一种基于仿生关节驱动机理的低噪高效电驱动舵机

本发明属于水下航行器技术领域，具体涉及一种基于仿生关节驱动机理的低噪高效电驱动舵机。

背景技术：

在海洋事业快速发展、世界各国领海防卫意识不断强化的如今，各国都在努力提高水下航行器的隐蔽性，降低噪声、压缩体积、提高声隐身性能已演变成潜艇设计中的一场革命，近年来不断推出的“安静型潜艇”、“无噪声航速”、“隐身潜艇”等新概念反映了这一领域的发展动态。舵机是水下航行器控制系统的重要组成部分，也是潜艇噪声的一个重要来源。降低舵机噪声是提高水下航行器隐身性能的一个重要途径。目前水下航行器大多采用齿轮传动系统或液压传动系统，以上两种系统结构复杂、体积占用较大，同时还存在着噪声大、油液泄露的问题，这对水下航行器的隐秘性极为不利；同时复杂的结构及加工误差可能会造成响应速度和传动精度无法达到预期效果。仿生关节驱动常应用于智能机器人领域中，具有结构简单、控制方便、运行平稳、噪声小等优点，而这些优点恰好可以在一定程度上弥补现有舵机的缺点

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的舵机方案因存在效率低、体积大、噪音大、发热等问题，均不满足我国水下航行器的精确控制要求，设计一种基于仿生关节驱动的全新方案来实现低振动、低自重、高效率、噪音小、寿命长的高性能水下航行器舵机。

本发明的基于仿生关节驱动机理的低噪高效电驱动舵机包括壳体、电机、丝杠螺母副、摇杆滑块机构和输出轴；所述丝杠螺母副包括通过轴承支承于壳体内的滚珠丝杠和与所述滚珠丝杠配合的丝杠螺母；所述摇杆滑块机构包括固定于丝杠螺母的滑块、通过花键与输出轴配合的摇臂以及铰接于滑块与摇臂之间的连杆；所述电机用于驱动所述滚珠丝杆转动。

优选的，所述电机为直流无刷减速伺服电机，其输出轴通过弹性联轴器直接与所述滚珠丝杠传动连接。

优选的，所述电机为不含减速器的直流无刷伺服电机，其输出的动力通过两级同步带减速机构减速后输出至所述滚珠丝杠。

优选的，所述摇臂为叉形结构；所述连杆为两根并分别与摇臂的两个分叉铰接；所述摇臂与连杆之间铰轴轴线的运动轨迹与滚珠丝杠的中轴线相切。

优选的，所述壳体内对应所述滑块的滑动轨迹平行布置有直线位移传感器。

优选的，所述壳体采用高强度铝合金制作，其内部一体成型有电机座、轴承座和机械限位；所述机械限位设置于所述摇臂摆动范围的两侧。

优选的，所述壳体由下基座和上端盖配合后形成；所述轴承座剖分为轴承座上体和轴承座下体，所述轴承座上体和轴承座下体分别一体成型于上端盖和下基座。

优选的，所述壳体上设有用于监测输出轴转角的角度电位计。

优选的，所述滚珠丝杠和输出轴均通过两个背对背安装的圆锥滚子轴承支承于壳体内。

本发明的有益效果：

(1)本发明的电驱动舵机，其巧妙结合滚珠丝杠副和摇杆滑块机构，提高了传动效率，简化了传动部件，减轻了舵机整体的重量；

(2)本发明的电驱动舵机，壳体可设计成t型，节省了舵机的空间占用，为压缩水下航行器的体积提供一定帮助；

(3)本发明的电驱动舵机，摇杆滑块机构中的可采用叉形摆臂，提高了空间利用率，减少了空间浪费，使结构更加紧凑。

(4)本发明的电驱动舵机，结构简单，方便拆卸安装，易于检修；

(5)本发明的电驱动舵机，轴承座、电机座、机械限位等均和壳体一体化加工，有效减少了舵机内部的振动和噪声。

(6)本发明电驱动舵机，电机与滚珠丝杠之间可采用同步齿形带减速机构实现减速增矩,同步齿形带自身的弹性可以减缓冲击，降低电机对系统振动的影响。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的实施例一的整体结构示意图；

图2为本发明的实施例二的整体结构示意图。

附图标记：11.下基座，12.电机座，13.电机，14.滚珠丝杠用成对圆锥滚子轴承，15.滚珠丝杠，16.联轴器，17安装螺钉ⅰ，18.输出轴用圆锥滚子轴承ⅰ，19.输出轴，110.角位移电位器，111.输出轴用圆锥滚子轴承ⅱ，112.摇臂，113.丝杠螺母，114.滑块，115.滚针轴承，116.润滑垫片，117.连杆，118.开口销，119.安装螺钉ⅱ，120.安装螺钉ⅲ，121.安装螺钉ⅳ，122.上端盖；

21.电机座，22.无减速器裸电机，23.一级减速小同步带轮，24.一级减速大同步带轮，25.同步带轮安装轴，26.二级减速小同步带轮，27二级减速大同步带轮，28.丝杠螺母，29.滑块，210.滚珠丝杠，211.角度电位计，212.上端盖，213.滚珠丝杠两侧成对圆锥滚子轴承，214.连杆，215.输出轴用成对圆锥滚子轴承，216.摇臂，217.输出轴，218.下基座，219.同步带轮用成对轴承座

