控制设备、执行器、机器人手臂、控制系统及机器人的制作方法

1.本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种用于执行器的控制设备、执行器、机器人手臂、机器人关节控制系统及机器人。


背景技术：

2.不同的应用场景中，所需要使用的机器人往往不同。例如，工业机器人通常需要进行精准操作，需要机器人手臂运动到某个位置后不再发生晃动，所以不需要力控；但是，服务机器人通常应用易与人接触的环境，需要在与人发生触碰时具有一定柔性，所以需要进行柔性力控。另外，工业机器人通常受空间限制较小，所以可以具有较大体积，从而可以允许容纳较多连接线；但是，服务机器人受空间限制较大，所以对其进行小型化设计尤为重要。此外，服务机器人还需要具有更好的灵活性，这需要机器人手臂具有较多的关节。若要对机器人进行柔性力控，主要需要对机器人关节的执行器进行柔性力控设计。
3.目前的力控执行器主要是采用can总线、rs485总线或ethercat总线实现机器人关节与主控设备通信。
4.图1是现有can总线在运动控制中应用的电路结构示意图。参见图1，利用can总线实现运动控制和自动化操作时，控制部分(包括controller和pc主控设备等)和执行部分(即受控节点can node，包括控制器controller r540和电机motor等)分别位于控制室control room和车间factory。所有受控节点通过两根平行的总线(低电平总线canl和高电平总线canh)连接在一起。两条总线的电线组成一条双绞线，并且连接有120ω的特性阻抗。高速can总线在传输显性(如0)信号时，会将高位数据线can_h端抬向5v高电平，将低位数据线can_l端拉向0v低电平。当传输隐性(如1)信号时，并不会驱动can_h或者can_l端。显性信号can_h和can_l两端差分标称电压为2v。终端电阻在没有驱动时，将差分标称电压降回0v。显性信号(如0)的共模电压需要在1.5v到3.5v之间。隐性信号(如1)的共模电压需要在
±
12v。
5.can总线通信方式主要存在以下缺点：第一，can总线的最高传输速度低只有1mbps，通常情况下在机器人应用场合难以达到1mbps，主要由于受到线缆长度和电磁干扰的影响；第二，数据帧的负载只有8个字节，一次传输的数据量太少，难以满足日益复杂的运动控制，机器人和自动化场合；第三，数据帧只有11bit的地址，canopen协议中其中4bit用于控制场，因此只有剩下的7bit(128个)用于寻址，寻址空间少，难以进行大规模组网；第四，总线方式通信，导致任意节点的加入都要考虑对总线阻抗的匹配问题；另外只能构成线性网络，无法实现环形，星型等更复杂的网络结构；第五，总线方式导致若网络中出现一个节点发生短路等故障，整个总线全部宕机；第六，总线的通信方式导致和网络中任意节点的通信过程中，整个网络处于占用状态，通信效率低；因为所有的通信信号都在共享线路上传输，即使信息只是想发给其中的一个终端，却会使用广播的形式，发送给线路上的所有节点；第七，总线型的半双工通信方式采用csma/cd的冲突检测方法考虑在前同步码、传输间隔、标头、档尾和封装上都是最小花费的情况；当网络负载过重时，冲突也常常会降低传输
量；最坏的情况是，当许多用长电缆组成的主机传送很多非常短的帧(frame)时，可能因冲突过多导致网络的负载在仅50％左右程度就满载；第八，半双工的通信方式，导致发送数据的时候无法接收数据；第九，在不增加隔离的情况下，节点间的gnd电位差将导致灾难性的烧毁。另外，rs485的物理层与can一致，但缺乏can的网络管理功能。
6.由于can总线或rs485总线为串行通信方式，主控设备每次只能发送控制指令到一个机器人关节，所以，主控设备需要给一个关节发送控制指令并接收该关节返回的反馈信息后，再给下一个关节发送控制指令并再接收该关节返回的反馈信息，依次进行，直到最后一个关节返回反馈信息至主控设备，完成对机器人手臂的一次力控。为了使服务机器人手臂更灵活，需要设计多关节的机器人手臂，但当关节较多时，完成一次力控需要主控设备与多个关节的力控执行器进行大量通信，而can总线和485总线的带宽较低，从而导致几乎无法完成对机器人的柔性力控。另外，每个机器人关节都需要通过一路连接线与主控设备连接才能实现can总线或485总线通信，所以，机器人手臂会带有大量连接线，既增大了体积，又不利于灵活操作。
