一种中空走线的多关节机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种中空走线的多关节机器人，包括底座、关节本体、控制板、电机驱动板、增量式编码器、绝对式编码器和力矩传感器等。该多关节机器人采用中空走线的方式，将动力线和信号线穿过关节本体中心通孔后连接到下一个关节。每个关节之间使用EtherCAT总线通信，采取后级读写前级信号的方式进行实时数据传输。每个关节本体的电机端和输出轴端分别安装了增量式编码器和绝对位置编码器，用以提升关节模块的运动控制精度。输出轴端的力矩传感器动态检测外部载荷(或输出力矩)，能够快速实现柔顺力控制。本发明专利技术的多关节机器人能够减少内部走线，提升布线稳定性，实现高速高精度运动控制，并提高与人共融操作的安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种中空走线的多关节机器人
本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种中空走线的多关节机器人。
技术介绍
近年来智能机器人的发展逐渐成熟，轻量化机械手臂的研究也越来越受到重视。在许多电子装配、医疗与民生应用中，轻量化机械臂因为其安全性、灵活性与易于安装等特性，许多研究单位与厂商陆续推出相应的机械臂以满足协作机器人需求。而智能协作机器人与传统工业机器人相比，增加了柔顺力控制、阻抗控制功能以及其他传感器检测功能，因此机器人内部的走线更复杂。申请公布号为CN105522563A的专利申请公开了多关节机器人。该多关节机器人包括线缆、基座、第一旋转曲轴、第一臂、第二旋转曲轴和第二臂，第一旋转曲轴转动连接在基座和第一臂之间，第二旋转曲轴转动连接在第二臂和第一臂之间，基座、第一旋转曲轴、第一臂和第二旋转曲轴均包括中空结构，线缆经基座穿入并经第一旋转曲轴、第一臂后经第二旋转曲轴穿出。根据本专利技术的多关节机器人，可以解决现有技术中机器人的布线方式不够平稳，影响机器人的使用性能的问题。但是造成多关节机器人内部走线的复杂。传统工业机器人的中空内部走线方式是把所有的电源线和信号线都穿过中心孔，并且有些传感器信号线还需绕线回拉到前端，由于内部通孔尺寸的限制，导致走线臃肿，拆装困难。在机器人快速运行时，内部的走线可能会产生挤压摩擦与信号抖动，这种布线方式不够平稳。如果采用外部走线的方式则会影响机器人的整体美观，同时增大了机器人的整体尺寸。如何设计机械手臂的关节结构，对简化整体设计和提高控制性能有着相当重要的影响。
技术实现思路
针对现有工业机器人的不足，本专利技术提出了一种中空走线的多关节机器人，将高性能电机、减速器、制动器、多功能伺服驱动控制器、位置传感器与力矩传感器以及高速实时通信模块等部件进行一体化集成的关节设计，使其具有走线简洁、重量轻、响应速度快、柔顺力控制、实时总线通信等特点。这样避免了机器人的大型化和复杂化，易于拆装和后期维护。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：底座，所述底座上设有动力线接口和信号线接口；多个纵向关节，每个纵向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器，输出轴端安装有力矩传感器和绝对式编码器；多个横向关节，每个横向关节连接于相邻两个纵向关节之间，每个横向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器、第一控制板以及第一电机驱动板，所述第一控制板采集前一纵向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对当前横向关节的运动数据进行处理，所述第一电机驱动板采集当前横向关节前端增量式编码器的数据以实现控制当前横向关节电机的运转；每个横向关节的输出轴端安装有力矩传感器、绝对式编码器、第二控制板以及第二电机驱动板，所述第二控制板采集当前横向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对后一纵向关节的运动数据进行处理，所述第二电机驱动板采集后一纵向关节前端增量式编码器的数据以实现控制后一纵向关节电机的运转；动力线，所述动力线经所述动力线接口引入到每个横向关节或纵向关节后分成两路，一路穿过横向关节或纵向关节的中心通孔后，连接到下一横向关节或纵向关节，另一路为连接到横向关节或纵向关节的电源接口，负责给该横向关节或纵向关节上的用电部件供电；信号线，所述信号线经所述信号线接口引入到横向关节，连接横向关节前端的第一控制板后穿过横向关节的中心通孔，连接横向关节输出轴端的第二控制板后穿过下一纵向关节的中心通孔，引入到下一横向关节。