CN112455658A - 舵机及无人机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机领域，公开了一种舵机，该舵机包括：电机组件，用于提供动力并实时反馈舵机中电机转子的相对转动角度信息；舵机输出轴(200)，与电机组件的输出端传动连接；和输出端角度测量组件(300)，用于检测舵机输出轴(200)的输出角度并与电机组件信号连接，电机组件与输出端角度测量组件配合使用，电机组件测量自身转轴的角度信息，输出端角度测量组件实时获取减速箱的输出端角度信息，通过计算可获得减速箱输入端与输出端之间的角度回差，依据角度回差进行角度补偿，从而消除虚位影响，保证舵机的稳定运行；基于舵机的整体结构布局的紧凑性，控制体积的同时保证优良的散热性能，是舵机的高效稳定运行的重要保障。

Description

舵机及无人机

技术领域

本发明属于无人机领域，具体地，涉及一种舵机及无人机。

背景技术

舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。常规舵机采用电位器用于输出轴角度检测，受电位器使用方式限制需要将电位器设置在输出轴端部；这种方式使得大部分舵机只能采用平行轴减速箱，而平行减速箱的舵机需要比较大的减速比，极易产生输出轴虚位偏大的问题，影响舵机的使用。

通过提高减速齿轮等级虽可以起到控制虚位的作用，但材料以及生产制造价格高，不利于产品化，因此如何在控制产品成本的基础上，消除虚位影响是无人机高效稳定的重要保障。

发明内容

针对现有技术中的上述不足或缺陷，本发明提供一种舵机及无人机，结构紧凑，自测角度回差，并消除虚位影响。

为实现上述目的，本发明提供一种舵机，所述舵机包括：

电机组件，用于提供动力并实时反馈所述舵机中电机转子的相对转动角度信息；

舵机输出轴，与所述电机组件的输出端传动连接；和

输出端角度测量组件，用于检测所述舵机输出轴的输出角度并与所述电机组件信号连接。

在一些实施例中，所述电机组件包括能够实时反馈电机转子的相对转动角度信息的有感无刷电机。

在一些实施例中，所述舵机还包括：

舵机外壳，内置所述有感无刷电机，所述输出端角度测量组件设置在所述舵机输出轴上且位于所述舵机外壳内。

在一些实施例中，所述输出端角度自测组件包括：

磁环，同步旋转地安装在所述舵机输出轴上；和

磁感应元件，用于感应所述磁环的磁场强度并固定设置于所述舵机壳体内。

在一些实施例中，所述磁感应元件和所述磁环关于所述舵机输出轴的轴向位置相同且径向间隔。

在一些实施例中，所述舵机还包括安装于所述舵机外壳内并沿轴向依次传动连接的所述有感无刷电机、减速箱和所述舵机输出轴，所述舵机输出轴伸出所述舵机外壳外。

在一些实施例中，所述舵机外壳包括：

测量组件罩，用于安装所述输出端角度测量组件；和

电机罩，呈筒状与所述测量组件罩相连。

其中，所述测量组件罩内安装有用于控制所述有感无刷电机的控制板，所述磁感应元件安装于所述控制板上。

在一些实施例中，所述减速箱为行星减速箱。

在一些实施例中，所述舵机输出轴上安装有摆臂，所述摆臂的舵机连接端形成为用于紧固连接所述舵机输出轴的插装紧固结构；

其中，所述摆臂包括与所述输出轴连接端相连的摆臂连接端，所述摆臂连接端设有与所述舵机输出轴适配的插装孔，所述插装孔的孔内周面形成有与所述舵机输出轴的受力平面相贴合的插装孔受力平面。

在一些实施例中，所述摆臂连接端包括通过分切平面切分出的第一摆臂连接分部和第二摆臂连接分部，所述分切平面切分所述插装孔的横截面并与所述插装孔受力平面相交，所述插装紧固结构包括紧固连接所述第一摆臂连接分部和所述第二摆臂连接分部的紧固连接件。

