本发明涉及一种操舵装置，具体地说是一种水下电动舵机及舵角检测方法，包括输出轴、机座、蜗轮、蜗杆、动力系统和舵机控制器，动力系统通过蜗杆和蜗轮传动驱动输出轴旋转，输出轴由机座设有轴端端盖的一端伸出，且输出轴在该端设有限位摆动片，轴端端盖上设有摆动槽，限位摆动片即在摆动槽内摆动，舵机控制器与动力系统中的电机相连，电机上设有增量式编码器，限位摆动片和舵机控制器用于确定舵角零点位置，增量式编码器用于检测电机输出轴的角度变化值以确定当前舵角的绝对位置；动力系统设置于一个壳体中，所述壳体和机座相通且内部为充油的密封空间，油管与壳体相连。本发明整体结构紧凑，能够满足全海深低速较大转矩力矩输出的工作需求。
1.一种水下电动舵机，其特征在于：包括输出轴(1)、机座(3)、蜗轮(6)、蜗杆(14)、动力系统(12)和舵机控制器，所述输出轴(1)、蜗轮(6)和蜗杆(14)均设置于所述机座(3)中，所述动力系统(12)依次通过所述蜗杆(14)和蜗轮(6)传递转矩，所述蜗轮(6)与所述输出轴(1)固连；所述机座(3)的一端设有轴端端盖(2)，所述输出轴(1)由机座(3)设有轴端端盖(2)的一端伸出，且所述输出轴(1)伸出至机座(3)外的一端设有用于确定舵角零点位置的限位摆动片(11)，所述轴端端盖(2)上设有摆动槽(28)，所述限位摆动片(11)通过所述输出轴(1)带动在所述摆动槽(28)内摆动，所述动力系统(12)中设有电机(23)，所述舵机控制器与所述电机(23)相连，所述电机(23)上设有增量式编码器(22)；
所述动力系统(12)设置于一个安装在机座(3)外侧的壳体(5)中，所述壳体(5)和机座(3)相通且所述壳体(5)和机座(3)内部均为密封空间，所述壳体(5)远离所述机座(3)的一端与充油用的油管(18)相连；
所述壳体(5)上设有壳体端盖(17)，油管(18)通过油嘴接头(19)和压紧螺母(20)安装在所述壳体端盖(17)上。
2.根据权利要求1所述的水下电动舵机，其特征在于：所述动力系统(12)中除所述电机(23)外还包括一个减速机(24)，所述电机(23)与减速机(24)相连，所述减速机(24)与所述壳体(5)固连，所述减速机(24)的输出轴与所述蜗杆(14)相连，所述增量式编码器(22)设置于所述电机(23)远离所述减速机(24)的一端。
3.根据权利要求2所述的水下电动舵机，其特征在于：所述电机(23)为直流无刷电机，所述减速机(24)为行星齿轮减速机。
4.根据权利要求1所述的水下电动舵机，其特征在于：所述限位摆动片(11)上对称设有两个限位凸块(29)，所述摆动槽(28)内设有多个限位面(32)，所述限位摆动片(11)通过限位凸块(29)与摆动槽(28)内的限位面(32)相抵实现摆动限位。
5.根据权利要求1所述的水下电动舵机，其特征在于：所述输出轴(1)通过第一轴承(4)和第二轴承(15)支承安装在机座(3)中，所述第一轴承(4)设置于机座(3)的座体(25)中，所述机座(3)远离所述轴端端盖(2)的一端设有侧端盖(7)，所述第二轴承(15)设置于所述侧端盖(7)内。
6.根据权利要求5所述的水下电动舵机，其特征在于：所述第一轴承(4)通过一个孔用卡簧(9)、一个轴用卡簧(10)和所述轴端端盖(2)轴向定位，所述第一轴承(4)为一对角接触球轴承。
7.根据权利要求1所述的水下电动舵机，其特征在于：所述蜗轮(6)和蜗杆(14)的模数为1，导程角小于4°。
8.一种根据权利要求1所述的水下电动舵机的舵角检测方法，其特征在于：所述限位摆动片(11)在确定舵角零点位置时先通过舵机控制器控制转动至一侧的摆动极限位置并通过所述舵机控制器记录该位置信息，然后所述限位摆动片(11)通过所述舵机控制器控制反方向转动到另一侧的极限位置并通过所述舵机控制器记录该位置信息，两个极限位置之间的中点即通过所述舵机控制器设为舵角零点位置，所述输出轴(1)转动到其他位置时的舵角绝对位置通过所述增量式编码器(22)检测电机(23)的输出轴角度变化值确定，舵角位置信息在系统断电时存储于所述舵机控制器中，且所述舵机控制器在再次通电时通过读取上次存储的位置信息确定当前舵角位置。
