阅读说明：本技术 一种弹性驱动器及舵机系统 (Elastic driver and steering engine system ) 是由 王忠良 柳冬 朱熙龙 周升 于 2020-06-30 设计创作，主要内容包括：本申请属于舵机技术领域,提供了一种弹性驱动器及舵机系统,弹性驱动器包括电机、电机制动器、扭矩传感器、控制电路以及电机制动驱动电路,通过集成扭矩传感器和电机制动器,由扭矩传感器检测电机的旋转扭矩,并生成扭矩传感器输出信号,控制电路输出第一电机制动控制信号、第二电机制动控制信号,控制电机制动驱动电路生成对应的刹车控制信号,对电机进行精确控制,以使机器人的动作具有柔性效果,解决了目前的大扭矩伺服舵机存在关节力控精度较低、断电无法保持的问题。(The utility model belongs to the technical field of the steering wheel, an elastic drive ware and steering wheel system are provided, elastic drive ware includes the motor, motor brake, torque sensor, control circuit and motor brake drive circuit, through integrated torque sensor and motor brake, detect the rotatory moment of torsion of motor by torque sensor, and generate torque sensor output signal, the first motor brake control signal of control circuit output, second motor brake control signal, control motor brake drive circuit generates corresponding brake control signal, carry out accurate control to the motor, so that the action of robot has flexible effect, it is lower to have the joint power accuse precision to have solved present big moment of torsion servo steering wheel, the unable problem that keeps of outage.)

一种弹性驱动器及舵机系统

技术领域

本申请属于舵机技术领域，特别涉及一种弹性驱动器及舵机系统。

背景技术

舵机具有广泛的应用，是诸多机器的核心元件。因此，舵机的性能决定了智能机器人等机器的性能。例如在智能机器人中，舵机作为智能机器人中的动力元件，是形成智能机器人关节组件的关键元件，也是智能机器人实现智能化的关键元件。

然而，目前的大扭矩伺服舵机存在关节力控精度较低、断电无法保持的问题，极大的限制了伺服舵机的应用场景。

发明内容

本申请的目的在于提供一种弹性驱动器及舵机系统，旨在解决目前的大扭矩伺服舵机存在关节力控精度较低、断电无法保持的问题，极大的限制了伺服舵机的应用场景的问题。

为了解决上述问题，本申请提供了一种弹性驱动器，所述弹性驱动器包括：

电机；

电机制动器，与所述电机连接，用于对所述电机进行制动处理；

扭矩传感器，与所述电机连接，用于检测所述电机的旋转扭矩，并生成扭矩传感器输出信号；以及

控制电路，与所述扭矩传感器连接，用于接收所述扭矩传感器输出信号，并输出第一电机制动控制信号、第二电机制动控制信号以及电机控制信号，所述电机控制信号用于对所述电机的转动进行调节；

电机制动驱动电路，分别与所述电机制动器和所述控制电路连接，用于接收所述第一电机制动控制信号和所述第二电机制动控制信号，并根据所述第一电机制动控制信号和所述第二电机制动控制信号生成刹车控制信号，以对所述电机制动器的工作状态进行控制；

所述控制电路还用于对所述电机的电流进行采样，并根据采样结果对所述电机进行矢量控制。

可选的，所述弹性驱动器还包括电平转换电路，分别与所述控制电路和所述扭矩传感器连接，用于对所述扭矩传感输出信号进行电平转换处理，并生成扭矩检测信号发送至所述控制电路。

可选的，所述电机制动驱动电路包括：

第一供电端，用于接入第一供电电压；

第二供电端，用于接入第二供电电压；

第一开关单元，分别与所述第一供电端和所述电机制动器连接，用于接收所述第一电机制动控制信号，并根据所述第一电机制动控制信号对所述第一供电端与所述电机制动器之间的连接状态进行控制；

第二开关单元，分别与所述第二供电端和所述电机制动器连接，用于接收所述第二电机制动控制信号，并根据所述第二电机制动控制信号对所述第二供电端与所述电机制动器之间的连接状态进行控制。