另外，本发明还提供了一种无人机，所述无人机包括上述舵机。

通过上述技术方案，在本发明的舵机及无人机中，电机组件与输出端角度测量组件配合使用，通过电机组件测量自身转轴的角度信息，通过输出端角度测量组件实时获取减速箱的输出端角度信息，通过计算可获得减速箱输入端与输出端之间的角度回差，依据角度回差进行角度补偿，从而消除虚位影响，保证舵机的稳定运行；同时，基于舵机的整体结构布局的紧凑性，控制体积的同时保证优良的散热性能，为舵机的高效稳定运行提供先决条件。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的一种可选实施方式的舵机的前视图；

图2为图1中沿A-A截面剖切后的剖视图；

图3为图1在不同视角下的立体图；

图4为图1的局部结构图，具体展示了测量组件罩和舵机输出轴；

图5本发明的另一种可选实施方式的舵机的局部结构图，具体展示了舵机输出轴和摆臂；

图6为图5的爆炸结构图；以及

图7为本发明的另一种可选实施方式的舵机的剖视图，具体展示了输入端角度测量组件。

附图标记说明：

100 有感无刷电机 200 舵机输出轴

300 输出端角度自测组件 400 舵机外壳

500 输入端角度测量组件

510 磁性件 520 霍尔PCB板

410 测量组件罩 420 电机罩

1 减速箱 2 控制板

3 摆臂 4 插装孔

5 插装孔受力平面 6 分切平面

7 第一摆臂连接分部 8 第二摆臂连接分部

9 紧固连接件 10 舵机连接线

11 电机转轴

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

在控制产品体积的基础上，为避免舵机因虚位大而影响其稳定运行，根据本发明提供的一种优选实施方式的舵机，典型地，参照图1至图4和图7，该舵机包括：电机组件、舵机输出轴200和输出端角度测量组件300；

其中，电机组件，用于提供动力并实时反馈舵机中电机转子的相对转动角度信息；

舵机输出轴200，与电机组件的输出端传动连接；和

输出端角度测量组件300，用于检测舵机输出轴200的输出角度并与电机组件信号连接。

本发明旨在提供一种舵机，以解决因舵机虚位值偏大而带来的问题，并避免因结构设计而产生的体积增大和高成本问题，常规舵机采用电位器用于输出轴角度检测，受电位器使用方式限制需要将电位器设置在输出轴端部；这种方式使得大部分舵机只能采用平行轴减速箱，而平行减速箱的舵机需要比较大的减速比，极易产生输出轴虚位偏大的问题，影响舵机的稳定运行。且发明人发现通过提高减速齿轮精度等级虽可以起到控制虚位的作用，但材料以及生产制造价格高，不利于产品化。因此，为了能够解决虚位问题，发明人进行了不断的思考和创新并设计出本发明的舵机结构，以便以在控制产品体积及成本的基础上，测量并消除虚位影响。

针对舵机进行结构设计，其中电机组件可以为能够实时反馈电机转子的相对转动角度信息的有感无刷电机100，也可以为包括用于提供动力的电机和用于检测电机的电机转轴11的输入角度的输入端角度测量组件500。

具体地，在一种实施例中，如图1和图2所示，舵机可以包括有感无刷电机100、减速箱1、舵机输出轴200、输出端角度测量组件300和舵机外壳400，其中，有感无刷电机100作为舵机的动力源，并可以测量自身转轴的角度信息，减速箱1与转轴相连，并将有感无刷电机100的速度成大倍数缩小，从而将有感无刷电机100的输出扭矩放大相应倍数并传输至舵机输出轴200。通过有感无刷电机100测得减速箱1的输入端的角度信息，通过输出端角度测量组件300获得减速箱1的输出端的角度信息，通过获得减速箱1的输入端与输出端的角度信息，即可计算得出虚位值，即角度回差信息，该角度回差值对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，此处不做赘述，基于该角度回差信息可对舵机进行角度补偿，从而消除虚位影响，保证舵机的稳定运行。同时可用于判断结构老化或失效。

