【具體實(shí)施方式】
[0052]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0053]本發(fā)明可變自由度的模塊化機(jī)械臂，包括基座1、機(jī)械臂連桿2與機(jī)械臂關(guān)節(jié)3 ;基座用來支撐機(jī)械臂，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的設(shè)置與安裝；機(jī)械臂連桿2之間、機(jī)械臂連桿2與基座I間以及機(jī)械臂連桿2與末端執(zhí)行器間均通過機(jī)械臂關(guān)節(jié)進(jìn)行連接，如圖1所示。
[0054]所述機(jī)械臂關(guān)節(jié)3包括輸出法蘭軸301、諧波減速器302、中空軸電機(jī)303、剎車裝置304、雙碼盤定位機(jī)構(gòu)305與外殼306，如圖2所示。
[0055]所述輸出法蘭軸301為輸出法蘭301a和輸出軸301b兩部分構(gòu)成的一體結(jié)構(gòu)，如圖3所示，輸出法蘭301a與輸出軸301b前端同軸相接。其中，輸出軸301b上由前至后依次同軸套有諧波減速器302、中空軸電機(jī)303、剎車裝置304與雙碼盤定位機(jī)構(gòu)305。上述諧波減速器302、中空軸電機(jī)303、剎車裝置304、雙碼盤定位機(jī)構(gòu)305均位于全鋁合金的外殼306內(nèi)，通過外殼306進(jìn)行保護(hù)。為了便于剎車裝置304與雙碼盤定位機(jī)構(gòu)305的更換與維護(hù)，將外殼306設(shè)計(jì)為具有后蓋的結(jié)構(gòu)。外殼306上還設(shè)計(jì)有連接法蘭307，通過連接法蘭307與上述輸出法蘭301a，實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)3間的連接，以及機(jī)械臂關(guān)節(jié)3與機(jī)械臂連桿2間的連接。上述諧波減速器302通過螺釘固定于輸出法蘭301a上。
[0056]中空軸電機(jī)303為中空軸無刷直流電機(jī)，如圖4所示，具有電機(jī)定子303a、電機(jī)轉(zhuǎn)子303b與中空軸303c，如圖2所示。中空軸電機(jī)303通過熱套配合與外殼306固定，電機(jī)定子303a前后兩端通過外殼306內(nèi)壁周向上設(shè)計(jì)的軸肩定位。中空軸303c前端通過螺釘連接在諧波減速器302的輸入端，實(shí)現(xiàn)中空軸電機(jī)303的軸向定位。中空軸303c的前后兩端上分別套有前端蓋303d與后端蓋303e ;如圖1所示，前端蓋303d、諧波減速器302與外殼306三者間通過螺釘固定；后端蓋303e直接通過螺釘與外殼306間固定；并使前端蓋303d與后端蓋303e分別和電機(jī)定子303a前后兩端間具有一定間隙，為電機(jī)定子303a提供一個(gè)加工裕度。同時(shí)前端蓋303d和后端蓋303e上分別通過深溝球軸承與中空軸303c前端和后端相連，保證中空軸303c能夠平穩(wěn)順暢的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在前端蓋303d與中空軸303c間還安裝有油封，防止諧波減速器302中的油液進(jìn)入到其他部分中。通過上述結(jié)構(gòu)，中空軸電機(jī)303工作，中空軸303c轉(zhuǎn)動(dòng)，通過諧波減速器302減速后，帶動(dòng)輸出法蘭301a轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0057]所述剎車裝置304安裝于后端蓋303e上，包括電磁鐵304a、剎車擋片304b、定位卡環(huán)304c與三波峰墊片304d，如圖5所示。其中，電磁鐵304a通過L型支架安裝在后端蓋303e外緣處，定位卡環(huán)304c與三波峰墊片304d均為2個(gè)，剎車擋片304b為I個(gè)，采用周向上具有四個(gè)限位檔桿的十字形結(jié)構(gòu)。2個(gè)三波峰墊片304d與剎車擋片304b按照定位卡環(huán)304c-三波峰墊片304d-剎車擋片304b-三波峰墊片304d_定位卡環(huán)304c的順序套在中空軸303c上，如圖6所示，且在靠近中空軸303c軸端的三波峰墊片304d與定位卡環(huán)304c間還設(shè)置有遮擋片304e，對(duì)2個(gè)定位卡環(huán)間的結(jié)構(gòu)進(jìn)行遮擋。其中，2個(gè)定位卡環(huán)304c固定于中空軸303c周向上設(shè)計(jì)的凹槽內(nèi)，且將2個(gè)三波峰墊片304d與I個(gè)剎車擋片304b三者間壓緊固定。由此通過剎車裝置304可保證在機(jī)械臂關(guān)節(jié)3在未上電或者發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，能夠緊急通過機(jī)械方式制動(dòng)從而保證人身安全的裝置。正常工作時(shí)，電磁鐵304a上電吸合，剎車擋片304b可以自由旋轉(zhuǎn)；當(dāng)發(fā)生故障掉電時(shí)，電磁鐵304a釋放，至剎車擋片304b的限位檔桿與電磁鐵304a桿部接觸后，受電磁鐵304a桿部阻擋，進(jìn)而將剎車擋片304b鎖死，使其不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使中空軸303c停轉(zhuǎn)，達(dá)到剎車的目的。剎車裝置304對(duì)保證機(jī)械臂關(guān)節(jié)3的安全起到很重要的作用。
