CN113324144A - 一种全固定线缆两自由度大负载电动云台及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于云台技术领域，提供了一种全固定线缆两自由度大负载电动云台及设备。其中，该云台包括底座部件、转台部件、俯仰部件、第一驱动部件和第二驱动部件；所述第一驱动部件和第二驱动部件并行安装在底座部件上；所述第一驱动部件用于俯仰部件相对于转台部件进行俯仰角的调整；所述第二驱动部件用于驱动转台部件相对于底座部件进行水平面内偏航角的调整；所述第一驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第一驱动部件线缆，以连接至第一驱动部件的驱动控制单元中形成第一驱动部件的闭环控制回路；所述第二驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第二驱动部件线缆，以连接至第二驱动部件的驱动控制单元中形成第二驱动部件的闭环控制回路。

Description

一种全固定线缆两自由度大负载电动云台及设备
技术领域
本发明属于云台技术领域，尤其涉及一种全固定线缆两自由度大负载电动云台及设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着机器视觉、无线通讯和自动化技术的快速发展，地面移动装备和飞行器上的视觉传感器、各种领域的定向发射或接收装置、消防机器人上的高压水枪、固定场所的监控摄像头或探照灯等在工作过程中需要经常调整姿态或进行连续轨迹追踪。通常情况下，只需要调整水平转动和俯仰两个方位角即能满足工作要求，此时可用两自由度云台来满足应用需求。易燃易爆场所的防爆摄像头、远程通讯的卫星天线、大功率探照灯、消防高压水枪等装备重量较大，需要大负载云台才能满足工作要求。
发明人发现，目前多自由度云台各关节间都是串连结构，这样导致第一关节轴负载的转动惯量大，使其动态性能下降或驱动功率较大；另外，各关节之间的供电或通讯线缆随着关节运动而往复摆动，存在线缆缠绕及疲劳破损的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明的第一个方面提供一种全固定线缆两自由度大负载电动云台，其采用两关节驱动并行布置的方式以及第一驱动部件和第二驱动部件内的电机和编码器相对底座固定不动，不仅能够减小第一关节轴负载的转动惯量，同时还能够避免线缆缠绕及疲劳破损。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种全固定线缆两自由度大负载电动云台，包括底座部件、转台部件、俯仰部件、第一驱动部件和第二驱动部件；
所述第一驱动部件和第二驱动部件并行安装在底座部件上；
所述第一驱动部件用于俯仰部件相对于转台部件进行俯仰角的调整；
所述第二驱动部件用于驱动转台部件相对于底座部件进行水平面内偏航角的调整；
所述第一驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第一驱动部件线缆，以连接至第一驱动部件的驱动控制单元形成第一驱动部件的闭环控制回路；所述第二驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第二驱动部件线缆，以连接至第二驱动部件的驱动控制单元形成第二驱动部件的闭环控制回路。
作为一种实施方式，所述第一驱动部件和第二驱动部件均与云台控制器相互通信。
作为一种实施方式，所述第一驱动部件包括第一电机、第一谐波减速器、第一电机伺服驱动器和第一编码器，所述第一电机和第一谐波减速器串联连接，所述第一编码器安装于第一电机壳体下端，用于测量第一电机转子的角位移，进而得到俯仰部件的俯仰角度并将其通过第一驱动部件线缆传送至第一电机伺服驱动器。
作为一种实施方式，所述第一编码器包括第一编码器磁环以及与其配套的第一编码器读数板，所述第一编码器磁环安装在第一电机转子的下端。
作为一种实施方式，所述第二驱动部件包括第二电机、第二谐波减速器、第二电机伺服驱动器和第二编码器，所述第二电机和第二谐波减速器串联连接，所述第二编码器安装于第二电机壳体下端，用于测量第二电机转子的角位移，进而得到转台部件的偏航角度并将其通过第二驱动部件线缆传送至第二电机伺服驱动器。
作为一种实施方式，所述底座部件包括底座及接插件，所述接插件安装在底座侧臂上。