在另一种实施例中，电机其种类可以多种多样，可以为无刷电机、内转子有刷电机、内转子无刷电机或空心杯电机等，使得舵机的适用性广泛，且便于控制成本。其中，电机的电机转轴11的输入角度采用输入端角度测量组件500测量。具体地，如图7所示，输入端角度测量组件500可以包括：磁性件510和霍尔PCB板520，磁性件510可以安装在电机转轴11上并与所述电机转轴11同步旋转；霍尔PCB板520可以固定安装在舵机壳体400的内壁并包括用于感应磁性件510的磁场强度的磁感应元件。输入端角度测量组件500可以为磁环及磁感应元件的边侧式配合结构，但本领域技术人员能够理解的是，边侧式配合结构所占空间较大，不利于在空间有限的舵机内部实施，因此在一种实施中，磁性件510为活动端呈块状结构，安装于电机转轴11的端面，与电机转轴11同步旋转，磁感应元件为固定端安装于霍尔PCB板520上，其中，磁性件510与磁感应元件为端面式安装，磁性件510随电机转轴11同步旋转过程中，磁感应元件通过感应其磁场强度的变化获得减速箱1的减速输入端的角度信息。并通过霍尔PCB板520和与其相连的霍尔连接线进行信号传输。该端面式安装方式，既无需增加安装空间，又方便安装，结构紧凑，空间布局合理。

更进一步地，磁性件510可以为永磁体。磁感应元件与磁性件510可以同心布置且沿电机转轴11的轴向间隔排布。永磁体可长期保持其磁性，磁力性能稳定。且磁感应元件位于电机转轴11的轴向并与磁性件510间隔设置，可准确感应磁性件510周围的磁场强度。可以理解的是，磁性件510的结构可以多样化，如本实施例中的圆块状，或T形柱等，在此不做限定。

在一种优选实施方式的舵机中，外部采用舵机外壳400可以为内部设置有感无刷电机100、减速箱1和舵机输出轴200，其中舵机输出轴200延伸出舵机外壳400；感无刷电机100、减速箱1和舵机输出轴200集成于舵机外壳400内，舵机外壳400可以为一端呈开口状的一体化套筒壳体，也可以为相互拼接而成的筒状结构，舵机外壳400与舵机输出轴200可以为同心布置，提高整体的集成度；同时，输出端角度自测组件300位于舵机输出轴200的近减速箱1端，进一步提高集成度。

基于该装配关系，通过有感无刷电机100可测量自身转轴的角度信息，有感无刷电机100可以为有感外转子无刷电机，也可以为有感无刷内转子电机。有感无刷电机100是在无刷电机内部安装位置传感器，电调通过位置传感器信号换相。该位置传感器可以为霍尔传感器，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象称之为霍尔效应。基于这一特性，通过霍尔传感器检测磁场变化，并转变成电信号输出，即可获知转子相对转动的角度信息。有感无刷电机100的角度测量元件内置于电机内，进一步减少舵机体积，结构紧凑，布局合理。通过输出端角度测量组件300实时获取减速箱1的输出端角度信息，且输出端角度测量组件300与有感无刷电机100信号连接，由于减速箱1的减速比已知，通过有感无刷电机100自身获取的转动角度信息，以及通过输出端角度测量组件300获取的舵机输出轴200的输出角度信息，可计算减速箱1的输入端与输出端之间的虚位值，即角度回差信息，根据该角度回差对舵机进行角度补偿，从而消除虚位影响，保证舵机的稳定运行。同时该舵机的虚位自测还可用于判断结构老化或失效，便于及时检修及更换。

在一种实施中，如图2所示，输出端角度自测组件300可以包括：磁环和磁感应元件；其中，磁环可以同步旋转地安装在舵机输出轴200上；和磁感应元件可以用于感应磁环的磁场强度并固定设置于舵机壳体400内。

具体地，输出端角度自测组件300中，磁环为活动端，与舵机输出轴200同步旋转，磁感应元件为固定端，安装于舵机壳体400内用于感应磁环周围的磁场强度，其中，磁环与磁感应元件为边侧式安装模式，即磁感应元件固定设置于磁环的周围，以感应磁环圆周方向的磁场强度，磁环随舵机输出轴200旋转过程中，磁感应元件通过感应其磁场强度的变化获得减速箱1的角度信息。可以理解的是，磁环，其内环直径与同轴向位置舵机输出轴200的直径相同，二者呈过盈配合的装配环形，保证磁环与舵机输出轴200同步旋转，且磁环安装于舵机输出轴200的近减速箱端，该安装方式稳固性高，使得减速箱1可在高速比条件下运行。此外，磁环的结构与舵机输出轴200的连接关系可以多样化，在此不做限定。