可选的，所述电机制动驱动电路还包括：

泄放单元，与所述电机制动器连接，用于对所述电机制动器中产生的反向电流进行泄放处理。

可选的，所述第一开关单元包括：第一保险丝、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容、第一二极管、第一开关管以及第二开关管；

所述第一保险丝的第一端与所述第一供电端连接，所述第一保险丝的第二端、所述第一电容的第一端、所述第一电阻的第一端以及所述第一开关管的电流输入端共接，所述第一电容的第二端、所述第一电阻的第二端、所述第一开关管的控制端以及所述第二电阻的第一端共接，所述第一开关管的电流输出端与所述第一二极管的阳极连接，所述第一二极管的阴极与所述电机制动器连接，所述第二电阻的第二端与所述第二开关管的电流输入端连接，所述第二开关管的控制端、所述第三电阻的第一端、所述第四电阻的第一端以及所述第二电容的第一端共接，所述第二开关管的电流输出端、所述第二电容的第二端以及所述第四电阻的第二端共接于地，所述第三电阻的第二端与所述控制电路连接。

可选的，所述第二开关单元包括：第二保险丝、第三电容、第四电容、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第二二极管、第三开关管以及第四开关管；

所述第二保险丝的第一端与所述第二供电端连接，所述第二保险丝的第二端、所述第三电容的第一端、所述第五电阻的第一端以及所述第三开关管的电流输入端共接，所述第三电容的第二端、所述第五电阻的第二端、所述第六电阻的第一端以及所述第三开关管的控制端共接，所述第三开关管的电流输出端与所述第二二极管的阳极连接，所述第六电阻的第二端与所述第四开关管的电流输入端连接，所述第四开关管的控制端、所述第七电阻的第一端、所述第八电阻的第一端以及所述第四电容的第一端共接，所述第四开关管的电流输出端、所述第八电阻的第二端以及所述第四电容的第二端共接于地，所述第七电阻的第二端与所述控制电路连接。

可选的，所述泄放单元包括：第三二极管、第九电阻以及第五电容；

所述第三二极管的阴极与所述电机制动器连接，所述第三二极管的阳极、所述第九电阻的第一端以及所述第五电容的第一端共接，所述第九电阻的第二端与所述第五电容的第二端共接于地。

可选的，所述电平转换电路包括：第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第五电容、第六电容、第三二极管以及第四二极管；

所述第九电阻的第一端与所述第十一电阻的第一端共接于所述扭矩传感器，所述第九电阻的第二端、所述第五电容的第一端、所述第三二极管的阴极以及所述第十二电阻的第一端共接，所述第十电阻的第二端、所述第五电容的第二端以及所述第三二极管的阳极共接于地，所述第十二电阻的第二端与所述控制电路连接；所述第十三电阻的第一端、所述第十四电阻的第一端共接与所述扭矩传感器，所述第十三电阻的第二端、所述第十四电阻的第二端、所述第十五电阻的第一端、所述第六电容的第一端、所述第四二极管的阴极以及所述第十六电阻的第一端共接，所述第十五电阻的的第二端、所述第六电容的第二端以及所述第四二极管的阳极共接于地，所述第十六电阻的第二端与所述控制电路连接。

可选的，所述弹性驱动器还包括总线通讯接口线路，与所述控制电路连接，用于提供调试测试端口。

本申请实施例还提供了一种舵机系统，包括如上述任一项所述的弹性驱动器。

本申请提供了一种弹性驱动器及舵机系统，弹性驱动器包括电机、电机制动器、扭矩传感器、控制电路以及电机制动驱动电路，通过集成扭矩传感器和电机制动器，由扭矩传感器检测电机的旋转扭矩，并生成扭矩传感器输出信号，控制电路输出第一电机制动控制信号、第二电机制动控制信号，控制电机制动驱动电路生成对应的刹车控制信号，对电机进行精确控制，以使机器人的动作具有柔性效果，解决了目前的大扭矩伺服舵机存在关节力控精度较低、断电无法保持的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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。