7.图2是现有ethercat总线在自动化控制中的应用场景示意图。参见图2，ethercat是一种基于100mbps以太网物理层的工业以太网技术，利用标准的ieee802.3以太网帧传递。由于ethercat只利用了工业以太网的物理层，因此ethercat总线拓扑单一，所有的主站和从站均需要特殊的芯片或网络设备，因此成本较高，无法使用通用网络设备(如交换机、路由器)，无法连入互联网，会导致服务机器人应用受限。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本实用新型提供了一种用于执行器的控制设备、执行器、机器人手臂、机器人关节控制系统及机器人，以解决现有技术中存在的一项或多项缺陷。
9.为了达到上述目的，本实用新型采用以下方案实现：
10.根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种用于执行器的控制设备，包括：以太网交换机芯片、第一网口、以太网物理层phy模块、网络通信处理器、电机控制处理器及电机驱动模块；
11.所述以太网交换机芯片的第一端口与所述第一网口连接，所述以太网交换机芯片的第二端口与所述以太网物理层phy模块的第一端口连接，所述以太网物理层phy模块的第二端口与所述网络通信处理器的第一端口连接，所述网络通信处理器的第二端口与所述电机控制处理器的第一端口连接，所述第一网口用于通过外部组网设备连接外部主控设备，以实现在所述主控设备和所述电机控制处理器之间进行以太网数据传输，所述组网设备为不对所述主控设备和所述电机控制处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备；
12.所述电机控制处理器的第二端口与所述电机驱动模块连接，以使所述电机驱动模块将从所述主控设备传输至所述电机控制处理器的控制指令转换为电机驱动信号并输出所述电机驱动信号。
13.在一些实施例中，所述的用于执行器的控制设备，其特征在于，还包括：第二网口；所述第二网口与所述以太网交换机芯片的第三端口连接，用于转发所述主控设备和外部的用于执行器的控制设备之间的以太网交互数据。
14.在一些实施例中，所述的用于执行器的控制设备，还包括：
15.wifi射频通信模块，与所述网络通信处理器的第三端口连接，用于实现使所述电机控制处理器无线收发数据。
16.在一些实施例中，所述的用于执行器的控制设备，还包括：
17.网络通信芯片，用于集成所述网络通信处理器、所述以太网物理层phy模块及所述wifi射频通信模块。
18.在一些实施例中，电机驱动模块，包括三相逆变电路和三相桥驱动器；其中，所述三相桥驱动器的第一端与所述电机控制处理器的第三端口连接，所述三相桥驱动器的第二端与所述三相逆变电路的第一端，所述三相逆变电路的第二端用于输出所述电机驱动信号。
19.在一些实施例中，所述的用于执行器的控制设备，其特征在于，还包括：第一电源口或相互连接的第一电源口和第二电源口；其中，所述第一电源口还与所述三相逆变电路的第三端连接。
20.在一些实施例中，所述控制设备的包括所述以太网交换机芯片、所述第一网口、所述以太网物理层phy模块、所述网络通信处理器、所述电机控制处理器及所述电机驱动模块在内的各部件集成于同一电路板。
21.根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种执行器，包括：旋转电机、减速器、旋转编码器及上述任一实施例所述的用于执行器的控制设备；
22.其中，所述的用于执行器的控制设备的电机驱动模块与所述旋转电机的第一端连接，以输出电机驱动信号至所述旋转电机；所述旋转电机的第二端与所述旋转编码器的第一端连接，所述旋转编码器的第二端与所述的用于执行器的控制设备的电机控制处理器连接，以输出电机反馈信号至电机控制处理器；所述减速器与所述旋转电机的第三端连接。
23.在一些实施例中，所述旋转电机为扁平化无刷电机，和/或，所述减速器为低减速比减速器。
24.在一些实施例中，所述旋转编码器为单圈编码器。
25.在一些实施例中，所述执行器为一体化装配的执行器。
26.根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种机器人手臂，包括：至少一个上述任一实施例所述的执行器。
