一侧安装有第一机械臂，所述第一机械臂和输出轴之间通过螺杆固定。

一种机器人关节模块电机精准控制方法，包括如下步骤：

步骤1：通过将固定螺杆贯穿第二机械臂然后使其贯穿第一固定孔并压缩第一安装环和第二安装环；

步骤2：通过第一安装环和第二安装环将外缓冲筒和内滑杆压缩通过紧固弹簧紧固；

步骤3：启动无框力矩电机带动转轴转动，通过转轴带动输出轴转动；

步骤4：通过输出轴带动t型连接杆和卡位齿轮盘转动并通过输出轴也带动第一机械臂转动进行对第一机械臂方位调节；

步骤5：通过启动精密斜坡减速机和摩擦式制动器进行对转轴制动；

步骤6：通过启动电动伸缩杆使其卡杆插入至卡槽内侧，在卡位齿轮盘转动的时候存在反向运动侧被卡杆卡住避免失误反向运动；

步骤7：通过启动电动伸缩杆带动卡杆回收，然后启动旋转电机转动使其卡杆对卡槽进行反向卡合；

步骤8：通过电机端绝对值编码器记录无框力矩电机的转动位置，通过输出端绝对值编码器记录输出轴的转动程序比对二者位置，能够准确记住掉电重启时刻、开机时刻输出轴和无框力矩电机转动的精确位置，保证模块化关机运动位置的精准和重复精度。

本发明的有益技术效果：

本发明提供的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法，通过将固定螺杆贯穿第二机械臂然后使其贯穿第一固定孔并压缩第一安装环和第二安装环，通过第一安装环和第二安装环将外缓冲筒和内滑杆压缩通过紧固弹簧紧固，启动无框力矩电机带动转轴转动，通过转轴带动输出轴转动，通过输出轴带动t型连接杆和卡位齿轮盘转动并通过输出轴也带动第一机械臂转动进行对第一机械臂方位调节，通过启动精密斜坡减速机和摩擦式制动器进行对转轴制动，通过启动电动伸缩杆使其卡杆插入至卡槽内侧，在卡位齿轮盘转动的时候存在反向运动侧被卡杆卡住避免失误反向运动，通过启动电动伸缩杆带动卡杆回收，然后启动旋转电机转动使其卡杆对卡槽进行反向卡合，通过电机端绝对值编码器记录无框力矩电机的转动位置，通过输出端绝对值编码器记录输出轴的转动程序比对二者位置，能够准确记住掉电重启时刻、开机时刻输出轴和无框力矩电机转动的精确位置，保证模块化关机运动位置的精准和重复精度。

附图说明

图1为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的装置整体立体结构分解图；

图2为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的a处结构放大图；

图3为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的卡位组件及其输出轴组合立体结构示意图；

图4为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的u型连杆、卡位组件、无框力矩电机和固定环组件组合立体结构示意图；

图5为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的固定环组件侧剖视图；

图6为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的卡位组件主剖视图；

图7为按照本发明的一种机器人关节模块电机及其精准控制方法的一优选实施例的b处结构放大图。

图中：1-第一机械臂，2-第二机械臂，3-外固定环，4-侧中空筒，5-u型连杆，6-精密斜坡减速机，7-输出轴，8-卡位齿轮盘，9-t型连接杆，10-转轴，11-防尘盖板，12-无框力矩电机，13-第一安装环，14-摩擦式制动器，15-电机端绝对值编码器，16-输出端绝对值编码器，17-第二安装环，18-外缓冲筒，19-第一固定孔，20-卡槽，21-第二固定孔，22-内滑杆，23-固定螺杆，24-紧固弹簧，25-固定板，26-旋转电机，27-电动伸缩杆，28-卡杆，29-限位弹簧。

具体实施方式

为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1-图7所示，本实施例提供的一种机器人关节模块电机，包括无框力矩电机12，无框力矩电机12的输出端安装有转轴10，且转轴10远离无框力矩电机12的一端安装有输出轴7，无框力矩电机12外侧的中部安装有双环架组件，双环架组件之间安装有紧固组件，转轴10的外侧且位于输出轴7和无框力矩电机12之间套设有精密斜坡减速机6，输出轴7远离无框力矩电机12的一端安装有卡位齿轮盘组件，无框力矩电机12的外侧靠近转轴10处安装有u型连杆5，u型连杆5的端部安装有环型筒体组件，环型筒体组件内设有与卡位齿轮盘组件相互配合的电动卡位组件，无框力矩电机12远离转轴10的一侧依次安装有摩擦式制动器14、电机端绝对值编码器15和输出端绝对值编码器16，双环架组件的一侧安装有第二机械臂组件，输出轴7的一侧安装有第一机械臂1。