图1是本申请的一个实施例提供的弹性驱动器的结构示意图。

图2是本申请的另一个实施例提供的弹性驱动器的结构示意图。

图3是本申请的一个实施例提供的电机制动驱动电路的结构示意图。

图4是本申请的另一个实施例提供的电机制动驱动电路的结构示意图。

图5是本申请的一个实施例提供的电平转换电路的结构示意图

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接或者间接位于该另一个部件上。当一个部件被称为“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置为基于附图所示的方位或位置，仅是为了便于描述，不能理解为对本技术方案的限制。术语“第一”、“第二”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了说明本申请所述的技术方案，以下结合具体附图及实施例进行详细说明。

图1是本申请的一个实施例提供的弹性驱动器的结构示意图，参见图1所示，弹性驱动器包括：电机10、电机制动器20、扭矩传感器30、电机制动驱动电路40以及控制电路50，具体的，电机制动器20与电机10连接，用于对电机10进行制动处理；扭矩传感器30与电机10连接，用于检测电机10的旋转扭矩，并生成扭矩传感器输出信号；控制电路50与扭矩传感器30连接，用于接收扭矩传感器输出信号，并输出第一电机制动控制信号、第二电机制动控制信号以及电机控制信号，电机控制信号用于对电机10的转动进行调节；电机制动驱动电路40分别与电机制动器20和控制电路50连接，用于接收第一电机制动控制信号和第二电机制动控制信号，并根据第一电机制动控制信号和第二电机制动控制信号生成刹车控制信号，以对电机制动器20的工作状态进行控制。

在本实施例中，通过在弹性驱动器中集成扭矩传感器30和电机制动器20，由扭矩传感器30检测电机10的旋转扭矩，并生成扭矩传感器输出信号发送至控制电路50中，控制电路50可以根据扭矩传感器输出信号生成第一电机制动控制信号、第二电机制动控制信号，从而控制电机制动驱动电路40生成对应的刹车控制信号发送至电机制动器20中，进而对电机10进行精确控制，以使机器人的动作具有柔性效果，解决了目前的大扭矩伺服舵机存在关节力控精度较低、断电无法保持的问题。

在一个实施例中，本实施例中的弹性驱动器基于ST处理器平台技术，控制电路基于ST的H750平台，采用480MHz的内核主频，极大的提高了算法程序的执行频率。

在一个实施例中，本实施例中的弹性驱动器采用双编码器全闭环位置控制，电机输出轴设有17位绝对值编码器，通过BISS通信反馈电机位置，其回零精度≤0.05度。

进一步的，在一个实施例中，电机10上还设有10对级电机采样线性霍尔传感器，同时采用细分器芯片对线性霍尔传感器的输出信号进行正余弦信号解码，例如，细分器芯片的型号为IC-TW8，是一种具有自动校准16位正弦/余弦插值细分器，通过该细分器芯片进行线性霍尔正余弦信号解码，以反馈电机位置，其回零精度≤0.1度。

在一个实施例中，控制电路50还用于对电机10的电流进行采样，并根据采样结果对电机10进行矢量控制。

在一个实施例中，控制电路50对电机的控制过程包括以下步骤：

步骤1、采集两相电流；

步骤2、经过clarke变换后得到两轴正交电流量；

步骤3、对上述两轴正交电流量进行旋转变换，经过旋转变换后得到正交的电流量Id、Iq，其中Iq与转矩有关，Id与磁通有关。

在实际控制中，常将Id置为0，得到的这两个量不是时变的，因此可以单独的对这两个量进行控制，类似直流量控制一样，而不需要知道具体要给电机三相具体的电压为多少。

步骤4、将步骤3中得到的Iq与Id量发送至PI调节器，得到对应的输出电压Vq和Vd；

步骤5、通过传感器得到电机转过的角度。

步骤6、进行逆park变换，得到二轴电流量。

步骤7、对步骤6中的Va,Vb进行逆clarke变换，得到实际需要的三相电压输入给逆变电桥，以驱动电机转动。

在一个实施例中，参见图2所示，弹性驱动器还包括电平转换电路60，电平转换电路60分别与控制电路50和扭矩传感器30连接，用于对扭矩传感输出信号进行电平转换处理，并生成扭矩检测信号发送至所述控制电路50。

