随着机器人技术的发展,人机协作成为了可能。协作机器人的出现不仅为工业生产提供了新思路,还为教育、医疗、服务等行业带来了新动力。协作机器人已成为机器人领域的热门研究方向之一。其中,关节模块设计及伺服驱动研究被视为协作机器人设计的重要基础。轻量化设计及关节力反馈是协作机器人的两大特点。本文以7自由度协作机器人为应用目标,主要针对轻量化问题提出了一种新型的模块化关节设计方案。为实现内部走线的电气连接,关节采用中空式结构,主要零部件包括永磁同步电机、谐波减速器、光电编码器、磁性编码器、伺服驱动器、制动器等。在完成机械结构设计的基础上,本课题对基于STM32F405的驱动器进行了电路设计。其中与上位机的通信采用RS485总线形式,电机驱动采用三相桥式PWM逆变电路。相较于其他伺服驱动器,本文所设计驱动器集成度更高,电路板上包含多种传感器,如电流传感器、光电编码器、磁性编码器、惯性测量单元等。利用惯性测量单元可获取关节姿态信息,通过检测电机电流变化可实现关节力反馈。最后,建立了关节永磁同步电机的d-q轴数学模型,在硬件搭建完成的基础上,设计了基于id=0矢量控制方法的关节伺服驱动程序。在伺服性能测试中,独立关节模块响应迅速,机器人整机可实现低速平稳运行。