一种水下电动舵机及舵角检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种操舵装置，具体地说是一种水下电动舵机及舵角检测方法。
背景技术
[0002] 现有技术中，自主水下机器人通常在艉部安装螺旋桨实现推进，并在螺旋桨前或螺旋桨后布置舵机来实现三维坐标下多个自由度的连续运动控制，如定向、定深、定高、上浮、下潜、转艏等。浅水工作的自主水下机器人推进器的舵机工作方式和鱼雷等航行体相似，利用航行体外侧的壳体给推进装置和舵机提供水密的舱室，隔绝外部海水和压力的影响，然而随着下潜深度的增加，对自主水下机器人体承压能力的要求也急剧上升，将推进装置、舵机等密封在壳体内，最终将导致壳体无法提供足够的剩余正浮力，使自主水下机器人不能满足航行要求，因此深海自主水下机器人通常采用开放式透水结构，将设备、传感器等直接水密后安装于自主水下机器人框架上，通过浮力材提供额外的正浮力。传统的舵机设计体积较大，且舵角检测多采用在输出轴端安装光电编码器等绝对式传感器，深海应用时，舵机体积过大需要设计较大直径的筒体进行封装，而较大直径的筒体需要较大壳体厚度来承受深海水压，另一方面，在输出轴端安装光电传感器需要增加额外的密封舱体，进一步增大体积，造成结构复杂。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种水下电动舵机及舵角检测方法，整体结构紧凑，采用独立密封充油结构，能够满足全海深低速较大转矩力矩输出的工作需求，并且通过增量式编码器获得角度位置反馈，测量简单。
[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0005] 一种水下电动舵机，包括输出轴、机座、蜗轮、蜗杆、动力系统和舵机控制器，所述输出轴、蜗轮和蜗杆均设置于所述机座中，所述动力系统依次通过所述蜗杆和蜗轮传递转矩，所述蜗轮与所述输出轴固连；所述机座的一端设有轴端端盖，所述输出轴由机座设有轴端端盖的一端伸出，且所述输出轴伸出至机座外的一端设有用于确定舵角零点位置的限位摆动片，所述轴端端盖上设有摆动槽，所述限位摆动片通过所述输出轴带动在所述摆动槽内摆动，所述动力系统中设有电机，所述舵机控制器与所述电机相连，所述电机上设有增量式编码器。
[0006] 所述动力系统设置于一个安装在机座外侧的壳体中，所述壳体和机座相通且所述壳体和机座内部均为密封空间，所述壳体远离所述机座的一端与充油用的油管相连。
[0007] 所述壳体上设有壳体端盖，油管通过油嘴接头和压紧螺母安装在所述壳体端盖上。
[0008] 所述动力系统中除所述电机外还包括一个减速机，所述电机与减速机相连，所述减速机与所述壳体固连，所述减速机的输出轴与所述蜗杆相连，所述增量式编码器设置于所述电机远离所述减速机的一端。
[0009] 所述电机为直流无刷电机，所述减速机为行星齿轮减速机。
[0010] 所述限位摆动片上对称设有两个限位凸块，所述摆动槽内设有多个限位面，所述限位摆动片通过限位凸块与摆动槽内的限位面相抵实现摆动限位。
[0011] 所述输出轴通过第一轴承和第二轴承支承安装在机座中，所述第一轴承设置于机座的座体中，所述机座远离所述轴端端盖的一端设有侧端盖，所述第二轴承设置于所述侧端盖内。
[0012] 所述第一轴承通过一个孔用卡簧、一个轴用卡簧和所述轴端端盖轴向定位，所述第一轴承为一对角接触球轴承。
[0013] 所述蜗轮和蜗杆的模数为1，导程角小于4°。