27.根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种机器人关节控制系统，包括：如上述任一实施例所述的用于执行器的控制设备和组网设备；其中，所述组网设备用于连接主控设备和所述控制设备的第一网口，所述组网设备为不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据主动丢包的组网设备。
28.在一些实施例中，所述组网设备为交换机。
29.在一些实施例中，所述组网设备为不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据主动丢包的路由器。
30.根据本实用新型实施例的另一个方面，提供了一种机器人，包括：如上述任一实施例所述的机器人手臂或上述任一实施例所述的机器人关节控制系统。
31.本实用新型实施例的用于执行器的控制设备、执行器、机器人手臂、机器人关节控制系统及机器人，通过利用以太网交换机芯片、以太网物理层phy模块等能够实现用于执行器的控制设备和主控设备之间的以太网数据传输，与现有的can总线或rs485总线传输方式
相比，传输速度极大增加，而且以此能够实现快速以太网及更快以太网的数据传输，比现有ethercat总线所采用的工业以太网传输速度也有极大提高，为进行柔性力控提供了可行的通信条件。另外，通过使本实施例的用于执行器的控制设备能够通过不对主控设备和电机控制处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备与主控设备进行数据交互，避免了常规组网设备的丢包机制会对控制数据进行丢包而导致执行器失控的问题。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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。在附图中：
33.图1是现有can总线在运动控制中应用的电路结构示意图；
34.图2是现有ethercat总线在自动化控制中的应用场景示意图；
35.图3是本实用新型一实施例的用于执行器的控制设备的结构示意图；
36.图4是本实用新型另一实施例的用于执行器的控制设备的结构示意图；
37.图5是本实用新型又一实施例的用于执行器的控制设备的结构示意图；
38.图6是本实用新型再一实施例的用于执行器的控制设备的结构示意图；
39.图7是本实用新型一实施例的执行器的结构示意图；
40.图8是本实用新型一实施例的机器人关节控制系统的结构示意图；
41.图9是本实用新型一具体实施例的应用场景示意图；
42.图10是本实用新型一实施例的机器人关节控制系统的结构示意图；
43.图11是本实用新型一实施例的一体化执行器的立体结构示意图；
44.图12是本实用新型一实施例的机器人手臂的立体结构示意图。
具体实施方式
45.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
46.为了解决现有技术中利用can总线或rs485总线实现的执行器带宽低的问题，以及利用ethercat总线实现的执行器所采用的工业以太网无法接入互联网导致机器人应用受限的问题，本实用新型实施例提供了一种用于执行器的控制设备。利用一个本实用新型实施例的一个用于执行器的控制设备可以得到一个执行器，一个执行器可以用来控制一个机器人关节动作，一个机器人手臂可以包括多个机器人关节。
47.图3是本实用新型一实施例的用于执行器的控制设备的结构示意图。如图3所示，该实施例的用于执行器的控制设备100可包括：以太网交换机芯片110、第一网口120、以太网物理层phy模块130、网络通信处理器140、电机控制处理器150及电机驱动模块160。
48.所述以太网交换机芯片110的第一端口与所述第一网口120连接，所述以太网交换机芯片110的第二端口与所述以太网物理层phy模块130的第一端口连接，所述以太网物理层phy模块130的第二端口与所述网络通信处理器140的第一端口连接，所述网络通信处理
器140的第二端口与所述电机控制处理器150的第一端口连接，所述第一网口120用于通过外部组网设备210连接外部主控设备310，以实现在所述主控设备310和所述电机控制处理器150之间进行以太网数据传输，所述组网设备210为不对所述主控设备310和所述电机控制处理器150之间的传输数据主动丢包的组网设备。
