一种适用于微型声呐的两自由度伺服机构的制作方法

本发明涉及微型声呐伺服技术领域，尤其涉及一种适用于微型声呐的两自由度伺服机构。

背景技术：

声呐是利用声波在水下传播的特性，经由声电转换，实现水下探测、水下通信等功能的电子设备，是水下潜航器、水下机器人等最常用的导航定位技术。声呐发射某种形式的声信号，利用信号在水中传播途中障碍物或目标反射的回波进行探测。

声呐传统的安装方式是固定安装在水下潜航器或水下机器人的最前端位置，发射声波和接收回波具有局限性，严重制约着声呐的有效探测区域。水下潜航器或水下机器人的最前端位置一般是圆锥型舱段，声呐可利用的安装区域非常紧凑。

伺服机构是一种跟随指令信号进行动作，从而获得精确的位置、速度或力输出的自动控制系统，是一种高精度的位置控制系统。

常见的伺服机构一般有液压伺服机构、电动伺服机构和电夜伺服机构，液压伺服机构适用于功率等级比较大的航行器，体积大、重量大且容易出现漏油；电动伺服机构结构形式可以根据安装空间改变、使用航行器上的电池作为能源、环保且控制方便，使用范围越来约广泛。电业伺服机构由电信号处理装置和液压动力机构组成，综合了电动伺服机构和液压伺服机构两方面的特点，输出功率大、控制精度高、信号处理灵活。

现有的电动伺服机构受安装空间限制，一般采用旋转式输出的集成式设计，而旋转式的设计需要占用极大的径向空间。声呐现有的安装方式是固定安装，安装后位置固定，发射声波和接收回波具有局限性，严重制约着声呐的有效探测区域，声呐安装在最前端位置，周围可利用的径向空间放不下旋转式输出的伺服机构，而微型声呐作为以小型化设计为主要目的的微小尺寸声呐，其周围的径向空间更小，难以为现有的伺服机构提供安装和运动空间。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种适用于微型声呐的两自由度伺服机构，用以解决现有伺服机构不适用于微型声呐安装的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明技术方案提供一种适用于微型声呐的两自由度伺服机构，适用于微型声呐的两自由度伺服机构包括：固定球铰及结构相同的横传动部和纵传动部；微型声呐的底部中心通过固定球铰与微型声呐的安装载体连接，微型声呐的底部其他位置通过横传动部和纵传动部与微型声呐的安装载体连接，且横传动部和纵传动部正交设置；