作为一种实施方式，所述转台部件包括转台和轴承端盖，所述转台安装在第二驱动部件的输出法兰上。
作为一种实施方式，所述俯仰部件包括俯仰板、锥齿轮、轴套、俯仰板支座和俯仰转轴，锥齿轮和俯仰板支座固定在俯仰转轴上，俯仰板刚性固定在锥齿轮和俯仰板支座上。
本发明的第二个方面提供一种设备，其包括如上述所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的第一驱动部件用于俯仰部件相对于转台部件进行俯仰角的调整，第二驱动部件用于驱动转台部件相对于底座部件进行水平面内偏航角的调整，采用第一驱动部件和第二驱动部件并行安装在底座部件上的结构，显著减小了转台部件的转动惯量，从而提高了转台偏航运动时的动态性，并降低转台偏航驱动电机的功率和能耗。
(2)本发明的第一驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第一驱动部件线缆，以连接至第一驱动部件的驱动控制单元中形成第一驱动部件的闭环控制回路；第二驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第二驱动部件线缆，以连接至第二驱动部件的驱动控制单元中形成第二驱动部件的闭环控制回路，同时第一驱动部件和第二驱动部件并行安装，也使得云台内部线缆全部固定布置，解决了传统电动云台因线缆摆动引起的线缆缠绕和疲劳破损问题，提高了云台的可靠性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的全固定线缆两自由度大负载电动云台的结构示意图；
图2是本发明实施例的全固定线缆两自由度大负载电动云台的控制原理图。
其中，1.底座，2.第一电机定子座，3.接插件，4.第一电机壳体，5.第一轴承，6.第一密封圈，7.第一谐波减速器，8.第二轴承，9.中间连接件，10.第三轴承，11.云台控制器，12.第二电机壳体，13.第二密封圈，14.第四轴承，15.俯仰驱动轴，16.第五轴承，17.平键，18.第一锥齿轮，19.轴端挡圈，20.第二锥齿轮，21.俯仰板，22.轴套，23.俯仰板支座，24.俯仰转轴，25.第六轴承，26.轴承端盖，27.转台，28.第二谐波减速器，29.第二电机转子，30.第二电机定子，31.第二编码器磁环，32.第二编码器读数板，33.第二电机部件线缆，34.第二电机伺服驱动器，35.第一电机转子，36.第一电机定子，37.第一编码器磁环，38.第一编码器读数板，39.第一电机伺服驱动器，40.第一电机部件线缆。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例的全固定线缆两自由度大负载电动云台，包括底座部件、转台部件、俯仰部件、第一驱动部件和第二驱动部件；
所述第一驱动部件和第二驱动部件并行安装在底座部件上；所述第一驱动部件用于俯仰部件相对于转台部件进行俯仰角的调整；所述第二驱动部件用于驱动转台部件相对于底座部件进行水平面内偏航角的调整；
本实施例采用第一驱动部件和第二驱动部件并行安装在底座部件上的结构，显著减小了转台部件的转动惯量，从而提高了转台偏航运动时的动态性，并降低转台偏航驱动电机的功率和能耗。
所述第一驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第一驱动部件线缆，以连接至第一驱动部件的驱动控制单元中形成第一驱动部件的闭环控制回路；所述第二驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第二驱动部件线缆，以连接至第二驱动部件的驱动控制单元中形成第二驱动部件的闭环控制回路，这样使得云台内部线缆全部固定布置，解决了传统电动云台因线缆摆动引起的线缆缠绕和疲劳破损问题，提高了云台的可靠性。
在具体实施中，参照图1，所述底座部件包括底座1以及安装在底座侧臂上的接插件3。底座1的内部还设置有云台控制器11、第一电机伺服驱动器39和第二电机伺服驱动器34。云台控制器11与第一电机伺服驱动器39和第二电机伺服驱动器34分别相互通信，云台控制器11用于输出相应的云台控制指令分别至第一电机伺服驱动器39和第二电机伺服驱动器34，第一电机伺服驱动器39和第二电机伺服驱动器34一方面用于输出驱动信号至对应电机，另一方面还用于接收俯仰部件和转台部件的对应角度并传送至云台控制器11。