在本实施例中，通过对扭矩传感器输出信号进行电平转换处理，使其电平转换为对应的电压信号发送至控制电路50中，由控制电路50对该扭矩传感器输出信号对应的电平信号进行解码处理，从而得到电机的输出扭矩、碰撞以及交互力。例如，由于扭矩传感器是采用5V供电系统，控制电路50中的STM32采用3.3V的供电系统，将扭矩传感器输出的扭矩信号通过电平转换电路60中的精密电阻分压得到扭矩检测信号发送至控制电路50中。

在一个实施例中，参见图3所示，所述电机制动驱动电路20包括：第一供电端211、第二供电端221、第一开关单元212、以及第二开关单元222；其中，第一供电端211用于接入第一供电电压；第二供电端221用于接入第二供电电压；第一开关单元212分别与第一供电端211和电机制动器20连接，用于接收第一电机制动控制信号，并根据第一电机制动控制信号对第一供电端211与电机制动器20之间的连接状态进行控制；第二开关单元222分别与第二供电端221和电机制动器20连接，用于接收第二电机制动控制信号，并根据第二电机制动控制信号对第二供电端222与电机制动器20之间的连接状态进行控制。

在本实施例中，第一供电端211和第二供电端221采用不同的供电电压，第一电机制动控制信号和第二电机制动控制信号之间存在预设的时间间隔，例如，先将第一供电端211接入电机制动器20，从而控制电机制动器20启动，此时电机制动器20中的刹车片开启需要较高的电压，在刹车片开启之后，此时将第二供电端221接入电机制动器20，采用第二供电端221中的较低的电压使得电机制动器20保持待机状态，从而降低保持制动时的能耗。

例如，在一个实施例中，刹车片开启的时候需要10V以上的电压，真正启动之后，只需要6V以下的电压就可以了(待机功耗)，因此，第一供电端211接入12V的电压，第二供电端221接入5V的电压。

在一个实施例中，参见图4所示，所述电机制动驱动电路还包括泄放单元230，泄放单元230与电机制动器20连接，用于对电机制动器230中产生的反向电流进行泄放处理。

在一个实施例中，参见图4所示，第一开关单元212包括：第一保险丝F1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D1、第一开关管Q1以及第二开关管Q2；所述第一保险丝F1的第一端与所述第一供电端211连接，所述第一保险丝F1的第二端、所述第一电容C1的第一端、所述第一电阻R1的第一端以及所述第一开关管Q1的电流输入端共接，所述第一电容C1的第二端、所述第一电阻R1的第二端、所述第一开关管Q1的控制端以及所述第二电阻R2的第一端共接，所述第一开关管Q1的电流输出端与所述第一二极管D1的阳极连接，所述第一二极管D1的阴极与所述电机制动器20连接，所述第二电阻R2的第二端与所述第二开关管Q2的电流输入端连接，所述第二开关管Q2的控制端、所述第三电阻R3的第一端、所述第四电阻R4的第一端以及所述第二电容C2的第一端共接，所述第二开关管Q2的电流输出端、所述第二电容C2的第二端以及所述第四电阻R4的第二端共接于地，所述第三电阻R3的第二端与所述控制电路20连接。

在本实施例中，第三电阻R3用于接收控制电路50输出的第一电机制动控制信号，第三电阻R3和第四电阻R4对第一电机制动控制信号进行分压处理，当第一电机制动控制信号为高电平时，第二开关管Q2导通，此时第一开关管Q1的控制端的电压被拉低，第一开关管Q1导通，第一供电端211接入电机制动器20，以对电机制动器20进行供电。