横向关节的关节轴是横向设置的，纵向关节的关节轴是纵向设置的。本专利技术中，每个关节(横向关节和纵向关节)的前端(也就是电机端)和输出轴端分别安装有增量式编码器和绝对编码器，可同时对电机端位置与输出端位置进行测量，极大地提升了关节机器人的定位精度。每个关节之间单独控制，与每个关节对应的驱动控制模块采用双MCU主从协同控制方式，电机驱动板用于驱动电机运转和电机端增量式编码器的采集，控制板负责EtherCAT总线通信、电机控制算法和绝对式编码器以及力矩传感器信号的处理，双MCU的协同控制提升力关节运动的灵活性。关节输出轴端的力矩传感器动态检测外部载荷(或输出力矩)，能够快速实现柔顺力控制，因此，本专利技术提供的多关节机器人，能够减少内部走线，提升布线稳定性，实现高速高精度运动控制，并提高与人共融操作的安全性。本专利技术中，采用后级采集前级信号的方式，将第N个关节的绝对式编码器和力矩传感器输出线缆接到第N+1块控制板进行数据采集处理，将输出线缆接到后一级控制板进行处理，使走线更简洁，平稳性更好。同时，线缆按顺序往后连接，无需拉回关节前端控制板，消除了电机长期运转可能造成的回走线缆外被摩擦损伤的隐患。其中，电机驱动板和控制板之间采用SPI总线通信，并通过DMA方式传输数据。优选地，若与底座连接的关节为纵向关节，则该纵向关节的前端安装有控制板以及电机驱动板，该控制板用于对该对纵向关节的运送数据的处理以实现对该纵向关节运动状态的控制，还用于接收和处理信号线传输的数据；所述信号线经所述信号线接口引入到该纵向关节，连接该纵向关节前端的控制板后穿过该纵向关节的中心通孔，引入到一个横向关节。优选地，所述多关节机器人还包括末端执行器，当所述多关节机器人的末端关节为横向关节时，所述末端执行器与末端横向关节输出轴端的第二控制板通信连接。工业机器人的手部也称末端执行器,它是装在工业机器人手腕上直接抓握工件或执行作业的部件。对于整个工业机器人来说手部是完成作业好坏、作业柔性优劣的关键部件之一。末端执行器可以像人手那样具有手指,也可以是不具备手指的手；可以是类人的手爪,也可以是进行专业作业的工具,例如装在机器人手腕上的喷漆枪、焊接工具等。优选地，若所述多关节机器人的末端关节为纵向关节，则该纵向关节的输出轴端设有控制板，该控制板用于采集该纵向关节的输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并控制末端执行器的运行状态，通过EtherCAT总线进行数据的实时收发。无论所述多关节机器人的末端关节是横向关节还是纵向关节，与末端执行器连接的控制板是一块虚拟控制板(虚拟轴)，主要用于EtherCAT总线的数据通信、信号采集处理以及操控末端执行器，而无需控制关节电机的运行，故此处没有电机驱动板。在整个多关节机器人的架构中，控制板始终要比电机驱动板多一块。穿过该纵向关节的中心通孔的信号线连接该纵向关节的输出轴端的控制板后与末端执行器连接。优选地，所述信号线为EtherCAT通信线，EtherCAT主站与每个关节EtherCAT从站之间采用分布时钟模式，这样可以消除了每个控制板EtherCAT从站之间的传输延时，可确保每个关节的绝对编码器信号、力矩传感器采样信号和其他控制信号都在同一个控制周期内，从而保证了机器人控制的实时性。优选地，所述控制板、第一控制板以及第二控制板采用DSP芯片，进一步地，所述控制板、第一控制板以及第二控制板采用TMS320F28335。优选地，所述电机驱动板、第一电机驱动板以及第二电机驱动板采用ARM主控芯片，进一步地，所述电机驱动板、第一电机驱动板以及第二电机驱动板采用STM32系列MCU。