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本实施例的一种基于仿生关节驱动机理的低噪高效电驱动舵机，包括t形壳体、电机13、丝杠螺母副、摇杆滑块机构和输出轴19。

所述t形壳体采用高强度铝合金制作，其内部一体成型有电机座12、轴承座和机械限位等，从而简化了整个舵机的零部件数量，便于装配；所述壳体由下基座11和上端盖122配合后利用安装螺钉(119、120)相互紧固后形成，方便拆卸并均匀分布t型壳体所受载荷；所述轴承座剖分为轴承座上体和轴承座下体，所述轴承座上体和轴承座下体分别一体成型于上端盖122和下基座11，将下基座11和上端盖配合122安装后，轴承座上体与轴承座下体也相应实现紧密配合。

所述电机13为通过安装螺钉121安装于电机座12内的直流无刷减速伺服电机13，其输出轴通过弹性联轴器16直接与所述滚珠丝杠15传动连接；其中，弹性联轴器16为梅花联轴器。

所述丝杠螺母副包括通过两个背对背安装的圆锥滚子轴承14支承于壳体内的滚珠丝杠15和与所述滚珠丝杠15配合的丝杠螺母113；所述摇杆滑块机构包括固定于丝杠螺母113的滑块114、通过花键与输出轴19配合的摇臂112以及通过滚针轴承115铰接于滑块114与摇臂112之间的连杆117；其中，输出轴19亦通过两个背对背安装的圆锥滚子轴承(18、111)支承于壳体内；所述摇臂112为叉形结构；所述连杆117为两根并分别与摇臂112的两个分叉铰接，两连杆117的另一端铰接于滑块114的上、下两端面；所述摇臂112与连杆117之间铰轴轴线的运动轨迹与滚珠丝杠15的中轴线相切；摇臂112与连杆117之间铰轴轴线的运动轨迹为一圆柱面，而该曲面与滚珠丝杠15的中轴线相切。所述壳体内对应所述滑块114的滑动轨迹平行布置有直线位移传感器，可以监测丝杠螺母113的直线位移，进而反馈输出轴19的旋转角度。当然，也可以在壳体上设有用于监测输出轴19转角的角度电位计110，从而直接监测输出轴19的旋转角度。输出轴19的动力输出方向可随具体安装要求进行前后更换。

本实施例的电动舵机的传动路线为：电机13──联轴器16──滚珠丝杠15──丝杠螺母113/滑块114──摇臂112──输出轴19，电机13产生的动力通过联轴器16带动滚珠丝杠15旋转运动，丝杠螺母副将滚珠丝杠15的转动转化为固定于丝杠螺母113的滑块114的直线运动，进而推动摇臂112转动，与摇臂112相连的输出轴也随之转动，摇臂112运动两侧设置机械限位，故输出轴只能在特定角度范围内做转动。

实施例二

如图2所示，本实施例的一种低振低噪高效电动舵机，包括壳体、电机22、丝杠螺母副、摇杆滑块机构和输出轴217。

所述壳体采用高强度铝合金制作，其内部一体成型有电机座21、轴承座和机械限位等，从而简化了整个舵机的零部件数量，便于装配；所述壳体由下基座218和上端盖212配合相互紧固后形成，支承滚珠丝杠210和输出轴217的轴承座剖分为轴承座上体和轴承座下体，所述轴承座上体和轴承座下体分别一体成型于上端盖212和下基座218，将下基座218和上端盖212配合安装后，轴承座上体与轴承座下体也相应实现紧密配合。

所述电机22为不含减速器的直流无刷伺服电机22，其输出的动力通过两级同步带减速机构减速后输出至所述滚珠丝杠210；所述同步带减速机构包括一级小同步带轮23、一级大同步带轮24、二级小同步带轮26、二级大同步带轮27、连接于一级小同步带轮23和一级大同步带轮24之间的一级同步齿形带，连接于二级小同步带轮26和二级大同步带轮27之间的二级同步齿形带；其中，一级小同步带轮固定安装于电机22输出轴；一级大同步带轮24和二级小同步带轮26共同固定安装于同一带轮轴25；二级大同步带轮27固定安装于滚珠丝杆上。

所述丝杠螺母副包括通过两个背对背安装的圆锥滚子轴承213支承于壳体内的滚珠丝杠210和与所述滚珠丝杠210配合的丝杠螺母28；所述摇杆滑块机构包括固定于丝杠螺母28的滑块29、通过花键与输出轴217配合的摇臂216以及铰接于滑块29与摇臂216之间的连杆214；所述摇臂216和滑块29的相对端均形成叉形结构；所述连杆214为的端部铰接在叉形结构的两个分叉之间；所述壳体内对应所述滑块29的滑动轨迹平行布置有直线位移传感器，可以监测丝杠螺母28的直线位移，进而反馈输出轴217的旋转角度。当然，也可以在壳体上设有用于监测输出轴217转角的角度电位计211，从而直接监测输出轴217的旋转角度。输出轴217的动力输出方向可随具体安装要求进行前后更换。

本实施例的电动舵机的传动路线为：电机22──两级同步带减速机构──滚珠丝杠210──丝杠螺母28/滑块29──摇臂216──输出轴217，电机22产生的动力经两级同步带减速机构减速后传递给滚珠丝杠210，滚珠丝杠副将丝杠的转动转化为螺母/滑块29的直线运动，进而推动摇臂216转动，与摇臂216相连的输出轴217也随之转动，摇臂216运动两侧设置机械限位，故输出轴217只能在特定角度范围内做转动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。