專利名稱：可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動車體的伺服驅(qū)動，特別涉及可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪。
隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和人們生活水平的提高，服務(wù)機器人正受到廣泛關(guān)注。預(yù)計2003年服務(wù)機器人總量將增加到4.94萬臺，其中4萬臺是家用機器人(除真空吸塵機器人外)，5000臺是醫(yī)用機器人。家用真空吸塵機器人2000年底將進入市場，如果價格合理，2003年的銷售量可能達到25萬臺以上。家用機器人的總銷售量預(yù)計將超過30萬臺，它表明服務(wù)機器人市場即將進入一個嶄新的階段。從需求及現(xiàn)有設(shè)備的技術(shù)水平方面來看，殘疾人用的機器人還沒有達到人們預(yù)期的目標(biāo)。
機器人平臺的最關(guān)鍵的部分是伺服驅(qū)動系統(tǒng)，因此，降低機器人平臺成本必須在保持伺服驅(qū)動系統(tǒng)有合適性能的同時，降低伺服驅(qū)動系統(tǒng)的成本。在普通輪式移動機器人和各種電動車、電動輪椅上，為實現(xiàn)本體速度和位置的閉環(huán)控制，通常采用傳統(tǒng)的伺服電機控制方式。如

圖1所示，電機輸出軸1接減速器4，經(jīng)過減速器4的速度變換再接機器人驅(qū)動輪5；同時通過聯(lián)軸器3將一轉(zhuǎn)動軸與光電碼盤2相連用于向控制器反饋位置和速度信息。控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，多個軸的減速轉(zhuǎn)動降低了轉(zhuǎn)動效率，體積龐大，限制了車體體積的小型化。并且光電碼盤價格比較昂貴，所以伺服系統(tǒng)造價較高。
隨著各種輪轂式電機和可直接套裝車輪的扁平電機的發(fā)展，此類電機具備了許多優(yōu)點，如軸向尺寸小、便于安裝、性能穩(wěn)定、無需外部減速器、成本較低等，使其在各種移動機器人和電動車上有很大的應(yīng)用前景。但要實現(xiàn)速度和位置的檢測，通常結(jié)構(gòu)的編碼器則難以安裝，因為車輪輪輻轉(zhuǎn)動而輪軸固定，無論是空心軸編碼器還是實心軸編碼器都得需要一個傳動機構(gòu)將車輪的轉(zhuǎn)動信息傳到一個旋轉(zhuǎn)的軸上。同時，開發(fā)一種面向上述應(yīng)用場合的低成本軸角檢測裝置而取代價格昂貴的軸角編碼器來降低系統(tǒng)成本成為一種迫切需求。
為實現(xiàn)上述目的，可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪包括檢測裝置位于車架上或輪軸上；多個被檢測體等間隔地分布在車輪一側(cè)的圓周上。
本發(fā)明使軸角的檢測與車輪集成到一起，省去了使用一般電機必需的減速器及接碼盤所需的聯(lián)軸器，也省去了使用扁平電機電動輪轂安裝常用碼盤所需的轉(zhuǎn)動傳動機構(gòu)，從而使移動本體的驅(qū)動機構(gòu)相當(dāng)緊湊。輪盤轉(zhuǎn)角檢測精度也能根據(jù)系統(tǒng)需要方便的調(diào)節(jié)。因此它具有安裝方便、成本極低、結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、性能穩(wěn)定、運行可靠的優(yōu)點。
圖3的驅(qū)動輪盤采用了光電式傳感器檢測車輪輪盤轉(zhuǎn)角?；窘Y(jié)構(gòu)與磁電式類似，車輪輪盤與電機7套裝在一起，車輪1一側(cè)布有等間隔輻射狀柵格或黑白相間條紋5，圖中6是光源和光電感應(yīng)元件，它固定在車架8或輪軸2上。當(dāng)光源發(fā)出的光線照射到黑色條紋，光線被吸收，光敏元感測不到光強，當(dāng)光線射到白色條紋時，光線發(fā)生反射，光敏元能感測到光強。同樣，光電傳感器下方，每通過一個條紋，傳感器輸出電平跳變一次。調(diào)整兩個光電傳感器之間的相對位置，使兩傳感器輸出兩組相位差1/4周期的方波。當(dāng)車輪旋轉(zhuǎn)時，利用兩個傳感器輸出的兩路相差1/4周期的方波信號，后續(xù)電路可以進行4倍頻處理、對車輪轉(zhuǎn)角進行計數(shù)或?qū)D(zhuǎn)速進行測量。
這樣通過對普通車輪適當(dāng)?shù)母脑炀蜆?gòu)成了一種帶轉(zhuǎn)角檢測功能的車輪。車輪轉(zhuǎn)角的分辨率為π/2n(n為輪盤上磁片個數(shù)或黑條紋個數(shù))。車輪的當(dāng)前轉(zhuǎn)角為θ＝k*π/2n(k為對4倍頻處理后的信號進行計數(shù)的計數(shù)值，θ相對于初始k＝0時輪盤轉(zhuǎn)角的角度，單位rad)；車輪的當(dāng)前速度為ω＝π/(2n*T)(T為當(dāng)前信號脈沖與前一脈沖的時間間隔，單位rad/s)。
