可检测转角的驱动轮制造技术

一种可检测转角的驱动轮，包括检测装置位于车架上或轮轴上；多个被检测体等间隔地分布在车轮一侧的圆周上。本实用新型专利技术使轴角的检测与车轮集成到一起，省去了使用一般电机必需的减速器及接码盘所需的联轴器，也省去了使用扁平电机电动轮毂安装常用码盘所需的转动传动机构，从而使移动本体的驱动机构相当紧凑。轮盘转角检测精度也能根据系统需要方便的调节。因此它具有安装方便、成本极低、结构简单、传动效率高、性能稳定、运行可靠的优点。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及移动车体的伺服驱动，特别涉及可检测转角的驱动轮。技术背景21世纪，各种服务机器人即将走进人们的日常生活。国际机器人联合会给了服务机器人一个初步的定义服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作，但不包括从事生产的设备。移动型服务机器人的应用场合可以包括商场导购、导游；餐厅服务、宾馆礼仪；医院护理、家用清洁；社区巡视、银行楼宇保安等，其他一些贴近人们生活的机器人也被列入其中。随着相关技术的发展和人们生活水平的提高，服务机器人正受到广泛关注。预计2003年服务机器人总量将增加到4.94万台，其中4万台是家用机器人(除真空吸尘机器人外)，5000台是医用机器人。家用真空吸尘机器人2000年底将进入市场，如果价格合理，2003年的销售量可能达到25万台以上。家用机器人的总销售量预计将超过30万台，它表明服务机器人市场即将进入一个崭新的阶段。从需求及现有设备的技术水平方面来看，残疾人用的机器人还没有达到人们预期的目标。机器人平台的最关键的部分是伺服驱动系统，因此，降低机器人平台成本必须在保持伺服驱动系统有合适性能的同时，降低伺服驱动系统的成本。在普通轮式移动机器人和各种电动车、电动轮椅上，为实现本体速度和位置的闭环控制，通常采用传统的伺服电机控制方式。如图1所示，电机输出轴1接减速器4，经过减速器4的速度变换再接机器人驱动轮5；同时通过联轴器3将一转动轴与光电码盘2相连用于向控制器反馈位置和速度信息。控制系统的机械结构很复杂，多个轴的减速转动降低了转动效率，体积庞大，限制了车体体积的小型化。并且光电码盘价格比较昂贵，所以伺服系统造价较高。随着各种轮毂式电机和可直接套装车轮的扁平电机的发展，此类电机具备了许多优点，如轴向尺寸小、便于安装、性能稳定、无需外部减速器、成本较低等，使其在各种移动机器人和电动车上有很大的应用前景。但要实现速度和位置的检测，通常结构的编码器则难以安装，因为车轮轮辐转动而轮轴固定，无论是空心轴编码器还是实心轴编码器都得需要一个传动机构将车轮的转动信息传到一个旋转的轴上。同时，开发一种面向上述应用场合的低成本轴角检测装置而取代价格昂贵的轴角编码器来降低系统成本成为一种迫切需求。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种可直接检测车轮轮盘速度和位置的带角度检测的驱动轮。为实现上述目的，可检测转角的驱动轮包括检测装置位于车架上或轮轴上；多个被检测体等间隔地分布在车轮一侧的圆周上。本技术使轴角的检测与车轮集成到一起，省去了使用一般电机必需的减速器及接码盘所需的联轴器，也省去了使用扁平电机电动轮毂安装常用码盘所需的转动传动机构，从而使移动本体的驱动机构相当紧凑。轮盘转角检测精度也能根据系统需要方便的调节。因此它具有安装方便、成本极低、结构简单、传动效率高、性能稳定、运行可靠的优点。附图说明图1是常规伺服电机结构图；图2是本技术采用磁电式传感器检测车轮转角的示意图；图3是本技术采用光电式传感器检测车轮轮盘转角的示意图；图4是本技术的传感器信号处理结构图；图5是本技术根据反馈量和预定量的偏差控制电机轮盘转动的控制系统原理图。具体实施方式本技术是一种在各种轮式移动本体上与扁平电机或轮毂电机配合使用，而构成移动本体驱动系统的运动执行环节和检测反馈环节的装置。在扁平电机或轮毂电机(外转子电机)上直接套装本驱动轮轮盘，构成了移动本体的驱动装置。采用光电或磁电检测原理实现车轮轮盘速度和位置的检测。