[0058]所述雙碼盤定位機(jī)構(gòu)305包括驅(qū)動(dòng)電路板305a、速度增量編碼器305b和位置增量編碼器305c，如圖7所示。其中，速度增量編碼器305b與位置增量編碼器305c均為中空結(jié)構(gòu)的光柵編碼器。速度增量編碼器305b具有一個(gè)停止位，輸出信號(hào)為A、B、Z三相差分信號(hào)；速度增量編碼器305b的中空部分周向上具有三個(gè)中心角不同的扇形槽，分別與中空軸303c上周向設(shè)計(jì)的三個(gè)扇形鍵配合定位后，通過螺釘同軸固定于中空軸303c后端端部，使速度增量編碼器305b與中空軸303c具有唯一確定的位置關(guān)系，且在速度增量編碼器305b安裝完畢后，需保證速度增量編碼器305b的Z相停止位與電機(jī)轉(zhuǎn)子303b的一相對(duì)齊，此時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子303b相對(duì)于電機(jī)定子303a的位置為速度增量編碼器305b的零位。由此，本發(fā)明中速度增量編碼器305b可代替霍爾傳感器，當(dāng)確定了電機(jī)轉(zhuǎn)子303b相對(duì)于電機(jī)定子303a的初始位置時(shí)，速度增量編碼器305b上電復(fù)位，不斷讀取速度增量編碼器305b的差分信號(hào)，當(dāng)速度增量編碼器305b每旋轉(zhuǎn)120°時(shí)進(jìn)行換向操作，從而實(shí)現(xiàn)和代替霍爾傳感器的換向作用。位置增量編碼器305c通過周向上設(shè)計(jì)的四個(gè)非均布安裝孔，由螺釘將位置增量編碼器305c固定于編碼器安裝座305d上，可使位置增量編碼器305c與編碼器安裝座305d具有唯一確定的位置關(guān)系。編碼器安裝座305d通過自身周向上開設(shè)的安裝孔，由螺釘固定在輸出軸301b后端端部，使位置增量編碼器305c與輸出法蘭軸301同軸定位，且可保證位置增量編碼器305c和輸出軸301b具有唯一的位置關(guān)系。通過讀取位置增量編碼器305c輸出的差分信號(hào)，來確定輸出法蘭軸301相對(duì)于初始位置的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而確定應(yīng)用機(jī)械臂關(guān)節(jié)3的機(jī)械臂的整體姿態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路板305a設(shè)置于速度增量編碼器305b與位置增量編碼器305c之間，外緣周向上通過均布的銅柱305e固定支撐在后端蓋303e上。驅(qū)動(dòng)電路板305a的前后端面上分別安裝有速度增量編碼器讀頭305f與位置增量編碼器讀頭305g，分別實(shí)時(shí)讀取速度增量編碼器305b與位置增量編碼器305c產(chǎn)生的差分信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路板305a上還設(shè)計(jì)有伺服驅(qū)動(dòng)電路308。
[0059]所述伺服驅(qū)動(dòng)電路308包括主控模塊308a、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊308b、剎車控制模塊308c、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊308d與電源模塊308e，如圖8所示，各個(gè)模塊間通過CAN總線物理連接建立通信。
[0060]其中，信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊308b為一塊AM26LV32芯片，用來接收速度增量編碼器讀頭305b與位置增量編碼器讀頭305g讀取的差分信號(hào)，并分別轉(zhuǎn)換為3.3V電平的單相信號(hào)傳輸至主控模塊308a。剎車控制模塊308c為一塊DRV104芯片，用來控制剎車裝置304中電磁鐵304a高壓吸合，低壓保持，以減小電磁鐵304a的發(fā)熱量。主控模塊308a由一塊ARM架構(gòu)的處理器STM32F303RCT6作為主控芯片，用來實(shí)現(xiàn):1、對(duì)接收到的單相信號(hào)進(jìn)行處理，得到中空軸303c的速度信息與輸出軸301b的位置信息；2、向剎車控制模塊308c的DRV104芯片發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)剎車裝置304中電磁鐵304a的控制；3、發(fā)送中空軸電機(jī)303控制指令，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊308d實(shí)現(xiàn)對(duì)中空軸電機(jī)303的進(jìn)行控制。所述電源模塊308e具有LM5576芯片、LM2674芯片與AMSl117芯片，分別用來將48V輸入電壓轉(zhuǎn)化成12V、5V、
3.3V的電壓；其中12V電壓供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊308d ；5V電壓供給速度增量編碼器讀頭305f與位置增量編碼器讀頭305g ;3.3V電壓供給主控模塊308a的主控芯片。上述電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊308d采用常用的H橋驅(qū)動(dòng)電路，通過SVPWM算法實(shí)現(xiàn)對(duì)中空軸電機(jī)303的控制。本發(fā)明中電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊308d采用的是SUM90N10型號(hào)MOS管，100V耐壓，具有90A的過流能力，導(dǎo)通電阻6.7mΩ ;M0S管驅(qū)動(dòng)選用的是IR2181S，IR2181S是高電壓、高速電源增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)三極管MOSFET和絕緣柵雙極型晶體管IGBT的驅(qū)動(dòng)器，帶有獨(dú)立的高低端參考輸出通道。主控模塊308a的主控芯片還通過調(diào)試接口實(shí)現(xiàn)對(duì)主控芯片進(jìn)行程序的燒寫；通過RS232接口連接主控芯片的串口調(diào)試接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)3的串口調(diào)試。上述驅(qū)動(dòng)電路板305a上還設(shè)計(jì)有溫度傳感器308f、霍爾電流傳感器308g與輸入電壓檢測(cè)模塊308h ;其中，溫度傳感器308f采用LM60型號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)本發(fā)明機(jī)械臂關(guān)節(jié)3的溫度信號(hào)，發(fā)送至主控芯片，通過主控芯片轉(zhuǎn)化為溫度信息?；魻栯娏鱾鞲衅?08g采用ACS712型號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)中空軸電機(jī)