具体地，所述转台部件包括转台27、轴承端盖26，转台27安装在第二谐波减速器28的输出法兰上，在第二电机部件的驱动下可相对底座进行水平面内偏航角的调整。
所述俯仰部件包括俯仰板21、第二锥齿轮20、轴套22、俯仰板支座23和俯仰转轴24，第二锥齿轮20和俯仰板支座23固定在俯仰转轴24上，并通过一对第六轴承25安装在转台27上端的轴承座孔内，俯仰板21用螺钉刚性固定在第二锥齿轮20和俯仰板支座23上，在第一电机部件的驱动下可相对转台27进行俯仰角的调整。
其中，第二锥齿轮20为不完全齿轮。
需要说明的是，俯仰板21与第二锥齿轮20和俯仰板支座23的刚性固定结构还可采用其他连接方式。
在具体实施中，所述第一电机部件包括第一电机、第一编码器、第一电机部件线缆40、第一谐波减速器7、俯仰驱动轴15和第一锥齿轮18。
其中，第一电机包括第一电机壳体4、第一电机定子座2、第一电机定子36和第一电机转子35。第一编码器磁环37和第一编码器读数板38共同组成第一编码器。
第一电机壳体4和第一谐波减速器7的柔轮用同一组螺钉固定在中间连接件9的下端，俯仰驱动轴15的下端法兰盘用螺钉固定在第一谐波减速器7的钢轮上，上端穿过第二电机转子29内孔和转台27底部轴承座孔，并用第五轴承16进行径向定位，第一锥齿轮18通过平键17和轴端挡圈19安装在俯仰驱动轴15最上端轴段，第一锥齿轮18与第二锥齿轮20啮合。
第一电机定子座2用螺钉同轴安装在第一电机壳体4的下端，第一电机定子36的内孔与第一电机定子座2中部的立筒外表面配合并固定(比如：用强力胶粘接)，第一电机转子35包括多极磁钢模组和转子轴，通过第一轴承5和第二轴承8固定在第一电机定子座2和俯仰驱动轴15上，第一谐波减速器7的波发生器安装在第一电机转子35上端，第一电机转子35和第一电机壳体4之间安装有第一密封圈6，防止第一谐波减速器7柔轮与波发生器配合处润滑油脂流入第一电机定子36内部。
第一编码器磁环37安装在第一电机转子35下端，在第一电机定子座2中部立筒内安装有与第一编码器磁环37配套的第一编码器读数板38，这样形成的第一编码器用来测量第一电机转子35的角位移，同时也间接测量了俯仰板21的俯仰角，第一电机定子36和第一编码器读数板38的电源线和信号线汇集成第一电机部件线缆40，穿过第一电机定子座2上的开孔后与第一电机伺服驱动器39连接，形成第一电机部件的闭环控制回路。
在本实施例中，所述第二电机部件包括第二电机、第二编码器、第二电机部件线缆33和第二谐波减速器28。其中，第二电机包括第二电机壳体12、第二电机定子30和第二电机转子29。第二编码器由第二编码器磁环31和第二编码器读数板32构成。
具体地，第二电机壳体12用螺钉固定在底座1上端，第二电机定子30安装在第二电机壳体12内部，并用中间连接件9压紧固定，第二电机转子29包括多极磁钢模组、转子轴和磁钢压盖，第二电机转子29通过第三轴承10和第四轴承14固定在第二电机壳体12和中间连接件9上，第二谐波减速器28的柔轮用螺钉固定在第二电机壳体12上，第二谐波减速器28的波发生器安装在第二电机转子29上端，第四轴承14下侧安装有第二密封圈13，这样防止了第二谐波减速器28柔轮与波发生器配合处润滑油脂流入第二电机壳体12内部。
第二编码器磁环31安装在第二电机转子29多极磁钢模组下侧，在中间连接件9上端面上安装有与第二编码器磁环31配套的第二编码器读数板32，这样组成的第二编码器，用来测量第二电机转子29的角位移，同时也间接测量了转台27的偏航角，第二电机定子30和第二编码器读数板32的电源线和信号线汇集成第二电机部件线缆33，穿过第二电机壳体12上的开孔后与第二电机伺服驱动器34连接，形成第二电机部件的闭环控制回路。
在图2中，θ1表示俯仰板俯仰角，θ2表示转台偏航角，i1表示第一谐波减速器减速比，i2表示第二谐波减速器减速比。
上述两自由度电动云台的工作过程如下：
云台控制器11负责与远程操作端的通讯和转台27偏航角θ2与云台末端俯仰板21俯仰角θ1的协调控制，收到俯仰板21的俯仰角θ1调整指令后，结合俯仰板21当前实际俯仰角将期望俯仰角θ1换算为第一电机转子35的角位移调整量下发给第一电机伺服驱动器39，对第一电机转子35的角位移进行伺服控制，并经第一谐波减速器7、俯仰驱动轴15、第一锥齿轮和第二锥齿轮20调整俯仰板21的俯仰角θ1。