49.所述电机控制处理器150的第二端口与所述电机驱动模块160连接，以使所述电机驱动模块160将从所述主控设备310传输至所述电机控制处理器150的控制指令转换为电机驱动信号并输出所述电机驱动信号。
50.其中，以太网交换机芯片110是一种网络硬件，通过报文交换接收和转发数据到目标设备，它能够在网络上连接不同的设备。以太网交换机芯片110可以是现有的以太网交换机芯片，以太网交换机芯片110可以包含至少两个端口，第一网口120为连接以太网交换机芯片110的网口。
51.以太网物理层phy模块130可称为以太网phy，是物理接口收发器，它可以实现osi模型(开放式系统互联通信参考模型)的物理层。以太网phy是由ieee
‑
802.3标准定义。通过rmii(reduced media independant interface，精简mii接口)接收来自网络通信处理器mac输出的数据并把并行数据转化为串行流数据，再按照物理层的编码规则把数据编码，再变为模拟信号把数据送出去。以太网物理层phy模块130用于实现以太网的物理层，可以利用现有的以太网物理层phy芯片实现，或者可以能够实现以太网物理层的现有模块。
52.网络通信处理器140可以用于根据以太网协议模型实现以太网传输，可以利用现有的以太网通信处理器实现。可以实现物理层、链路层、网络层、传输层等功能。通信处理器140是以太网通信处理器。从osi模型7层协议栈上看，不管是wifi还是有线网，都是位于osi模型最底层，wifi和有线网的物理层不同，但通信处理器140的职责都是处理osi模型的剩下6层。网络通信处理器内部包含以太网mac，cpu，ram，flash，和基本通信外设，如串口、spi(串行外围设备)、i2c(内部集成电路/同步串行总线)、并口等。cpu执行其flash中编写好的程序，程序中的工作流程如下，嵌入式操作系统启动，以太网驱动启动，当有以太网数据接收到后，cpu会立刻进入数据接收中断服务程序，数据接收中断服务程序包含了json解析服务，将接收到的json数据解析成对应控制电机的控制量随后转换成串口通信数据(或者可以是spi等通信方式)，发送给电机驱动处理器。另外网络通信处理器也可以通过串口向电机驱动处理器请求数据，并打包成json格式通过以太网发送数据给控制计算机。
53.电机控制处理器150可以是各种现有的或改进的用于进行机器人电机控制的处理器，电机驱动模块160可以是现有的或改进的用于将生成电机所需驱动控制信息的模块。通过以太网交换机芯片110、第一网口120、以太网物理层phy模块130及网络通信处理器140等，主控设备310可以基于以太网将控制指令传输至电机控制处理器150，电机控制处理器150可以根据控制指令控制电机动作，具体地，例如，可以发送指令至电机驱动模块160，转换成电机驱动信号，然后利用电机驱动信号驱动电机动作，电机执行状态可以反馈至电机控制处理器150，电机控制处理器150可以根据反馈做出相应控制。
54.外部组网设备210和外部主控设备310中的“外部”是指执行器控制设备以外。组网设备210为不对所述主控设备310和所述电机控制处理器150之间的传输数据主动丢包的组网设备，可以优先传送或保证控制数据的优先级。外部组网设备210可以是交换机、不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据主动丢包的路由器等。其中，交换机是一种多
端口的网桥，可以在数据链路层使用mac地址转发数据。外部主控设备310可以是各种能够给执行器发送控制指令数据的设备，如主控计算机等。
55.不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据主动丢包的路由器可以连接不同的网段，因此可以用于连接互联网等，并且可以主动控制数据的优先级，使得数据的流向完全可控。
56.本实施例中，通过利用以太网交换机芯片、以太网物理层phy模块等能够实现用于执行器的控制设备和主控设备之间的以太网数据传输，与现有的can总线或rs485总线传输方式相比，传输速度极大增加，而且以此能够实现快速以太网(100mbps)及更快以太网(1gbps，10gbps等)的数据传输，比现有ethercat总线所采用的工业以太网传输速度也有极大提高，为进行柔性力控的情况下主控设备和执行器之间大量数据传输提供了可行的通信条件，从而有助于实现机器人关节的柔性力控。另外，通过使本实施例的用于执行器的控制设备能够通过不对主控设备和电机控制处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备与主控设备进行数据交互，避免了带有丢包机制的组网设备可能会对执行器的控制设备和主控设备之间传输数据进行丢包导致执行器失控的问题。