进一步地，磁感应元件和磁环可以关于舵机输出轴200的轴向位置相同且径向间隔。即磁感应元件位于磁环的周壁的圆周方向上，且二者呈非接触式的位置关系，可准确感应磁环圆周方向的磁场强度变化。

此外，发明人基于控制产品自重和体积，以及提高产品散热性能，对舵机的整体结构布局进行设计，具体地，如图1、图2和图3所示，舵机包括安装于舵机外壳400内并沿轴向依次传动连接的有感无刷电机100、减速箱1和舵机输出轴200，舵机输出轴200伸出舵机外壳400外。其中减速箱1为行星减速箱，该行星减速箱可以为多级行星减速箱，可设定较大范围的减速比，提高舵机输出扭矩。通过舵机外壳400安装有感无刷电机100和减速箱1，且舵机内各元件沿轴向分布于舵机外壳400内，使得舵机整体呈棒状结构，有感无刷电机100和减速箱1的外周壁散热性能优良，为舵机的高性能运行提供先决条件。

同时，在本实施中，如图1和图3所示，舵机外壳400可以包括测量组件罩410和电机罩420；具体地，测量组件罩410可以用于安装输出端角度测量组件300；和电机罩420可以呈筒状与测量组件罩410相连。其中，测量组件罩410内安装有用于控制有感无刷电机100的控制板2，磁感应元件安装于控制板2上。

电机罩420的开口端四角处与测量组件罩410可以通过螺栓连接固定，既方便拆装，又连接牢固，同时，测量组件罩410可以用于安装舵机的控制及角度检测结构，这种端部安装方式，保证输出端角度自测组件300的安装稳固，为行星减速箱1在高速比条件下运行提供先决条件。具体地，控制板2固定设置并包括穿套孔，舵机输出轴200从穿套孔穿出，控制板2与舵机输出轴200为间隙嵌套关系，既节省控制板2的安装空间，提高其装配的紧凑性，缩小舵机体积且方便安装，又与磁环配合保证减速箱1的高比速运行。控制板2用于控制舵机，并用于收发信号，并根据获取信息控制舵机进行调节。此外，测量组件罩410上设置有穿孔，与此同时，测量组件罩410，用于安装舵机的控制及角度检测结构，这种端部安装方式，保证输出端角度自测组件300的安装稳固，为行星减速箱1在高速比条件下运行提供先决条件。舵机连接线10一端与控制板2相连，另一端沿穿孔穿出，穿孔使得测量组件罩410为未完全封闭结构，可进一步提高舵机的散热效果。需要说明的是，测量组件罩410可以为本发明中的长方体结构，也可以为圆形、D形、菱形等各种形状，只要能够满足容纳控制板2即可，在此不做限定。

舵机输出轴200与直接相连的摆臂3因受力面存在缝隙也极易产生虚位，为进一步控制虚位，保证无人机的运行稳定，在一种优选实施方式中，如图5和图6所示，舵机输出轴200上可以安装有摆臂3，摆臂3的舵机连接端可以形成为用于紧固连接舵机输出轴200的插装紧固结构；

其中，摆臂3包括与输出轴连接端相连的摆臂连接端，摆臂连接端设有与舵机输出轴200适配的插装孔4，插装孔4的孔内周面形成有与舵机输出轴200的受力平面相贴合的插装孔受力平面5。

具体地，摆臂连接端包括通过分切平面6切分出的第一摆臂连接分部7和第二摆臂连接分部8，分切平面6切分插装孔4的横截面并与插装孔受力平面5相交，插装紧固结构包括紧固连接第一摆臂连接分部7和第二摆臂连接分部8的紧固连接件9。

输出轴连接端和插装孔4均可以具有D形横截面，即输出轴连接端为D形轴结构，插装孔4为与D形插装轴相适配的D形孔，方便加工。D形输出轴连接端与D形插装孔4均包括平直面和弧形面，可以理解的是，输出轴连接端的轴外壁面形成有舵机输出轴200的受力平面，插装孔4的孔内周面形成有插装孔受力平面5。在如图5所示的紧固状态下，紧固连接件9使插装孔4的弧形面部分形变并挤压贴合输出轴连接端的弧形面，此时，在挤压力的作用下输出轴连接端向插装孔受力平面5偏移，舵机输出轴200的受力平面与插装孔受力平面5紧密贴合。消除舵机输出轴200与摆臂3之间的虚位，保证无人机的稳定运行。此外，输出轴连接端和插装孔4其横截面的结构形状可多种多样，本发明不限于此。