由于車輪輪輻和磁片都有一定的尺寸限定。所以車輪的位置精度不可能很高，但是能完全適合于通常的面向服務(wù)機器人、娛樂機器人和智能車本體的伺服系統(tǒng)控制精度的要求。本發(fā)明提出的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，在上述場合有很大的應(yīng)用前景，與扁平電機和電動輪轂相配合再加上控制器就構(gòu)成了一個簡易的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了伺服驅(qū)動平臺的結(jié)構(gòu)簡單化和成本低廉化。
在某種服務(wù)機器人平臺的開發(fā)中，這種可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪得到了試用，輪盤角度檢測實現(xiàn)了3.75°的分辨率，精度約為±2°；速度檢測范圍0.05~100rpm；速度檢測精度＜1％，較好的滿足了普通服務(wù)機器人對于行程定位和速度控制的要求。整個傳動機構(gòu)和伺服系統(tǒng)以極低的造價實現(xiàn)了移動平臺較高性能的控制。整個驅(qū)動系統(tǒng)體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，成本大大降低，從而提高了整個機器人產(chǎn)品的性能價格比，使其具有極強的市場競爭力。
權(quán)利要求
1.一種可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于包括檢測裝置位于車架上或輪軸上；多個被檢測體等間隔地分布在車輪一側(cè)的圓周上。
2.按權(quán)利要求1所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于所述的檢測裝置是光電開關(guān)傳感器。
3.按權(quán)利要求1所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于所述的檢測裝置是磁開關(guān)傳感器。
4.按權(quán)利要求1所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于所述的被檢測體是磁片。
5.按權(quán)利要求1所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于所述的被檢測體是輻射狀柵格或黑白相間條紋。
6.按權(quán)利要求1所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于輪盤轉(zhuǎn)角檢測裝置的中心與驅(qū)動輪盤的軸心重合。
7.按權(quán)利要求1所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于所述的檢測裝置為兩個。
8.按權(quán)利要求3所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于兩個磁傳感器在輪盤某切線方向上間隔相鄰兩磁片間距離的k+1/4倍。
9.按權(quán)利要求2所述的可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，其特征在于兩個光電傳感器在輪盤某切線方向上間隔相鄰兩條紋間距離的k+1/4倍。
全文摘要
一種可檢測轉(zhuǎn)角的驅(qū)動輪，包括檢測裝置位于車架上或輪軸上；多個被檢測體等間隔地分布在車輪一側(cè)的圓周上。本發(fā)明使軸角的檢測與車輪集成到一起，省去了使用一般電機必需的減速器及接碼盤所需的聯(lián)軸器，也省去了使用扁平電機電動輪轂安裝常用碼盤所需的轉(zhuǎn)動傳動機構(gòu)，從而使移動本體的驅(qū)動機構(gòu)相當(dāng)緊湊。輪盤轉(zhuǎn)角檢測精度也能根據(jù)系統(tǒng)需要方便的調(diào)節(jié)。因此它具有安裝方便、成本極低、結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高、性能穩(wěn)定、運行可靠的優(yōu)點。
文檔編號G01D21/02GK1450339SQ02105979
公開日2003年10月22日 申請日期2002年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月11日
發(fā)明者原魁, 劉賢華 申請人:中國科學(xué)院自動化研究所