57.进一步的实施例中，以太网交换机芯片110可以包含三个或以上的端口，可以用于连接两个或以上的网口。
58.示例性地，如图4所示，图3所示的用于执行器的控制设备100还可包括第二网口170，其中，所述第二网口170与所述以太网交换机芯片110的第三端口连接，用于转发所述主控设备310和外部的用于执行器的控制设备之间的以太网交互数据。
59.其中，外部的用于执行器的控制设备中的“外部”是相对于用于执行器的控制设备100而言的，可以是能够接收用于执行器的控制设备100的执行器控制设备，进一步可以是与用于执行器的控制设备100完全相同的执行器控制设备。一个机器人手臂可以包括多个包含本实施例所述的用于执行器的控制设备的机器人关节。机器人手臂中的各执行器可以通过其控制设备中的第二网口进行串联通信连接，直接与组网设备连接的执行器接收到控制数据后，可以根据各执行器控制设备中的ip地址找到发给自己的数据包，或者将数据包转发给具有相应ip地址的执行器。
60.该实施例中，通过在执行器的控制设备中设置第一网口和第二网口，不仅可以利用第一网口使一个机器人关节执行与主控设备进行数据交互，还可以利用第二网口连接相邻的机器人关节的执行器的控制设备，从而将各机器人关节的通信线路串联起来，以此可以避免每个机器人关节执行器都直接与主控设备进行通信连接导致大量使用连接线，从而可以便于使得机器人关节大角度旋转。
61.进一步的另一些实施例中，如图5所示，图3或图4所示的用于执行器的控制设备100还可包括：wifi射频通信模块180。wifi射频通信模块180与所述网络通信处理器140的第三端口连接，用于实现使所述电机控制处理器150无线收发数据。其中，该wifi射频通信模块180可以基于现有的wifi模块实现。通过wifi射频通信模块(无线通信模块)可以实现在执行器和主控设备之间进行无线通信，还可以实现不同执行器之间进行无线通信。wifi射频通信模块可包含射频接收器和发射器，例如，通过2.4ghz接收器可以将2.4ghz射频信号解调为正交基带信号，并可用两个高精度、高速的adc(模拟数字转换器)将正交基带信号转为数字信号。可以利用2.4ghz发射器将正交基带信号调制为2.4ghz射频信号，并可以使
用大功率互补金属氧化物半导体(cmos)功率放大器驱动天线。可支持tcp/ip协议，并可完全遵循802.11b/g/n wi
‑
fi的mac协议栈。
62.该实施例中，利用wifi射频通信模块可以实现执行器的控制设备与外界进行无线通信，比如可以实现不同机器人关节执行器之间的无线通信，从而可以减少机器人关节之间的连接线。
63.本实用新型各实施例所述的用于执行器的控制设备可包括网络通信芯片。该网络通信芯片可以用于集成所述网络通信处理器140和所述以太网物理层phy模块130，还可以用于集成所述wifi射频通信模块180。其中，该网络通信芯片可以基于fpga(现场可编程门阵列)、asic(专用集成电路)等技术实现。例如，该网络通信芯片可以是乐鑫科技esp32、esp8266芯片、全志科技h3芯片、意法半导体stm32f4芯片等。其中，esp32芯片内部包含3个cpu核心，两个高性能cpu和1个超低功耗cpu，并集成了以太网mac和wifi，蓝牙射频模块，具有功耗低、体积小、成本极低、易于开发使用等优点。
64.该实施例中，所述网络通信处理器、所述以太网物理层phy模块及所述wifi射频通信模块集成在同一个芯片上，电路更简洁，性能更佳。
65.进一步的具体实施例中，参见图6，本实用新型各实施例所述的电机驱动模块160可包括三相逆变电路161和三相桥驱动器162。其中，所述三相桥驱动器162的第一端与所述电机控制处理器150的第三端口连接，所述三相桥驱动器162的第二端与所述三相逆变电路161的第一端，所述三相逆变电路161的第二端用于输出所述电机驱动信号。其中，三相逆变电路可以利用现有的三相逆变电路实现，三相桥驱动器可以利用现有的三相桥驱动器实现。
66.通过三相逆变电路可以把直流电变换为交流电，而由于三相无刷电机的驱动需要在不同时刻施加不同方向的电压(电流)的，因此通过设置逆变电路可以使得该电机驱动模块可以驱动无刷电机，如扁平无刷电机，有助于减小执行器体积。
