機器人行走系統用輪轂電機的製作方法
2024-03-10 06:01:15
本發明涉機械設計領域，尤其是涉及一種電機。
背景技術：
隨著科學技術的進步，近幾年在娛樂、服務和工業等領域中，機器人的應用越來越廣泛，而為了方便機器人的運動以使機器人能具有實現更多的動作，機器人行走系統的設計和研究一直是機器人研究中的一個重要組成部分，目前，最常見的機器人行走系統一般為輪轂式或者履帶式，兩者均是通過外部的電機通過齒輪箱等對其進行驅動工作，這樣結構，存在傳動效率低、摩擦損耗大、壽命低、噪音大、控制性能差等缺點。
如今，市面上還出現了一種將電機和輪轂組合的輪轂電機，其電機的轉動即為輪轂的轉動，這種電機雖然消除了傳動過程中的各種問題，但是該類電機驅動器組件部分依然需要外置，其結構複雜，集成度低，導致驅動方式繁瑣，而且位置精度調節性能差，難以實現準確，精密的控制，難以在需要高精度、小型化的機器人行走系統上進行使用。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種結構簡單，集成度高，控制精度高的機器人行走系統用輪轂電機。
根據本發明的一個方面，提供了一種機器人行走系統用輪轂電機，包括輪轂、主軸、定子、信號線、驅動器、永磁體、磁編碼器、磁傳感器、磁片和磁軛，其中主軸安裝輪轂內，定子安裝在主軸上，信號線從主軸內穿出，並分別與驅動器和磁編碼器連接，驅動器安裝在定子上，磁軛安裝在輪轂內，永磁體安裝在磁軛上，並與定子相匹配，磁編碼器安裝在主軸上，磁傳感器安裝在磁編碼器上，磁片安裝在輪轂內，並與磁傳感器相匹配。
本發明的有益效果是：本發明的驅動器通過信號線來進行設定，並按照設定驅動定子產生磁場，而磁軛將磁場導引到永磁體處，使得永磁體轉動，永磁體帶動輪轂轉動，而輪轂旋轉過程中，由於磁片會隨輪轂轉動，因此磁片產生的磁場角度會有改變，磁傳感器會感應上述磁場角度的改變，使得磁編碼器獲得輪轂實時位置，並將其反饋到驅動器中，驅動器再以此來改變定子的電流方向，以保證輪轂能不停地旋轉下去，並當旋轉角度到達設定值時，驅動器能使輪轂停止旋轉。本發明將各部件均集成在輪轂內，無需在輪轂外設置變速箱、皮帶等傳動機構，即可實現對輪轂的驅動和控制，簡化了結構，集成度高，並且利用了磁編碼器和驅動器的混合使用，能實現精確到0.1度的旋轉角度控制，控制精度高，能很好地在需要高精度、小型化的機器人上使用。
在一些實施方式中，定子包括鐵芯、繞組和骨架，其中骨架安裝在鐵芯上，繞組繞在骨架上，驅動器安裝在骨架上，並與繞組電性連接。骨架能分開鐵芯和繞組，並方便驅動器的安裝，而驅動器能改變通入繞組的電流方向和電流大小，以此使得繞組產生的磁場準確，以保證本發明的準確工作。
在一些實施方式中，輪轂包括前端蓋和後端蓋，其中前端蓋和後端蓋相連接。輪轂分為兩部分，能方便各部件的安裝和固定。
在一些實施方式中，前端蓋和主軸間設有油封。油封的設置能保證主軸從前端蓋伸出處的密封性，提高本發明的防護等級。
在一些實施方式中，驅動器包括主控MCU(Microcontroller Unit的簡稱，即微控制單元)、驅動控制模塊、485通訊模塊和功率開關模塊，其中驅動控制模塊和485通訊模塊均與主控MCU電性連接，驅動控制模塊和功率開關模塊電性連接，功率開關模塊與定子電性連接，主控MCU與磁編碼器電性連接。驅動控制模塊和功率開關模塊的共同設置能實現定子上的磁場的開閉、磁場方向的改變和磁場大小的變化，以此使得對應永磁體轉動能符合用戶的需要，而485通訊模塊則能方便用戶通過485協議來對主控MCU發送指令，提高本發明的靈活性，且485通訊方式僅需使用兩根通訊線，能明顯減少信號線內部所需的導線，簡化信號線的結構。
在一些實施方式中，驅動器還包括變壓模塊，其中變壓模塊與主控MCU和驅動控制模塊分別電性連接。變壓模塊的設置能保證主控MCU和驅動控制模塊的工作電壓的穩定，防止因接入電壓過大而損壞本發明。
在一些實施方式中，主軸內設有空腔，其中信號線從空腔穿出，信號線脫離空腔處設有密封膠。空腔的設置能保證信號線的位置的固定，並能更好地保護信號線，而密封膠的設置能信號線脫離空腔處的密封性，提高本發明的防護等級。
附圖說明
圖1為本發明的一種實施方式的機器人行走系統用輪轂電機的正視圖。
圖2為的機器人行走系統用輪轂電機的正視圖的剖視圖。
圖3為的機器人行走系統用輪轂電機的未安裝輪轂的正視圖的剖視圖。
圖4為的機器人行走系統用輪轂電機的驅動器的原理方框圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
