一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节制造技术

本发明专利技术属于机器人模块化关节技术领域，公开了一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节；包括无刷直流伺服电机、中空型制动器、中空型谐波减速器、盘式制动器、中空型编码器、中空型力矩传感器、中空型输入/输出轴以及线缆保护的中空轴，在关节内部设计了一块集成电源、驱动及控制于一体的PCB板，以此实现关节的独立供电、电机驱动以及实时控制，达到完全模块化。本发明专利技术的整个关节的内部结构布局布线合理，质量轻、性能高且互换性好，适合根据待定需求进行机器人组装，关节与内部和外界通信迅速，适用于人机协作的机械臂以及其它智能机器人的关节配套。

A Fully Modular Flexible Joint Based on High Speed Serial Communication

【技术实现步骤摘要】
一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节
本专利技术属于模块化关节
，尤其涉及一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：自德国2013年提出工业4.0时代到目前为止，工业机械臂的发展突飞猛进，国内外的各大高校、研究所以及科技企业对于机械臂进行不断的研发和更新，许多制造企业都采用了工业机械臂代替人来完成一些恶劣环境下的作业，工业机械臂的发展已经达到了一种相对成熟的阶段。随着社会的进步，科技的创新以及人类需求的提高，传统工业制造机器人无法满足一些中小型企业和电脑、通讯、消费性电子三大科技产品整合应用的资讯家电产业等新兴市场的短周期、定制化、协作化的要求。因此，更加灵活、智能化、集成度高、装配简单且安全的协作机器人应运而生，渗透进各行业。目前为止，以全球四大机器人家族发那科、库卡、安川电机、ABB为首，加上国内的机器人领军企业代表新松以及丹麦杰出机器人企业尤傲等，已经带来了协作机器人的发展狂潮。而在协作机械臂的设计当中，最重要的就是关节的设计，其特点是柔性好、集成度高、安全可靠、模块化等。相对于传统的单一、固定工作的工业机器人，协作机器人是由模块化关节通过不同的连杆组装而成，所以更加灵活、多元化、适应性强，并且可更换性和维修性都更好。综上所述，现有技术存在的问题是：关节内的集成度还不够高，在一个关节内应该集成除了基本的机械系统外的完整的电源系统、驱动控制系统，未达到完全一体化的小型、灵巧和安全的机械臂关节，以至于关节无法根据需求进行自由组装完成作业。关节内的数据采集系统不够完善，对于采集到的信息处理速度不够快，所以关节的控制通讯系统对于数据的采集以及处理速度有待提高。上述问题会进一步导致关节集成度不够高，内部数据采集系统不够完善，采集到的位置、速度以及力矩信息传输速度不够高，以及如何与驱动控制结合起来，控制通讯板所占空间较大。集成于关节内的控制通信系统通常会集成于几块PCB板上，所占有空间较大，不利于一体化关节的集成以及布局走线。以及在完成数据采集、传输以及处理后，如何进行一体化的驱动控制。解决上述技术问题的难度：难度在于如何合理地考虑到灵活性，小巧性、完全集成化以及可靠性等要求去布局完全一体化关节的结构，以至于形成互换性好的完全模块化关节，达到可根据需求进行自由组装的目的；采取何种方案提高关节内的数据采集、传输以及处理的速度和准确性，在将数据处理后如何与驱动和控制部分结合，以至于达到驱动与控制一体化。解决上述技术问题的意义：首先在于完成了一种合理布局的高速通信的完全一体化的机械臂关节，关节内采集数据的速度快且准确，可迅速提供数据给CPU，使得驱动控制板可以快速获取到有效的关节内位置、速度以及力矩信息，可以使关节的响应速度达到很高，解决关节应用于机械臂后与人交互时的安全问题和灵活性问题。其次在于达到了上述效果后可根据个人需求进行自由组装完成作业，可应用于生活中人机协作的很多方面。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节。