在一个实施例中，第一开关管Q1可以为P型MOS管，第二开关管Q2可以为PNP型三极管。

在一个实施例中，参见图4所示，所述第二开关单元222包括：第二保险丝F2、第三电容C3、第四电容C4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第二二极管D2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4；所述第二保险丝F2的第一端与所述第二供电端221连接，所述第二保险丝F2的第二端、所述第三电容C3的第一端、所述第五电阻R5的第一端以及所述第三开关管Q3的电流输入端共接，所述第三电容C3的第二端、所述第五电阻R5的第二端、所述第六电阻R6的第一端以及所述第三开关管Q3的控制端共接，所述第三开关管Q3的电流输出端与所述第二二极管D2的阳极连接，所述第六电阻R6的第二端与所述第四开关管Q4的电流输入端连接，所述第四开关管Q4的控制端、所述第七电阻R7的第一端、所述第八电阻R8的第一端以及所述第四电容C4的第一端共接，所述第四开关管Q4的电流输出端、所述第八电阻R8的第二端以及所述第四电容C4的第二端共接于地，所述第七电阻R7的第二端与所述控制电路20连接。

在本实施例中，第七电阻R7用于接收控制电路50输出的第二电机制动控制信号，第七电阻R7和第八电阻R8对第二电机制动控制信号进行分压处理，当第二电机制动控制信号为高电平时，第四开关管Q4导通，此时第三开关管Q3的控制端的电压被拉低，第三开关管Q3导通，第二供电端221接入电机制动器20，以对电机制动器20进行供电。

在一个实施例中，第三开关管Q3可以为P型MOS管，第四开关管Q4可以为PNP型三极管。

在一个实施例中，参见图4所示，所述泄放单元230包括：第三二极管D3、第九电阻R9以及第五电容C5；所述第三二极管D3的阴极与所述电机制动器20连接，所述第三二极管D3的阳极、所述第九电阻R9的第一端以及所述第五电容C5的第一端共接，所述第九电阻R9的第二端与所述第五电容C5的第二端共接于地。

在本实施例中，第三二极管D3、第九电阻R9以及第五电容C5设于电机制动器的输入端，当开关单元断开后，电机制动器20中的继电器线圈就会产生反向电动势，并加载在开关单元中的晶体管上，有可能使得晶体管被击穿。为此，在电路中安装一只与电源极性相反的第三二极管D3。由于继电器线圈的反向电动势方向是下正上负，正好与电源电压极性相反，所以泻放二极管对电感的反向电动势执行泻放。

在一个实施例中，参见图5所示，所述电平转换电路60包括：第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12、第十三电阻R13、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16、第五电容C5、第六电容C6、第三二极管D3以及第四二极管D4；所述第九电阻R9的第一端与所述第十一电阻R11的第一端共接于所述扭矩传感器30，所述第九电阻R9的第二端、所述第五电容C5的第一端、所述第三二极管D3的阴极以及所述第十二电阻R12的第一端共接，所述第十电阻R10的第二端、所述第五电容C5的第二端以及所述第三二极管D3的阳极共接于地，所述第十二电阻R12的第二端与所述控制电路50连接；所述第十三电阻R13的第一端、所述第十四电阻R14的第一端共接与所述扭矩传感器30，所述第十三电阻R13的第二端、所述第十四电阻R14的第二端、所述第十五电阻R15的第一端、所述第六电容C16的第一端、所述第四二极管D4的阴极以及所述第十六电阻R16的第一端共接，所述第十五电阻R15的的第二端、所述第六电容C6的第二端以及所述第四二极管D4的阳极共接于地，所述第十六电阻R16的第二端与所述控制电路50连接。

在一个实施例中，所述弹性驱动器还包括总线通讯接口线路，总线通讯接口线路与所述控制电路连接，用于提供调试测试端口。

本申请实施例还提供了一种舵机系统，包括如上述任一项所述的弹性驱动器。

本申请提供了一种弹性驱动器及舵机系统，弹性驱动器包括电机、电机制动器、扭矩传感器、控制电路以及电机制动驱动电路，通过集成扭矩传感器和电机制动器，由扭矩传感器检测电机的旋转扭矩，并生成扭矩传感器输出信号，控制电路输出第一电机制动控制信号、第二电机制动控制信号，控制电机制动驱动电路生成对应的刹车控制信号，对电机进行精确控制，以使机器人的动作具有柔性效果，解决了目前的大扭矩伺服舵机存在关节力控精度较低、断电无法保持的问题。

以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。