[0014] 一种水下电动舵机的舵角检测方法，其特征在于：所述限位摆动片在确定舵角零点位置时先通过舵机控制器控制转动至一侧的摆动极限位置并通过所述舵机控制器记录该位置信息，然后所述限位摆动片通过所述舵机控制器控制反方向转动到另一侧的极限位置并通过所述舵机控制器记录该位置信息，两个极限位置之间的中点即通过所述舵机控制器设为舵角零点位置，所述输出轴转动到其他位置时的舵角绝对位置通过所述增量式编码器检测电机的输出轴角度变化值确定，舵角位置信息在系统断电时存储于所述舵机控制器中，且所述舵机控制器在再次通电时通过读取上次存储的位置信息确定当前舵角位置。
[0015] 本发明的优点与积极效果为：
[0016] 1.结构简单、体积小。本发明采用直流电机经行星齿轮减速机减速后驱动蜗轮蜗杆，将高速小扭矩输出转化为低速较大扭矩输出，满足自主水下机器人舵驱动的转速、力矩需求，转动结构简单；结构紧凑，适合自主水下机器人艉部狭小的空间安装需求。
[0017] 2.整体充油水密，具有全海深工作能力。本发明中电机、蜗轮蜗杆等元件全部密封在舵机壳体内，并在壳体内部充油，依赖油管的压缩补偿海水压力的影响，保证舵机在较小的壳体尺寸下具有全海深的承压和密封能力。
[0018] 4.承载能力好。考虑到自主水下机器人舵机设计时会采用悬臂梁支撑结构，本发明中在舵机输出轴端采用一对角接触球轴承支撑，对悬臂结构设计的舵具有更好的抗弯矩支撑承载能力。
[0019] 5.舵角检测方法简单、可靠。本发明中采用与电机集成一体的增量式编码器检测角度的变化，结合机座上的限位点对舵角零点进行标定，进而获得每一个时刻舵轴的绝对角度位置信息。
[0020] 6.应用范围广。本发明中的舵机不仅可用于自主水下机器人舵的驱动，还可以用于驱动水下其它旋转机构。
附图说明
[0021] 图1为本发明的结构示意图一，
[0022] 图2为本发明的结构示意图二，
[0023] 图3为图1中本发明的电机结构示意图，
[0024] 图4为图1中本发明的电机壳体结构示意图，
[0025] 图5为图1中本发明的工作状态示意图。
[0026] 其中，1为输出轴、2为轴端端盖、3为机座、4为第一轴承、5为壳体、6为蜗轮、7为侧端盖、8为第一密封圈、9为孔用卡簧、10为轴用卡簧、11为限位摆动片、12为动力系统、13为螺钉、14为蜗杆、15为第二轴承、16为紧定螺钉、17为壳体端盖、18为油管、19为油嘴接头、20为压紧螺母、21为顶丝，22为增量式编码器，23为电机，24为减速机，25为座体，26为O型圈，27为第二密封圈，28为摆动槽，29为限位凸块，30为第二限位位置，31为第一限位位置，32为限位面，33为开口，34为缺口，35为法兰，36为O型圈，37为O型圈。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步详述。
[0028] 如图1～2所示，本发明包括输出轴1、机座3、蜗轮6、蜗杆14、动力系统12和舵机控制器，其中所述机座3的座体25两端分别设有侧端盖7和轴端端盖2，所述输出轴1、蜗轮6和蜗杆14均设置于所述机座3中,如图1所示，所述输出轴1通过第一轴承4和第二轴承15支承安装在机座3中，且所述输出轴1由机座3设有轴端端盖2一端伸出，所述第一轴承4设置于机座3的座体25中并通过一个孔用卡簧9、一个轴用卡簧10和所述轴端端盖2轴向定位于所述输出轴1中部，所述第二轴承15设置于所述侧端盖7内，所述第一轴承4为一对角接触球轴承，这样可使输出轴1具有更好的抗弯矩支撑承载能力。在所述侧端盖7与机座3的座体25之间设有第一密封圈8，所述轴端端盖2内侧设有O型圈26实现与输出轴1之间的动密封，所述轴端端盖2与机座3的座体25之间设有第二密封圈27。
[0029] 如图1所示，所述蜗轮6设置于所述第一轴承4和侧端盖7之间，且所述蜗轮6安装在所述输出轴1上，所述蜗轮6与输出轴1之间为键连接，如图2所示，所述蜗杆14通过轴承支承设于所述机座3中，所述蜗杆14与蜗轮6相啮合以传递力矩，本实施例中，所述蜗轮6和蜗杆14的模数为1，导程角小于4°，具有自锁能力。