本专利技术是这样实现的，一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节包括：电机输入部分、控制驱动部分、传动输出部分；电机输入部分包括静止的关节外壳、中空型的直流无刷伺服电机、输入高速轴、深沟球轴承、制动器以及光电编码器；直流无刷伺服电机通过使用结构胶粘合的方式使得电机定子与关节外壳以及电机转子与高速轴之间安装固定，电机的左端通过关节外壳进行轴向定位，关节外壳与输入高速轴之间通过深沟球轴承连接；制动器的两块摩擦片以及线圈的外壳三者通过螺栓固定在一起，线圈安装于外壳当中，制动器的转子部分与输入高速轴固定连接，线圈外壳通过安装螺钉与静止后外壳之间连接固定；光电编码器的码盘通过螺钉固定于输入高速轴的最右端，其采集装置与静止中空轴进行过盈配合连接；控制驱动部分包括静止后外壳以及集成电源、控制、驱动于一体的PCB板；驱动控制板通过静止后外壳的内部结构进行固定，通过三根伸出长轴进行PCB板的固定；转动输出部分包括谐波减速器、柔轮输出法兰、力矩传感器、磁性编码器以及输出外壳；谐波减速器的波发生器与输入高速轴通过花键进行固连，刚轮通过安装螺钉与电机外壳进行安装；柔轮输出法兰与柔轮通过螺钉进行连接；力矩传感器的内圈与柔轮输出法兰之间通过螺栓及螺母进行固定连接，外圈和关节输出外壳也通过螺栓及螺母进行连接；磁性编码器通过轴肩定位固定于柔轮输出法兰上，输出外壳与电机外壳之间相对转动。进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的电机静外壳和静止后外壳之间通过螺纹连接固定。进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的静止中空轴通过自攻螺钉固定于静止后外壳上。进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的直流无刷伺服电机、谐波减速器、制动器、光电编码器、驱动控制板以及力矩传感器都是中心孔结构；输入高速轴以及柔轮输出法兰是中空结构，实现关节内以及关节之间的走线。进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的PCB板包括：FPGA控制芯片及其固件，由FPGA芯片以及烧录进去芯片的控制其他模块的硬件电路组成；电源配置模块，通过电源端子进行+24V电源供电，电源配置模块经过分压元件将+24V电压分为+24V、+3.3V、+5.5V、+5V以及1.2V五路电压；电机驱动模块，包含电机的驱动芯片以及MOSFET组成的全桥电路，接收来自FPGA的PWM控制信号以产生脉冲，进行电机的驱动；存储器模块，选择DDR3作为存储芯片，达到数据的高速存储和读取；PCIE总线接口模块，基于PCIE的IP核实现的DMA级联结构接口，与上位机的高速数据交互；信号调理模块，完成采集信号的消抖、滤波以及放大处理，确保得到精准可靠的关节实时数据；AD转换模块，基于AD转换芯片实现此模块，完成模拟信号的模数转换；时钟配置模块，包含时钟芯片以及时钟调理电路，给总线接口模块、AD转换模块、FPGA以及存储器模块提供时钟信号以及保证时钟信号的稳定输入。进一步，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的FPGA控制芯片包括；AD控制电路，用于完成AD转换芯片的控制；SPI通信驱动电路，此功能电路用于AD控制电路的底层模块，用于完成SPI通信的控制；DDR3控制电路，用于完成高速存储芯片的控制；PCIE串行总线控制电路，用于完成控制接口的数据传输，完成与上位机的数据传输；电机驱动芯片控制电路，用于进行电机驱动芯片的控制；本专利技术的另一目的在于提供一种基于所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的数据传输方法，所述数据传输方法包括：从传感器收集到相应的数据之后，通过SPI通信接口到达控制驱动板的控制调理电路，TTL电平信号可直接到达CPU，模拟信号经过AD转换成数字信号后再传输到CPU；在CPU进行处理后，数据在DDR3控制IP核实现的驱动电路的驱动下到达DDR3芯片中进行缓存，MIG实现对于DDR3的读取控制，在DDR3将数据完成缓存之后，当FPGA接收到命令时，将数据从DDR3中读出来；然后利用级联结构DMA接口方式的PCIE总线传输控制器，实现数据的高速传输。