67.该实施例中，电机驱动模块可实现高性能三相电机，磁场定向控制(foc)，在这种控制策略下，可以实现电机的高动态，高精度的运行性能，能源利用率高，控制灵活度高。另一些实施例中，该电机驱动模块可以利用现有集成化的驱动模块或芯片(如trinamic公司出品的tmc4671等)实现。
68.进一步的，再参见图6，本实用新型各实施例所述的用于执行器的控制设备还可包括第一电源口191，或者包括相互连接的第一电源口191和第二电源口192。其中，所述第一电源口191还与所述三相逆变电路162的第三端连接。该实施例中，利用第一电源口可以给三相逆变电路供电。利用第二电源口可以给相邻关节的执行器供电，以此可以减少多关节机器人手臂中使用的电源连接线。利用两个电源口可以方便执行器的线性连接。只有一个电源口的情况下，可以用来实现星型连接。
69.进一步的，本实用新型各实施例所述的用于执行器的控制设备中的部件可以安装在一个电路板上。例如，所述控制设备的包括所述以太网交换机芯片、所述第一网口、所述以太网物理层phy模块、所述网络通信处理器、所述电机控制处理器及所述电机驱动模块在内的各部件集成于同一电路板。再例如，用于执行器的控制设备中的以太网交换机芯片110、第一网口120、第二网口170、网络通信芯片(以太网物理层phy模块130、网络通信处理器140、wifi射频通信模块180)、电机控制处理器150、电机驱动模块160、第一电源口191、第
二电源口192等均可以安装在同一个电路板上。以此，可以合理布局执行器控制设备的组成部分，使执行器控制设备更简洁，便于小型化。
70.另外，本实用新型实施例还提供了一种执行器，参见图7，该些实施例的执行器可包括：旋转电机410、减速器510、旋转编码器610及本实用新型任一实施例所述的用于执行器的控制设备。其中，用于执行器的控制设备的具体实施方式可以参见上述实施例所述的方式实施。
71.所述的用于执行器的控制设备的电机驱动模块与所述旋转电机410的第一端连接，以输出电机驱动信号至所述旋转电机410；所述旋转电机410的第二端与所述旋转编码器610的第一端连接，所述旋转编码器610的第二端与所述的用于执行器的控制设备的电机控制处理器连接，以输出电机反馈信号至电机控制处理器；所述减速器510与所述旋转电机410的第三端连接。所述旋转电机可以是各种旋转电机，例如，无刷电机、永磁同步电机、异步电机、直流有刷电机等旋转电机。
72.该旋转电机可以是三相电机，可以使电机的三相线连接驱动逆变器输出的三相交流电，旋转编码器可以为旋转编码器测量电机转子的角度，因此电机转子轴连接旋转编码器的转子，旋转编码器定子的信号输出正交脉冲信号或其他数字信号如spi(串口外围设备)、ssi(同步串口协议)、biss(全双工同步串行总线通信协议)等给电机控制处理器。
73.更具体地，所述旋转电机可以为扁平化无刷电机。扁平化无刷电机410可以是现有的扁平化无刷电机。通过选择使用扁平化无刷电机，可以便于减小执行器体积，使得机器人关节小型化。
74.减速器的输入轴可以连接电机的转子输出轴，减速器可以成倍放大电机的扭矩。减速器510可以选用现有的一种减速器实现，例如，该减速器510可以为低减速比减速器。低减速比减速器可以是减速比小于1:36的减速器。低减速比减速器较薄，以此可以减小执行器体积，进而可以减小机器人关节的体积。在其他实施例中，可以选用现有的其他类型的减速器。在其他实施例中，减速器510可以为高减速比减速器。
75.旋转编码器可为旋转编码器测量电机转子的角度，因此电机转子轴连接编码器的转子，编码器定子的信号输出正交脉冲信号或其他数字信号如spi，ssi,biss等给电机控制处理器。旋转编码器610可以选用现有的编码器实现，例如，可以为绝对编码器，更具体地，例如，可以使用包括轴上的(on axis)、偏置的(off axis)、光电编码器，多圈编码器，磁编码器，电感编码器，旋转变压器等。更具体地，例如，该旋转编码器610可以为单圈磁编码器。单圈编码器体积较小，以此有利于减小执行器的体积，进而可以减小机器人关节的体积。在其他实施例中，可以选用现有的其他类型的编码器。