云台控制器11收到转台27的偏航角θ2调整指令后，结合转台27当前实际偏航角将期望偏航角θ2换算为第二电机转子29的角位移调整量，下发给第二电机伺服驱动器34和第一电机伺服驱动器39，对第二电机转子35的角位移进行伺服控制，并经第二谐波减速器7调整转台27的偏航角，同时对第一电机转子35的角位移进行同步伺服控制，以保证调整转台27偏航角的过程中，第一电机转子35与第二电机转子29同步运动，从而第一锥齿轮18和第二锥齿轮20之间不发生相对运动，不对俯仰板21的俯仰角θ1产生影响。
实施例二
本实施例还提供了一种设备，其包括如上述实施例一所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台。
本实施例的全固定线缆两自由度大负载电动云台采用两关节驱动并行布置的方式，减小了第一关节轴负载的转动惯量，同时还避免了线缆缠绕及疲劳破损的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，包括底座部件、转台部件、俯仰部件、第一驱动部件和第二驱动部件；
所述第一驱动部件和第二驱动部件并行安装在底座部件上；
所述第一驱动部件用于俯仰部件相对于转台部件进行俯仰角的调整；
所述第二驱动部件用于驱动转台部件相对于底座部件进行水平面内偏航角的调整；
所述第一驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第一驱动部件线缆，以连接至第一驱动部件的驱动控制单元中形成第一驱动部件的闭环控制回路；所述第二驱动部件内的电缆线和信号线汇集成第二驱动部件线缆，以连接至第二驱动部件的驱动控制单元中形成第二驱动部件的闭环控制回路。
2.如权利要求1所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述第一驱动部件和第二驱动部件均与云台控制器相互通信。
3.如权利要求1所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述第一驱动部件包括第一电机、第一谐波减速器、第一电机伺服驱动器和第一编码器，所述第一电机和第一谐波减速器串联连接，所述第一电机伺服驱动器与第一电机相连，所述第一编码器安装于第一电机壳体下端，用于测量第一电机转子的角位移，进而得到俯仰部件的俯仰角度并将其通过第一驱动部件线缆传送至第一电机伺服驱动器。
4.如权利要求3所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述第一编码器包括第一编码器磁环以及与其配套的第一编码器读数板，所述第一编码器磁环安装在第一电机转子的下端。
5.如权利要求1所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述第二驱动部件包括第二电机、第二谐波减速器、第二电机伺服驱动器和第二编码器，所述第二电机和第二谐波减速器串联连接，所述第二电机伺服驱动器与第二电机相连，所述第二编码器安装于第二电机壳体下端，用于测量第二电机转子的角位移，进而得到转台部件的偏航角度并将其通过第二驱动部件线缆传送至第二电机伺服驱动器。
6.如权利要求5所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述第二编码器包括第二编码器磁环以及与其配套的第二编码器读数板，所述第二编码器磁环安装在第二电机转子的下端。
7.如权利要求1所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述底座部件包括底座及接插件，所述接插件安装在底座侧臂上。
8.如权利要求1所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述转台部件包括转台和轴承端盖，所述转台安装在第二驱动部件的输出法兰上。
9.如权利要求1所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台，其特征在于，所述俯仰部件包括俯仰板、锥齿轮、轴套、俯仰板支座和俯仰转轴，锥齿轮和俯仰板支座固定在俯仰转轴上，俯仰板刚性固定在锥齿轮和俯仰板支座上。
10.一种设备，其特征在于，包括如权利要求1-9中任一项所述的全固定线缆两自由度大负载电动云台。
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