另外，本发明还提供了一种无人机，无人机包括上述的舵机，该无人机可以为农用无人机，用于植保喷洒作业，无人机喷洒作业时需要对喷头的角度进行调节，可将常规的喷洒系统与无人机机体之间通过上述舵机结构连接，该无人机可以获取无人机的各旋翼产生的各自旋翼风场的方位，在无人机升力系统角度改变时，根据相应的旋翼风场的方位，通过舵机实现喷洒系统的角度的调节，对应地调节位于旋翼下方的喷头，使得喷头的喷洒方向与旋翼风场的流动方向的朝向相同，使喷洒系统更高效的利用无人机风场进行作业，其中该无人机的结构类型可多种多样，在此不做限定。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种舵机，其特征在于，所述舵机包括：

电机组件，用于提供动力并实时反馈所述舵机中电机转子的相对转动角度信息；

舵机输出轴(200)，与所述电机组件的输出端传动连接；和

输出端角度测量组件(300)，用于检测所述舵机输出轴(200)的输出角度并与所述电机组件信号连接。

2.根据权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述电机组件包括能够实时反馈电机转子的相对转动角度信息的有感无刷电机(100)。

3.根据权利要求2所述的舵机，其特征在于，所述舵机还包括：

舵机外壳(400)，内置所述有感无刷电机(100)，所述输出端角度测量组件(300)设置在所述舵机输出轴(200)上且位于所述舵机外壳(400)内。

4.根据权利要求3所述的舵机，其特征在于，所述输出端角度自测组件(300)包括：

磁环，同步旋转地安装在所述舵机输出轴(200)上；和

磁感应元件，用于感应所述磁环的磁场强度并固定设置于所述舵机壳体(400)内。

5.根据权利要求4所述的舵机，其特征在于，所述磁感应元件和所述磁环关于所述舵机输出轴(200)的轴向位置相同且径向间隔。

6.根据权利要求2～5中任意一项所述的舵机，其特征在于，所述舵机还包括安装于所述舵机外壳(400)内并沿轴向依次传动连接的所述有感无刷电机(100)、减速箱(1)和所述舵机输出轴(200)，所述舵机输出轴(200)伸出所述舵机外壳(400)外。

7.根据权利要求6所述的舵机，其特征在于，所述舵机外壳包括：

测量组件罩(410)，用于安装所述输出端角度测量组件(300)；和

电机罩(420)，呈筒状与所述测量组件罩(410)相连。

其中，所述测量组件罩(410)内安装有用于控制所述有感无刷电机(100)的控制板(2)，所述磁感应元件安装于所述控制板(2)上。

8.根据权利要求6所述的舵机，其特征在于，所述减速箱(1)为行星减速箱。

9.根据权利要求1所述的舵机，其特征在于，所述舵机输出轴(200)上安装有摆臂(3)，所述摆臂(3)的舵机连接端形成为用于紧固连接所述舵机输出轴(200)的插装紧固结构；

其中，所述摆臂(3)包括与所述输出轴连接端相连的摆臂连接端，所述摆臂连接端设有与所述舵机输出轴(200)适配的插装孔(4)，所述插装孔(4)的孔内周面形成有与所述舵机输出轴(200)的受力平面相贴合的插装孔受力平面(5)。

10.根据权利要求9所述的舵机，其特征在于，所述摆臂连接端包括通过分切平面(6)切分出的第一摆臂连接分部(7)和第二摆臂连接分部(8)，所述分切平面(6)切分所述插装孔(4)的横截面并与所述插装孔受力平面(5)相交，所述插装紧固结构包括紧固连接所述第一摆臂连接分部(7)和所述第二摆臂连接分部(8)的紧固连接件(9)。

11.一种无人机，其特征在于，所述无人机包括根据权利要求1～10中任意一项所述的舵机。

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