在上述多关节机器人中，关节之间的信号线、动力线、控制板与的接线端力矩传感器和绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中空走线的多关节机器人，其特征在于，包括：底座，所述底座上设有动力线接口和信号线接口；多个纵向关节，每个纵向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器，输出轴端安装有力矩传感器和绝对式编码器；多个横向关节，每个横向关节连接于相邻两个纵向关节之间，每个横向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器、第一控制板以及第一电机驱动板，所述第一控制板采集前一纵向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对当前横向关节的运动数据进行处理，所述第一电机驱动板采集当前横向关节前端增量式编码器的数据以实现控制当前横向关节电机的运转；每个横向关节的输出轴端安装有力矩传感器、绝对式编码器、第二控制板以及第二电机驱动板，所述第二控制板采集当前横向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对后一纵向关节的运动数据进行处理，所述第二电机驱动板采集后一纵向关节前端增量式编码器的数据以实现控制后一纵向关节电机的运转；动力线，所述动力线经所述动力线接口引入到每个横向关节或纵向关节后分成两路，一路穿过横向关节或纵向关节的中心通孔后，连接到下一横向关节或纵向关节，另一路为连接到横向关节或纵向关节的电源接口，负责给该横向关节或纵向关节上的用电部件供电；信号线，所述信号线经所述信号线接口引入到横向关节，连接横向关节前端的第一控制板后穿过横向关节的中心通孔，连接横向关节输出轴端的第二控制板后穿过下一纵向关节的中心通孔，引入到下一横向关节。...

【技术特征摘要】
1.一种中空走线的多关节机器人，其特征在于，包括：底座，所述底座上设有动力线接口和信号线接口；多个纵向关节，每个纵向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器，输出轴端安装有力矩传感器和绝对式编码器；多个横向关节，每个横向关节连接于相邻两个纵向关节之间，每个横向关节内部设有用于排布所述动力线和信号线的中心通孔，前端安装有增量式编码器、第一控制板以及第一电机驱动板，所述第一控制板采集前一纵向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对当前横向关节的运动数据进行处理，所述第一电机驱动板采集当前横向关节前端增量式编码器的数据以实现控制当前横向关节电机的运转；每个横向关节的输出轴端安装有力矩传感器、绝对式编码器、第二控制板以及第二电机驱动板，所述第二控制板采集当前横向关节输出轴端的力矩传感器和绝对式编码器的数据，并对后一纵向关节的运动数据进行处理，所述第二电机驱动板采集后一纵向关节前端增量式编码器的数据以实现控制后一纵向关节电机的运转；动力线，所述动力线经所述动力线接口引入到每个横向关节或纵向关节后分成两路，一路穿过横向关节或纵向关节的中心通孔后，连接到下一横向关节或纵向关节，另一路为连接到横向关节或纵向关节的电源接口，负责给该横向关节或纵向关节上的用电部件供电；信号线，所述信号线经所述信号线接口引入到横向关节，连接横向关节前端的第一控制板后穿过横向关节的中心通孔，连接横向关节输出轴端的第二控制板后穿过下一纵向关节的中心通孔，引入到下一横向关节。2.如权利要求1所述的中空走线的多关节机器人，其特征在于，若与底座连接的关节为纵向关节，则该纵向关节的前端安装有控制板以...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋孙浩，舒鑫东，李荣，张驰，杨桂林，陈庆盈，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33