横传动部包括依次铰接的伺服球铰、连杆、直线执行机构，伺服球铰与微型声呐的底部连接，直线执行机构与微型声呐的安装载体连接。

本发明技术方案中，直线执行机构包括：上基体、下基体、电机、螺母螺杆副和导轨座；

上基体和下基体固定连接，电机与上基体固定连接；电机驱动螺母螺杆副的螺杆转动，螺母螺杆副的螺母能够在导轨座中平动，且螺母螺杆副的螺母与连杆的第一端铰接。

本发明技术方案中，电机的输出轴和螺杆均与上基体垂直，电机的输出轴通过减速齿轮副驱动螺杆转动。

本发明技术方案中，减速齿轮副设置在上基体和下基体之间；

减速齿轮副包括依次啮合的电机齿轮、传动齿轮和螺杆齿轮；电机齿轮与电机的输出轴固定连接，螺杆齿轮与螺杆固定连接。

本发明技术方案中，螺杆穿过上基体，并通过螺杆轴承与上基体和下基体连接。

本发明技术方案中，直线执行机构还包括传感器，传感器与下基体固定连接，且传感器的输入端与上基体垂直；传感器的输入端通过反馈臂与螺母通过销钉连接。

本发明技术方案中，固定球铰和伺服球铰均为结构相同球铰副，且横传动部的伺服球铰到固定球铰的距离与纵传动部的伺服球铰到固定球铰的距离相等。

本发明技术方案中，球铰副包括：上支座、下支座、球杆、套筒和固定座；

上支座和下支座安装在套筒内，且球杆的球部能够在上支座和下支座之间转动；球杆的杆部穿过上支座和套筒的顶部；杆部与连杆的第二端铰接；固定座与套筒的底部固定连接。

本发明技术方案中，横传动部满足：固定球铰和伺服球铰之间的距离

连杆的长度

螺母位于两个极限位置时，伺服球铰和固定球铰连线段的夹角

固定球铰和螺杆之间的横向投影距离

连杆与伺服球铰和固定球铰连线段的嘴角传动角

其中，k为行程速比系数；螺母位于螺杆靠近底部极限位置时，连杆与螺杆的夹角为β；h为螺母的行程长度。

本发明技术方案中，横传动部和纵传动部各设置一个供电部，供电部用于为直线执行机构供电。

本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：

1.本发明可以有效解决微型声呐固定位置安装带来的有效探测区域受限及可利用安装空间紧凑的难题，改进了传统形式的固定安装方式，利用曲柄滑块机构的工作原理，通过两个电动伺服机构同时实现微型声呐俯仰和偏航两个方向的运动：伺服机构相当于滑块，安装位置可以错开微型声呐，安装空间的尺寸要求大大降低；球铰副既保证了微型声呐可以实现上下俯仰和左右偏航，又保证了微型声呐的中心位置不会偏移；直线执行机构利用螺母螺杆副和导轨座将电动机的旋转输出转换为螺母螺杆副螺母的直线输出。

2.本方案结构布局合理、具有高度集成化的特点，充分利用了微型声呐的后端安装空间，能够同时实现微型声呐俯仰和偏航两个方向的运动，大大增加了声呐的探测区域，可靠性高。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的侧视图；

图2为本发明实施例的俯视图；

图3为本发明实施例的立体图；

图4为本发明实施例的球铰副的示意图；

图5为本发明实施例的直线执行机构的侧视图；

图6为本发明实施例的直线执行机构的立体图；

图7为本发明实施例的直线执行机构的仰视图；

图8为本发明实施例的直线执行机构的传动机构图；

图9为本发明实施例的直线执行机构的螺杆连接示意图；

图10为本发明实施例简化后的偏置曲柄滑块示意图；

图11为本发明实施例简化后的偏置曲柄滑块工作原理示意图；

附图标记：

1-球铰副，2-连杆，3-直线执行机构，4-微型声呐，5-上支座，6-下支座，7-球杆，8-套筒，9-固定座，10-上基体，11-下基体，12-电机，13-传感器，14-螺母螺杆副，15-减速齿轮副，16-导轨座，17-执行机构安装孔，18-过线孔，19-固定球铰，20-销钉，21-电机齿轮，22-螺杆齿轮，23-传动齿轮，24-螺杆轴承，25-传动齿轮轴承，26-反馈臂，27-伺服球铰，28-传感螺母，29-螺母，30-螺杆。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。

如图1至图3、图10所示，本发明实施例提供了一种基于曲柄滑块机构的微型声呐两自由度伺服机构，包括：结构相同的横传动部和纵传动部；横传动部包括依次铰接的曲柄、摇杆、滑块，横传动部的曲柄、纵传动部的曲柄和微型声呐4一同固定连接，且连接处与微型声呐4的安装载体通过固定球铰19连接；横传动部的滑块和纵传动部的滑块能够相互独立地沿平行的方向远离或靠近微型声呐4；横传动部和纵传动部正交设置。横传动部的曲柄与连杆2通过伺服球铰27连接；滑块被驱动装置驱动进行平动

为了使结构更加简单，本发明实施例中，传动部的曲柄、纵传动部的曲柄和微型声呐4的底面为一体结构，且横传动部的曲柄和纵传动部的曲柄的交叉处于微型声呐4的底面中心重合。此外，横传动部包括依次铰接的伺服球铰27、连杆2、直线执行机构3，伺服球铰27与微型声呐4的底部连接，直线执行机构3与微型声呐4的安装载体连接。伺服球铰27与固定球铰19的连线对应在微型声呐4的底面的部分相当于曲柄，直线执行机构3相当于滑块和驱动滑块直线运动的驱动装置。

本发明实施例中，微型声呐4的底部中心通过固定球铰19与微型声呐4的安装载体连接，用来限定微型声呐4的位置，即使微型声呐4的通过本发明实施例的伺服机构调整了俯仰和偏航两个方向的角度，微型声呐4的中心位置并不会改变，保证微型声呐4的监测结果准确。微型声呐4的底部其他位置通过横传动部和纵传动部与微型声呐4的安装载体连接，且横传动部和纵传动部正交设置，横向上通过横传动部实现微型声呐4横向角度的转动，纵向上通过纵传动部实现微型声呐4的纵向角度转动，即实现了两自由度的机械伺服。