其基本结构如图2、图3所示。图2为采用磁电式传感器检测车轮转角，车轮轮盘与电机27套装在一起，将多个磁片23等间隔分布于车轮21一侧的某一圆周上，检测磁片23的磁开关传感器24，如霍尔元件，固定在车架28或轮轴22上，并且置于该轮盘圆周的上方。轮盘转角检测装置的中心与驱动轮盘的轴心重合。每个磁片23通过磁开关传感器24的位置，传感器输出电平则发生一个周期的跳变。调整两个磁传感器与磁片和两个磁传感器之间的相对位置，具体来说，各个传感器距离轮盘有特定的相对高度，使电机匀速转动时能输出占空比约为50％的方波。两个磁传感器在该圆周切线方向上间隔相邻两磁片间距离的k+1/4倍(k为自然数)，使两个磁传感器输出两组相位差1/4周期的方波。因为方波中的每个脉冲与轮盘转动的一个特定角度相对应，所以此方波信号包含了轮盘转动的角度和速度信息。车轮的旋转方向可以根据两者的相位次序关系来判定，车轮旋转的角度与方波脉冲的计数值相对应，而车轮的速度可以通过由两脉冲之间的时间间隔计算出来。与一个脉冲对应的轮盘角度实际上取决于轮盘上磁片的数量，磁片的数量则可以根据伺服系统所需的检测精度和车轮轮辐的大小来选择。图3的驱动轮盘采用了光电式传感器检测车轮轮盘转角。基本结构与磁电式类似，车轮轮盘与电机37套装在一起，车轮31一侧布有等间隔辐射状栅格或黑白相间条纹35，图中36是光源和光电感应元件，它固定在车架38或轮轴32上。当光源发出的光线照射到黑色条纹，光线被吸收，光敏元感测不到光强，当光线射到白色条纹时，光线发生反射，光敏元能感测到光强。同样，光电传感器下方，每通过一个条纹，传感器输出电平跳变一次。调整两个光电传感器之间的相对位置，使两传感器输出两组相位差1/4周期的方波。当车轮旋转时，利用两个传感器输出的两路相差1/4周期的方波信号，后续电路可以进行4倍频处理、对车轮转角进行计数或对转速进行测量。这样通过对普通车轮适当的改造就构成了一种带转角检测功能的车轮。车轮转角的分辨率为π/2n(n为轮盘上磁片个数或黑条纹个数)。车轮的当前转角为θ＝k*π/2n(k为对4倍频处理后的信号进行计数的计数值，θ相对于初始k＝0时轮盘转角的角度，单位rad)；车轮的当前速度为ω＝π/(2n*T)(T为当前信号脉冲与前一脉冲的时间间隔，单位rad/s)。由于车轮轮辐和磁片都有一定的尺寸限定。所以车轮的位置精度不可能很高，但是能完全适合于通常的面向服务机器人、娱乐机器人和智能车本体的伺服系统控制精度的要求。本技术提出的可检测转角的驱动轮，在上述场合有很大的应用前景，与扁平电机和电动轮毂相配合再加上控制器就构成了一个简易的伺服驱动系统，从而实现了伺服驱动平台的结构简单化和成本低廉化。实施例这种可检测转角的驱动轮适合在各种轮式移动机器人和电动车、电动轮椅等对控制精度要求不是很高的移动平台上，与扁平电机轮毂电机构成移动平台伺服控制系统的执行与传感环节。在应用中，用后续电路对两路传感器信号进行四倍频和辨向处理，根据伺服系统的需要，进行位置计数或速度估计获得当前车轮转动的位置和速度，如图4所示。之后根据该反馈量和预定量之间的偏差完成电机控制算法，控制电机轮盘的转动。其典型的控制结构如图5所示，内环为速度环，经过速度调节可以进行速度的控制，外环为位置环，完成系统的角度定位要求。在某种服务机器人平台的开发中，这种可检测转角的驱动轮得到了试用，轮盘角度检测实现了3.75°的分辨率，精度约为±2°；速度检测范围0.05~100rpm；速度检测精度＜1％，较好的满足了普通服务机器人对于行程定位和速度控制的要求。整个传动机构和伺服系统以极低的造价实现了移动平台较高性能的控制。整个驱动系统体积小，重量轻、结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可检测转角的驱动轮，其特征在于包括：　　　　检测装置位于车架上或轮轴上；　　　　多个被检测体等间隔地分布在车轮一侧的圆周上。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：原魁，刘贤华，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]