进一步，所述数据传输方法的数据经过CPU的时候实现电机控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其特征在于，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节包括：电机输入部分、控制驱动部分、传动输出部分；电机输入部分包括静止的关节外壳、中空型的直流无刷伺服电机、输入高速轴、深沟球轴承、制动器以及光电编码器；直流无刷伺服电机通过使用结构胶粘合的方式使得电机定子与关节外壳以及电机转子与高速轴之间安装固定，电机左端通过关节外壳进行轴向定位，关节外壳与输入高速轴之间通过深沟球轴承连接；制动器的两块摩擦片与线圈的外壳三者通过螺栓固定在一起，线圈安装于外壳当中，制动器的转子部分与输入高速轴固定连接，线圈外壳通过安装螺钉与静止后外壳之间连接固定；光电编码器的码盘通过螺钉固定于输入高速轴的最右端，其采集装置与静止中空轴进行过盈配合连接；控制驱动部分包括静止后外壳以及集成电源、控制、驱动于一体的PCB板；驱动控制板通过静止后外壳的内部结构进行固定，通过三根伸出长轴进行PCB板的固定；传动输出部分包括谐波减速器、柔轮输出法兰、力矩传感器、磁性编码器以及输出外壳；谐波减速器的波发生器与输入高速轴通过花键进行固连，刚轮通过安装螺钉与电机外壳进行安装；柔轮输出法兰与柔轮通过螺钉进行连接；力矩传感器的内圈与柔轮输出法兰之间通过螺栓及螺母进行固定连接，外圈和关节输出外壳也通过螺栓及螺母进行连接；磁性编码器通过轴肩定位固定于柔轮输出法兰上，输出外壳与电机外壳之间相对转动。...

【技术特征摘要】
1.一种基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其特征在于，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节包括：电机输入部分、控制驱动部分、传动输出部分；电机输入部分包括静止的关节外壳、中空型的直流无刷伺服电机、输入高速轴、深沟球轴承、制动器以及光电编码器；直流无刷伺服电机通过使用结构胶粘合的方式使得电机定子与关节外壳以及电机转子与高速轴之间安装固定，电机左端通过关节外壳进行轴向定位，关节外壳与输入高速轴之间通过深沟球轴承连接；制动器的两块摩擦片与线圈的外壳三者通过螺栓固定在一起，线圈安装于外壳当中，制动器的转子部分与输入高速轴固定连接，线圈外壳通过安装螺钉与静止后外壳之间连接固定；光电编码器的码盘通过螺钉固定于输入高速轴的最右端，其采集装置与静止中空轴进行过盈配合连接；控制驱动部分包括静止后外壳以及集成电源、控制、驱动于一体的PCB板；驱动控制板通过静止后外壳的内部结构进行固定，通过三根伸出长轴进行PCB板的固定；传动输出部分包括谐波减速器、柔轮输出法兰、力矩传感器、磁性编码器以及输出外壳；谐波减速器的波发生器与输入高速轴通过花键进行固连，刚轮通过安装螺钉与电机外壳进行安装；柔轮输出法兰与柔轮通过螺钉进行连接；力矩传感器的内圈与柔轮输出法兰之间通过螺栓及螺母进行固定连接，外圈和关节输出外壳也通过螺栓及螺母进行连接；磁性编码器通过轴肩定位固定于柔轮输出法兰上，输出外壳与电机外壳之间相对转动。2.如权利要求1所述的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其特征在于，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的电机静外壳和静止后外壳之间通过螺纹连接固定。3.如权利要求1所述的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其特征在于，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的静止中空轴通过自攻螺钉固定于静止后外壳上。4.如权利要求1所述的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其特征在于，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的直流无刷伺服电机、谐波减速器、制动器、光电编码器、驱动控制板以及力矩传感器都是中心孔结构；输入高速轴以及柔轮输出法兰是中空结构，实现关节内以及关节之间的走线。5.如权利要求1所述的基于高速串行通信的完全模块化柔性关节，其特征在于，所述基于高速串行通信的完全模块化柔性关节的PCB板包括：FPGA控制芯片及其固件，由FPGA芯片以及烧录进去芯片的控制其他模块的硬件电路组成；电源配置模块，通过电源端子进行+24V电源供电，电源配置模块经过分压元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵鹏兵，胡耀，郭世超，李婧，杨傲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61