參考圖1-圖4，本發明的機器人行走系統用輪轂電機，包括輪轂1、主軸2、定子3、信號線4、驅動器5、永磁體6、磁編碼器7、磁傳感器8、磁片9和磁軛10。
輪轂1包括前端蓋11和後端蓋12，前端蓋11和後端蓋12通過螺栓相連接。主軸2的一端通過軸承安裝在後端蓋12內，其中部通過軸承安裝在前端蓋11內，而另一端則從前端蓋11伸出，使得主軸2被固定在輪轂1內，另外，主軸2從前端蓋11的伸出位置設有油封13。主軸2內還設有空腔21，信號線4一部分位於空腔21內，且一端從空腔21穿出，而信號線4該端脫離空腔21處設有密封膠22。
定子3包括鐵芯31、繞組32和骨架33，骨架33可以為塑膠等絕緣體，鐵芯31固定安裝在主軸2上，骨架33固定安裝在鐵芯31上，繞組32繞在骨架33上。磁軛10安裝在後端蓋12內，而永磁體6安裝在磁軛10上，即永磁體6通過磁軛10安裝在輪轂1內，且永磁體6的位置和定子3的位置相匹配，使得繞組32產生磁場時，永磁體6能相應轉動。
驅動器5安裝在定子3的骨架33上，驅動器5包括主控MCU 51、驅動控制模塊52、485通訊模塊53、功率開關模塊54和變壓模塊55。主控MCU51採用意法半導體集團供應的型號為STM32F030C6T6的MCU，驅動控制模塊52採用國際整流公司供應的型號為IRS2003的驅動晶片，485通訊模塊53採用美信電子有限公司供應的MAX485EN元件，功率開關模塊51採用Diodes公司供應的AH173元件，變壓模塊55採用上海芯龍半導體技術股份有限公司供應的XL7025元件。
上述主控MCU 51、驅動控制模塊52、485通訊模塊53、功率開關模塊54和變壓模塊55能集成在PCB上，使得驅動控制模塊52和485通訊模塊53均與主控MCU 51電性連接，驅動控制模塊52與功率開關模塊54電性連接，變壓模塊55與主控MCU 51和驅動控制模塊52分別電性連接。
另外，驅動器5與信號線4連接，使得485通訊模塊53能通過信號線4接收外部的指令，且變壓模塊55功率開關模塊54能通過信號線4獲得供電，而驅動器5還與定子3的繞組32連接，使得功率開關模塊54與繞組32電性連接，以此功率開關模塊54能控制繞組32的通電與否和磁場方向。
而磁編碼器7通過螺栓安裝在主軸2的端部，磁傳感器8則安裝在磁編碼器7上，並與磁編碼器7電性連接，磁片9為一對極徑向充磁的永磁體，其嵌在後端蓋12的中部內，且磁傳感器8的位置與磁片9的位置相匹配，使得磁傳感器8能感應到磁片9的磁場。另外，磁編碼器7還與信號線4連接，使得磁編碼器7能與驅動器5的主控MCU 51電性連接，即磁編碼器7所接收到的信號能傳到主控MCU 51中。
本發明使用前，用戶可以先通過信號線4將驅動器5與單片機等編碼器連接，編碼器通過信號線4向驅動器5輸入指令，指令在通過485通訊模塊53轉換成相應信號後輸入到主控MCU 51中，以此對主控MCU 51進行設定。
本發明工作時，本發明通過信號線4接入電源，電源為變壓模塊55和功率開關模塊54供電，變壓模塊55將電源電壓轉換為適合電壓後，輸入到主控MCU 51和驅動控制模塊52中，MCU 51發送信號到驅動控制模塊52中，驅動控制模塊52驅動功率開關模塊54導通繞組32，繞組32通入電流後產生磁場，永磁體6在磁場內開始旋轉，並帶動輪轂1旋轉。此時，由於輪轂1旋轉，位於輪轂1的後端蓋12內的磁片9也隨之旋轉，由於磁片9旋轉的角度不同，其磁場位置則會有相應的變化，而磁傳感器8則由於主軸2固定不動而維持不動，磁傳感器8因此能感應到磁片9旋轉時的不同磁場並產生相應電信號，磁傳感器8將該電信號傳到磁編碼器7中，磁編碼器7再根據該電信號以獲得相應的位置信號，最後將該位置信號傳輸到驅動器5的MCU 51中，MCU 51能獲據此得輪轂1的位置，會適時地發送信號到驅動控制模塊52中，驅動控制模塊52根據該信號驅動功率開關模塊54適時改變繞組32中的電流方向，即改變磁場方向，使得永磁體6能一直不停地旋轉下去，即輪轂1不停地旋轉。而且在在當輪轂1的旋轉位置到達用戶的設定值時，MCU 51會發送信號到驅動控制模塊52中，驅動控制模塊52驅動功率開關模塊54截止繞組32，繞組32斷電並且磁場消失，永磁體6停止旋轉，即輪轂1停止旋轉，本發明完成用戶設定的工作。
另外，本發明在使用過程中，MCU 51還能根據獲得的輪轂1旋轉位置發送相應信號到485通訊模塊53中，485通訊模塊53能將其轉換成相應的數據後輸出，由此，用戶能通過將解碼設備通過信號線4連接上485通訊模塊53，以此獲得當前的輪轂1的旋轉位置。
以上所述的僅是本發明的一些實施方式。對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。