需要说明的是，横向和纵向为垂直的方向，并不一定一个对应俯仰方向，另一个对应偏航方向，为了方便说明本发明实施例中横向对应俯仰方向，纵向对应偏航方向。

由于横传动部和纵传动部的结构相同，只是二者能够控制微型声呐4的转动方向垂直，为了避免重复的文字，以下仅以横传动部为主进行说明。

直线执行机构3用于实现直线的往复运动，而固定球铰19和伺服球铰27的设置，使得微型声呐4、连杆2、直线执行机构3形成了曲柄滑块机构，直线执行机构3相当于滑块，而微型声呐4相当于曲柄，当直线执行机构3的活动部在其对应的直线上进行往复运动时，由于连杆2的作用，微型声呐4的角度发生变化，从而横传动部实现了微型声呐4俯仰角度的调整。相应地，纵传动部也能实现微型声呐4的偏航角度调整。此外，由于本发明实施例的伺服机构与微型声呐4连接的部分均位于微型声呐4的背面，因此除了能够保证微型声呐4的角度调整外，还不需要占用微型声呐4的周向外部空间。

本发明实施例中，横传动部还包括滑轨，滑轨与微型声呐4的安装载体固定连接，滑块在滑轨内沿直线滑动，驱动装置包括动力源和可伸缩机构；驱动装置与滑轨连接，可伸缩机构的伸缩端与滑块固定连接，且可伸缩机构的伸缩端的伸缩方向与滑轨方向相同。具体的，如图5至图9所示，直线执行机构3包括：上基体10、下基体11、电机12、螺母螺杆副14和导轨座16；上基体10和下基体11固定连接，电机12与上基体10固定连接，上基体10和下基体11主要作为直线执行机构3各个部件的安装载体，直线执行机构3也需要进行固定安装，相应地上基体10和/或下基体11与微型声呐4的安装载体固定连接；电机12驱动螺母螺杆副14的螺杆30转动，螺母螺杆副14的螺母29能够在导轨座16中平动，相当于滑块在滑轨中直线运动，且螺母螺杆副14的螺母29与连杆2的第一端铰接，相当于滑块与连杆2的铰接。当直线执行机构3的电机12运转时，电机12带动螺杆30转动，螺母29由于导轨座16的限制，不能随螺杆30一起转动，因而螺母29在导轨座16中平动，从而实现了直线执行机构3对应直线上的往复运动，并进而作为曲柄滑块机构的滑块，带动作为曲柄的微型声呐4转动。

为了方便直线执行机构3的各个部件与上基体10的安装，本发明实施例中，电机12的输出轴和螺杆30均与上基体10垂直，也有利于简化微型声呐4安装载体上与直线执行机构3固定连接的部分的结构设计。

考虑到电机12的输出转速较快，需要将其调整为螺杆30适宜的转速，本发明实施例中，电机12的输出轴通过减速齿轮副15驱动螺杆30转动。只通过一对齿轮一次啮合进行减速往往难以实现大减速比的传动，而且功率损失较大，应当采用多个齿轮的形式，本发明实施例采用3个齿轮2次啮合的形式，减速齿轮副15包括依次啮合的电机齿轮21、传动齿轮23和螺杆齿轮22；电机齿轮21与电机12的输出轴固定连接，螺杆齿轮22与螺杆30固定连接，既能保证较大的减速比，还能避免功率过多损耗，而且占用的空间较小。

此外，为了对减速齿轮副15进行保护，防止异物卡入其中，本发明实施例中，减速齿轮副15设置在上基体10和下基体11之间外部设有保护结构，保护结构、上基体10、下基体11之间的空间填充润滑剂。

由于螺杆30是长杆状的结构，还能够处于旋转的状态，所以需要保证螺杆30能够稳定地旋转，本发明实施例中，螺杆30穿过上基体10，并通过螺杆轴承24与上基体10和下基体11连接，使得螺杆30能偶稳定顺畅地旋转。

为了能够确认微型声呐4的实际转动角度是否与目标角度相同，本发明实施例中，直线执行机构3还包括传感器13，传感器13与下基体11固定连接，且传感器13的输入端与上基体10垂直；传感器13的输入端通过反馈臂26与螺母29通过销钉20连接。本发明实施例通过传感器13来测量螺母29的移动距离，并通过螺母29的移动距离来反映微型声呐4的转动角度。

考虑到螺母29在螺杆30的中部往复移动，本发明实施例中，导轨座16设有轴向的滑槽，反馈臂26穿过滑槽，并随螺母29沿滑槽移动，即通过滑槽给反馈臂26进行让位，用以避免反馈臂26的尺寸过大。

为了方便本发明实施例的生产加工和安装，本发明实施例中，固定球铰19和伺服球铰27均为结构相同球铰副1，在实际加工零部件时，只需要加工过个球铰副1即可。具体的，如图4所示，球铰副1包括：上支座5、下支座6、球杆7、套筒8和固定座9；上支座5和下支座6安装在套筒8内，且球杆7的球部能够在上支座5和下支座6之间转动；球杆7的杆部穿过上支座5和套筒8的顶部；杆部与连杆2的第二端铰接；固定座9与套筒8的底部固定连接。在安装球铰副1时，球杆7的杆部和固定座9的安装对象可以调换，而球铰副1需要连接连杆2的端部，从方便连接的角度出发，杆部与连杆2铰接，固定座9与微型声呐4的背面固定连接。