76.进一步的，本实用新型各实施例所述的执行器可以为一体化装配的执行器。如图11所示，一体化执行器可包括旋转电机510、低减速比的减速器410、旋转编码器(未示出)及用于执行器的控制设备100可以一体化装配在一起，其中，用于执行器的控制设备100可包括第一网口120、第一电源口191及其他未示出的部件，如以太网交换机芯片、以太网物理层phy模块、网络通信处理器、电机控制处理器及电机驱动模块等。现有技术中，电机、减速器及编码器组成一部分，用于执行器的控制设备构成另一部分，这两部分往往是分离开的。所以，本实施例中，将执行器一体化装配，有助于提高机器人的灵活性。
77.本实用新型各实施例的执行器可以模块化组装，可以形成各中关节数量的机器人
手臂。例如，如图12所示，机器人手臂可以为包含七关节的手臂。通过模块化执行器，可以组合成任意一种构型，增加关节或减少关节构造成多种构型。在现有技术中，机器人手臂的关节数量在出厂后一般都是固定的，使用起来不够灵活。所以，本实用新型实施例通过模块化的机器人关节执行器，可以灵活装配所需的机器人手臂。
78.另外，本实用新型实施例还提供了一种机器人手臂，该些实施例的机器人手臂可包括至少一个上述任一实施例所述的执行器。一个执行器可以用在一个机器人关节上，一个机器人手臂可以包括一个或多个机器人关节。
79.例如，在机器人手臂包含一个机器人关节的情况下，通过在机器人关节中设置的如图3所示的执行器控制设备，可以通过以太网交换机芯片110、第一网口120、以太网物理层phy模块130及网络通信处理器140实现该机器人关节的执行器控制设备与主控设备进行以太网数据交换，以此可以提高数据交互速度，从而有助于实现柔性力控。
80.再例如，在机器人手臂包含多个机器人关节的情况下，通过在机器人关节中设置的如图4所示的执行器控制设备，可以不仅可以通过第一网口使该执行器控制设备与主控设备连接，还可以通过第二网口与相邻的下一个执行器的控制设备连接。最后一个执行器控制设备可以仅包含第一网口，而不包含第二网口，因为该执行器控制设备位于手臂末尾而不需与下一个执行器控制设备通信连接。
81.另外，本实用新型实施例还提供了一种机器人关节控制系统。如图8所示，该机器人关节控制系统可包括：上述任一实施例所述的用于执行器的控制设备100和组网设备210；其中，所述组网设备210用于连接主控设备310和所述控制设备100的第一网口，所述组网设备210为不对所述主控设备310和所述控制设备100之间的传输数据主动丢包的组网设备。
82.其中，该机器人关节控制系统可以包括一个或多个用于执行器的控制设备100，在包含多个用于执行器的控制设备100的情况下，组网设备210可以与其中一个(如第一个)用于执行器的控制设备100连接，其余用于执行器的控制设备可以与邻近的用于执行器的控制设备连接。如此一来，执行器的控制设备和组网设备可以构成多种不同拓扑结构，例如，线性、星型等。
83.在互联网领域通常情况下是使用路由器进行组网，而利用一般的路由器进行组网时，会造成控制数据丢包，例如，几分钟或几十分钟就会发生一次丢包。而在机器人领域，控制命令传输具有高频性、高实时性，是不允许频繁丢包的，而且期望理想情况下丢包率为0％。所以，若要直接利用路由器进行组网控制机器人关节，必然会导致主控设备和执行器的控制设备之间的交互数据会发生频繁丢包，这会带来严重后果，致使机器人无法真正得到应用。
84.而该实施例中，利用不对所述主控设备310和所述控制设备100之间的传输数据主动丢包的组网设备实现执行器控制设备和主控设备之间组网，可以解决因控制数据丢包导致无法使执行器接入互联网的问题。
85.不对所述主控设备310和所述控制设备100之间的传输数据主动丢包的组网设备可以通过筛选选择组网设备或改进现有的组网设备得到。
86.具体实施时，在一些实施例中，所述组网设备210可以为交换机。利用交换机可以使该交换机连接的主控设备和执行器控制设备组成局域网，由于不具有路由器的自动识别
数据包发送和到达地址的功能，所以不会对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据进行主动丢包。另外，利用执行器控制设备中以太网交换芯片的存储转发机制，可以实现主控设备一次通信发送给不同执行器相同或不同数据。如此一来，该实施例的机器人关节控制系统不会出现控制数据频繁丢包的问题。
87.在另一些实施例中，为了解决丢包问题，组网设备可以选择不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据进行主动丢包的路由器。