[0030] 动力系统12安装在机座3外部，如图2～3所示，所述动力系统12设置于一个壳体5中，所述壳体5通过螺钉安装在机座3外侧，所述动力系统12包括相连的电机23和减速机24，所述减速机24通过螺钉13与所述壳体5相连，所述减速机24的输出轴通过顶丝21与所述蜗杆14相连，减速机24将电机23输出的高转速低扭矩转为低转速高扭矩，并依次通过蜗杆14和蜗轮6的传动驱动输出轴1转动。本实施例中，所述电机23为直流无刷电机，所述减速机24为行星齿轮减速机。
[0031] 如图4所示，所述壳体5前端设有一个法兰35，所述法兰35通过螺钉安装在机座3上，壳体5前端的开口33为花瓣状，动力系统12中的减速机24输出端上设有一个限位凸台，所述限位凸台嵌入所述开口33中以保证同轴，在壳体5前端的开口33上设有一个缺口34，用于容置连接减速机24和蜗杆14的顶丝21，所述壳体5前端与机座3之间设有O型圈36实现连接时的密封。如图2所示，所述壳体5的后端设有一个壳体端盖17，所述壳体端盖17通过紧定螺钉16与所述壳体5相连并通过O型圈37实现连接时的密封，油管18通过油嘴接头19和压紧螺母20安装在所述壳体端盖17上，所述壳体5与机座3内部相通，油介质通过所述油管18注入壳体5和机座3中，以实现充油补偿外部海水压力影响。
[0032] 舵机控制器与所述电机23通过电线管路相连，如图3所示，在所述电机23远离减速机24的一端设有一个增量式编码器22，如图1和图5所示，在所述轴端端盖2远离座体25的一侧设有一个摆动槽28，在所述输出轴1伸出至机座3外的一端上设有一个限位摆动片11，所述限位摆动片11通过输出轴1带动在所述摆动槽28内摆动，所述限位摆动片11上对称设有两个限位凸块29，所述摆动槽28内设有多个限位面32，所述限位摆动片11通过限位凸块29与摆动槽28内的限位面32相抵实现摆动限位。所述舵机控制器通过限位摆动片11摆动确定舵角零点位置，所述增量式编码器22用于检测电机23的输出轴的角度变化值以获取当前舵角的绝对位置。本实施例中，所述增量式编码器22为maxon公司生产的MR编码器。
[0033] 本发明的工作原理为：
[0034] 本发明的动力系统12依次通过蜗杆14和蜗轮6的传动驱动输出轴1转动，整体结构紧凑，并且采用独立密封充油结构，能够满足全海深低速较大转矩力矩输出的工作需求。
[0035] 本发明中的舵角检测方法是利用限位摆动片11确定角度零点，并通过集成在电机23尾部的增量式编码器22检测电机23输出轴的角度变化值，从而获得每一时刻的舵角绝对位置。具体包括以下步骤：
[0036] 首次使用时需进行零位检测，先通过舵机控制器控制输出轴1顺时针旋转，如图5所示，当输出轴1上的限位摆动片11转动到第一限位位置31时，输出轴1无法继续转动，电机23的电流迅速升高，舵机控制器检测到电流升高，舵机控制器存储当前位置信息并驱动输出轴1逆时针旋转，当限位摆动片11逆时针转动到第二限位位置30时，输出轴1无法继续转动，电机23的电流迅速升高，舵机控制器检测到电流升高，存储当前位置信息。所述第一限位位置31和第二限位外置30之间的角度α即为限位摆动片11的摆动范围，将第一限位位置
31和第二限位外置30的中点设为舵角零点位置，于是输出轴1的角度变化范围即为-α/2～+α/2。
[0037] 当输出轴1转动到其他位置时，电机23尾部集成的增量式编码器22检测电机23的输出轴角度变化值，零点位置在舵机上的绝对位置已知，因此可以获得当前舵角的绝对位置。
[0038] 所述舵机控制器具有舵角位置存储功能，且断电后存储位置信息不丢失，并且所述蜗轮6和蜗杆14的传动具有自锁功能，断电时舵机不会在外载荷下转动，当再次上电后，读取上次存储的位置信息即可知道当前舵轴角度，避免每次上电后均需要进行舵角零点检测，在舵机上电运行期间，还可以利用零位检测，对存储的位置信息进行校准，所述舵机控制器为本领域公知技术。