通过将固定螺杆23贯穿第二机械臂2然后使其贯穿第一固定孔19并压缩第一安装环13和第二安装环17，通过第一安装环13和第二安装环17将外缓冲筒18和内滑杆22压缩通过紧固弹簧24紧固，启动无框力矩电机12带动转轴10转动，通过转轴10带动输出轴7转动，通过输出轴7带动t型连接杆9和卡位齿轮盘8转动并通过输出轴7也带动第一机械臂1转动进行对第一机械臂1方位调节，通过启动精密斜坡减速机6和摩擦式制动器14进行对转轴10制动，通过启动电动伸缩杆27使其卡杆28插入至卡槽20内侧，在卡位齿轮盘8转动的时候存在反向运动侧被卡杆28卡住避免失误反向运动，通过启动电动伸缩杆27带动卡杆28回收，然后启动旋转电机26转动使其卡杆28对卡槽20进行反向卡合，通过电机端绝对值编码器15记录无框力矩电机12的转动位置，通过输出端绝对值编码器16记录输出轴7的转动程序比对二者位置，能够准确记住掉电重启时刻、开机时刻输出轴7和无框力矩电机12转动的精确位置，保证模块化关机运动位置的精准和重复精度。

在本实施例中，双环架组件包括第一安装环13、第二安装环17和第一固定孔19，第一安装环13和第二安装环17皆安装在无框力矩电机12的外侧，且位于无框力矩电机12的中部，第一安装环13和第二安装环17之间安装有紧固组件，第二安装环17和第一安装环13上皆开设有第一固定孔19。

在本实施例中，紧固组件包括外缓冲筒18、紧固弹簧24和内滑杆22，外缓冲筒18的一侧沿第二安装环17的环部固定，外缓冲筒18的内端部安装有紧固弹簧24，紧固弹簧24的另一端安装有内滑杆22，且内滑杆22部分插入至外缓冲筒18的内侧，内滑杆22的另一端固定在第一安装环13上。

在本实施例中，卡位齿轮盘组件t型连接杆9、卡位齿轮盘8和卡槽20，输出轴7一侧的中部安装有t型连接杆9，t型连接杆9远离输出轴7的一端安装有卡位齿轮盘8，卡位齿轮盘8的外侧等间距开设有卡槽20。

在本实施例中，环型筒体组件包括外固定环3和侧中空筒4，u型连杆5远离无框力矩电机12的一端安装有外固定环3，外固定环3外侧的中部安装有侧中空筒4，且电动卡位组件安装在侧中空筒4的内部。

在本实施例中，电动卡位组件包括旋转电机26、电动伸缩杆27、固定板25、卡杆28和限位弹簧29，限位弹簧29安装在侧中空筒4内底部处，限位弹簧29的一端安装有旋转电机26，且旋转电机26的输出端安装有电动伸缩杆27，电动伸缩杆27的输出端安装有卡杆28，且卡杆28与卡槽20相互配合，侧中空筒4外侧的中部安装有固定板25，且固定板25内中部固定在电动伸缩杆27的外侧中部。

在本实施例中，精密斜坡减速机6和无框力矩电机12之间安装有防尘盖板11。

在本实施例中，第二机械臂组件包括第二机械臂2和固定螺杆23，无框力矩电机12外侧的端部套设有第二机械臂2，固定螺杆23贯穿第二机械臂2侧边和第一固定孔19并通过螺母固定。

在本实施例中，输出轴7上开设有第二固定孔21，输出轴7的一侧安装有第一机械臂1，第一机械臂1和输出轴7之间通过螺杆固定。

一种机器人关节模块电机精准控制方法，包括如下步骤：

步骤1：通过将固定螺杆23贯穿第二机械臂2然后使其贯穿第一固定孔19并压缩第一安装环13和第二安装环17；

步骤2：通过第一安装环13和第二安装环17将外缓冲筒18和内滑杆22压缩通过紧固弹簧24紧固；

步骤3：启动无框力矩电机12带动转轴10转动，通过转轴10带动输出轴7转动；

步骤4：通过输出轴7带动t型连接杆9和卡位齿轮盘8转动并通过输出轴7也带动第一机械臂1转动进行对第一机械臂1方位调节；

步骤5：通过启动精密斜坡减速机6和摩擦式制动器14进行对转轴10制动；

步骤6：通过启动电动伸缩杆27使其卡杆28插入至卡槽20内侧，在卡位齿轮盘8转动的时候存在反向运动侧被卡杆28卡住避免失误反向运动；

步骤7：通过启动电动伸缩杆27带动卡杆28回收，然后启动旋转电机26转动使其卡杆28对卡槽20进行反向卡合；

步骤8：通过电机端绝对值编码器15记录无框力矩电机12的转动位置，通过输出端绝对值编码器16记录输出轴7的转动程序比对二者位置，能够准确记住掉电重启时刻、开机时刻输出轴7和无框力矩电机12转动的精确位置，保证模块化关机运动位置的精准和重复精度。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。