88.其中，在控制机器人关节动作的过程中，还可能有执行器之外的设备从组网设备发送其他信息给主控设备。不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据进行主动丢包的路由器可以屏蔽掉到达组网设备的非关节控制相关数据包，从而保证执行器和主控设备之间的交互数据具有最高优先级。
89.在利用一般路由器组网的情况下，丢包过程为：当控制计算机(主控设备)需要请求执行器的某个信息时，控制计算机会向执行器ip地址发送请求指令，这一过程中不会出现丢包，而当执行器收到请求指令后给主控计算机返回数据时，执行器发送到路由器的过程不会出现丢包，但经过路由器转发后会出现丢包，即有些返回数据无法返回至主控计算机。而该实施例的组网设备选用了不对所述主控设备和所述控制设备之间的传输数据进行主动丢包的路由器，当组网设备接收到执行器返回的udp(user datagram protocol，用户数据报协议)数据包后，可以识别其优先级为最高，并把同时到达组网设备的其他数据包舍弃或缓存，从而可以确保返回的udp数据包完整的发送回至主控计算机。
90.该实施例中，这种组网设备可以起到交换机作用，可以屏蔽所有可能引起udp控制指令丢弃的网络控制机制，从而避免执行器返回给主控设备的数据发生丢包。而且可以保留路由器的dhcp(动态主机配置协议)动态ip分配的功能，更便于连入互联网。
91.图9是本实用新型一具体实施例的应用场景示意图，参见图9，机器人可以包括多个机器人关节，每个机器人关节利用一个执行器实现力控。通过在执行器中设置以太网交换机芯片、第一网口、以太网物理层phy模块、网络通信处理器等，可以实现机器人与组网设备之间以及组网设备和主控设备之间的局域网连接。通过在执行器中设置第二网口，可以实现机器人中各执行器的串联或其他类型的连接，即形成机器人网络(robot network)。另外，组网设备和主控设备之间可以是有线连接或无线连接。此外，组网设备可以通过广域网连接至因特网，从而接入互联网。另外，参见图10，执行器可以为一体化执行器，一个执行器通过其中一个电源口连接外部电源，并可以通过另一个电源口来串联相邻执行器，如此一来，可以减少电源线庞杂。
92.使用交换机(switch hub)来进行快速以太网(100base
‑
t、1000base
‑
t标准)的网络连接和组织，可以减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，并且使用两对双绞线电缆，以全双工方式使用交换机进行组网。交换式以太网与共享介质的can总线rs485总线等相比有很多明显优势，例如，具有更大的带宽，具有更好的异常结果隔离作用。交换网络典型的是使用星型拓扑，虽然设备在半双工模式下运作时仍是共享介质的多节点网，但10base
‑
t和之后的标准皆为全双工以太网，不再是共享介质系统。引入交换机后，可以转发所有数据到所有端口，接下来，当它记录了每个端口的地址以后，就只把非广播数据发送给特定的目的端口，因此，快速以太网交换可以在任何端口对之间实现，所有端口对之间的通信互不干扰。
93.另外，本实用新型实施例还提供了一种机器人。该机器人包括：如上述任一实施例所述的机器人手臂，或者，包括如上述任一实施例所述的机器人关节控制系统。
94.综上所述，本实用新型实施例的用于执行器的控制设备、执行器、机器人手臂、机器人关节控制系统及机器人，通过利用以太网交换机芯片、以太网物理层phy模块等能够实现用于执行器的控制设备和主控设备之间的以太网数据传输，与现有的can总线或rs485总线传输方式相比，传输速度极大增加，而且以此能够实现快速以太网及更快以太网的数据传输，比现有ethercat总线所采用的工业以太网传输速度也有极大提高，为进行柔性力控提供了可行的通信条件。另外，通过使本实施例的用于执行器的控制设备能够通过不对主控设备和电机控制处理器之间的传输数据主动丢包的组网设备与主控设备进行数据交互，避免了常规组网设备的丢包机制会对控制数据进行丢包而导致执行器失控的问题。
95.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本实用新型的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
96.以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。