在安装本发明实施例时，可以先安装好横传动部和纵传动部，再将横传动部和纵传动部与微型声呐4安装到一起，因此，横传动部和纵传动部各设置一个供电部，供电部用于为直线执行机构3供电，并通过穿过过线孔18的导线与电机12和传感器13连接，根据电动机和传感器13的供电要求，确定执行机构组件的供电电源，本发明实施例采用5v直流电。

此外，本发明实施例中，上基体10通过执行机构安装孔17与微型声呐4的安装载体通过螺纹连接；考虑到微型声呐4的背面为圆形，伺服球铰27与微型声呐4的背面的外援螺纹连接；球铰副1的套筒8和固定座9螺纹连接；电机12和上基体10螺纹连接；电机齿轮21与电机12的输出轴粘结固定；传动齿轮23通过传动齿轮轴承25与上基体10和下基体11连接；上基体10和下基体11通过穿过二者的落定固定；传感器13与下基体11螺纹连接；传感器13的输入端与反馈臂26通过传感螺母28固定连接；导轨座16与上基体10螺纹连接；直线执行机构3的上基体10形状可以根据微型声呐4的安装载体的形状设计成椭圆形或矩形。

如图10所示，本发明实施例工作时，位于微型声呐4中心的固定球铰19、与连杆2相连的伺服球铰27、连杆2以及直线执行机构3相当于一组偏置曲柄滑块机构：执行机构的输出零件——螺母29，相当于曲柄滑块机构中的滑块；固定球铰19及伺服球铰27和微型声呐4共同构成了曲柄滑块机构中的曲柄；微型声呐4中心的固定球铰19相当于曲柄的回转中心。执行机构的电机12带动减速齿轮副15旋转，驱动螺母螺杆副14的螺母29直线运动，螺母29带动连杆2驱动微型声呐4绕固定球铰19做俯仰或偏航运动。传感器13实时反馈螺母螺杆副14的位置信息，可经计算转换为声呐的位置信息。两组曲柄滑块机构正交设置安装，同时实现微型声呐4的俯仰和偏航运动。

需要说明的是，本发明实施例中，通过各个部件之间的位置关系以及螺母29的行程可以调整微型声呐4的转动角度范围，考虑到本发明实施例为了方便生产加工和安装，横传动部和纵传动部采用相同的结构，从方便计算和控制的角度出发，本发明实施例中，横传动部的伺服球铰27到固定球铰19的距离与纵传动部的伺服球铰27到固定球铰19的距离相等。

如图11所示，本发明实施例中，横传动部满足：固定球铰19和伺服球铰27之间的距离

连杆2的长度

螺母29位于两个极限位置时，伺服球铰27和固定球铰19连线段的夹角

固定球铰19和螺杆30之间的横向投影距离

连杆2与伺服球铰27和固定球铰19连线段的嘴角传动角

其中，k为行程速比系数；螺母29位于螺杆30靠近底部极限位置时，连杆2与螺杆30的夹角为β；h为螺母29的行程长度。

直线执行机构3组件最大输出扭矩及最大转速由电动机、减速齿轮副15和螺母螺杆副14共同决定，可根据实际需求进行设计。声呐的转动角度由执行机构组件的螺母螺杆副14行程、连杆2长度及两个球铰副1之间的距离共同决定，可根据实际需求进行设计。

综上所述，本发明实施例提供了基于曲柄滑块机构的微型声呐两自由度伺服机构本发明可以有效解决微型声呐4固定位置安装带来的有效探测区域受限及可利用安装空间紧凑的难题，改进了传统形式的固定安装方式，利用曲柄滑块机构的工作原理，通过两个电动伺服机构同时实现微型声呐4俯仰和偏航两个方向的运动：伺服机构相当于滑块，安装位置可以错开微型声呐4，安装空间的尺寸要求大大降低；球铰副1既保证了微型声呐4可以实现上下俯仰和左右偏航，又可以保证微型声呐4的中心位置不会偏移；直线执行机构3利用螺母螺杆副14和导轨座16将电动机的旋转输出转换为螺母螺杆副14螺母29的直线输出；本方案结构布局合理、具有高度集成化的特点，充分利用了微型声呐4的后端安装空间，能够同时实现微型声呐4俯仰和偏航两个方向的运动，大大增加了声呐的探测区域，性能突出、可靠性高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。