CN220492761U - 一种水下机器人关节伺服电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水下机器人关节伺服电机，包括驱动电机，驱动电机设置在密封壳体内，驱动电机的输出轴连接密封壳体外侧的舵盘，密封壳体设置在电机支撑架上，密封壳体的外侧设置有穿线盖，驱动电机的线缆经穿线盖引出；密封壳体包括密封舱体，密封舱体的两端分别设置有后端盖和前端盖，输出轴与前端盖之间依次设置有动密封固定板、泛塞和轴承。具有高集成、小尺寸、大扭矩的特点；适用于安装在中小型水下机器人、水下航行器以及水下机械臂等需要伺服控制的场景。

Description

一种水下机器人关节伺服电机

技术领域

本实用新型属于水下机器人技术领域，具体涉及一种水下机器人关节伺服电机。

背景技术

在海洋装备领域的研究中，水下机器人受到了越来越多的关注。关节伺服电机作为水下机器人的重要运动部件，直接影响了整个机器人的运动控制性能。为适应中小型机器人的使用安装需求，使用传统的水下舵机方案存在精度较低，缺少反馈等缺点，从而影响了水下机器人的运动控制精度和可靠性。

因此，本实用新型针对现有技术存在的问题，提出了一种创新的水下关节伺服电机设计。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种水下机器人关节伺服电机，旨在克服传统方案的局限性，并实现更高的运动控制精度和可靠性。

本实用新型采用以下技术方案：

一种水下机器人关节伺服电机，包括驱动电机，驱动电机设置在密封壳体内，驱动电机的输出轴连接密封壳体外侧的舵盘，密封壳体设置在电机支撑架上，密封壳体的外侧设置有穿线盖，驱动电机的线缆经穿线盖引出；

密封壳体包括密封舱体，密封舱体的两端分别设置有后端盖和前端盖，输出轴与前端盖之间依次设置有动密封固定板、泛塞和轴承。

具体的，动密封固定板设置在前端盖的内侧，位于前端盖与驱动电机之间，泛塞设置在动密封固定板与前端盖之间，轴承对应设置在前端盖的外侧。

进一步的，前端盖的内侧和外侧分别设置有用于安装泛塞和轴承的凹槽。

具体的，泛塞的动密封唇与输出轴紧贴设置，泛塞的静密封唇紧贴前端盖壁面设置。

具体的，轴承为深沟球轴承。

具体的，前端盖和后端盖于密封舱体之间分别设置氟胶O型密封圈实现静密封。

具体的，穿线盖与密封舱体之间设置有氟胶密封垫片。

具体的，线缆与穿线盖之间通过硫化胶密封连接。

具体的，线缆经驱动电路和电流采样电路连接MCU，MCU还分别连接有温度检测电路和位置检测电路用于采集数据，然后经预驱电路连接驱动电路。

进一步的，预驱电路经滤波电路连接电源，预驱电路经DC/DC模块连接MCU。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

本实用新型一种水下机器人关节伺服电机，实现了中小型水下机器人对小尺寸、大扭矩、轻型关节电机的需求，同时能够实现精准的三环伺服控制，适用于中小型水下机器人、水下航行器以及水下机械臂等需要伺服控制的场景，提高了水下机器人关节的运动控制性能。

本实用新型具有高集成、小尺寸、大扭矩的特点；适用于安装在中小型水下机器人、水下航行器以及水下机械臂等需要伺服控制的场景，为水下机器人驱动关节提供了新的解决方案，并提高了机器人的携带能力、控制性能和灵活性。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型水下伺服关节电机爆炸示意图；

图2为本实用新型水下伺服关节电机外部结构示意图；

图3为本实用新型水下伺服关节电机内部结构示意图；

图4为本实用新型水下伺服关节电机动密封件泛塞安装示意图；

图5为本实用新型水下伺服关节电机驱动板电路信号流图；

图6为本实用新型水下伺服关节电机驱动板驱动电路及电流采样原理图；

图7为本实用新型水下伺服关节电机驱动板预驱电路及供电原理图。

其中：1.支撑架；2.后端盖；3.氟胶O型密封圈；4.驱动电机；5.穿线盖；6.线缆；7.氟胶密封垫片；8.密封舱体；9.动密封固定板；10.输出轴；11.泛塞；12.轴承；13.前端盖；14.舵盘；15.驱动电路板；16.驱动电路三相逆变桥；17.电流采样电路；18.预驱芯片及其外围电路；19.供电电路；20.电压采样检测电路。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在几种组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

还需要说明的是，本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

请参阅图1和图2，本实用新型公开了一种水下机器人关节伺服电机，包括电机支撑架1、密封壳体和驱动电机4，驱动电机4设置在密封壳体内，输出端连接密封壳体外侧的舵盘14，密封壳体的两端分别设置在电机支撑架1上，密封壳体的一侧设置有穿线盖5，驱动电机4的线缆6经穿线盖5引出。

密封壳体包括：后端盖2、氟胶O型密封圈3、密封舱体8、动密封固定板9、输出轴10、泛塞11、轴承12、前端盖13、舵盘14、穿线盖5、线缆6、氟胶密封垫片7。

驱动电机4设置在密封舱体8内，后端盖2和前端盖13对应设置在密封舱体8的两侧，驱动电机4的一侧设置有输出轴10，输出轴10的一端贯穿前端盖13与舵盘14连接，输出轴10和驱动电机4之间设置有动密封固定板9，输出轴10上依次套装有泛塞11和轴承12；密封舱体8的侧面设置有穿线盖5，驱动电机4的线缆6从密封舱体8内经穿线盖5引出，线缆6与穿线盖5之间设置有氟胶密封垫片7；后端盖2和前端盖13与密封舱体8之间分别设置有氟胶O型密封圈3。

请参阅图3，驱动电机4与密封舱体8通过螺钉紧固安装在舱体内，输出轴10的后端通过螺钉紧固在驱动电机4的减速器输出端上，舵盘14与输出轴10通过花键传递力矩并通过螺钉紧固在一起。输出轴10由深沟球轴承12提供径向支撑和轴向定位，并通过泛塞11实现与前端盖的动密封，其中动密封固定板9起到固定泛塞11和轴向限位的作用。前端盖13和后端盖2于密封舱体8通过氟胶O型密封圈3安装在槽体内进行挤压实现静密封。驱动电机4的转子转动经过行星齿轮减速带动输出轴转动，泛塞11的动密封唇与输出轴10紧贴，静密封唇紧贴前端盖13壁面从而实现电机转矩输出处的密封，并最终带动舵盘14的转动，同时通过安装在减速器输出端位置的编码器和电机转子处的编码器实现对电机位置伺服的精确控制。

请参阅图4，前端盖13与泛塞11、轴承12的安装关系是，泛塞11从前端盖13的后侧通过向内挤压安装在前端盖13预留的槽口内，并使用动密封固定板9通过螺钉从后安装在前端盖13上起到固定和限位的作用。轴承12则从前端盖13的前面间隙配合安装在其预留的槽口内。

请参阅图1，密封舱体8上设计有矩形走线口，穿线盖5通过螺钉安装挤压氟胶密封垫片7实现此处的静密封。线缆6穿入穿线盖5的穿线孔，通过密封舱体8的走线口与内部驱动电机4相连实现供电和信号的通信；线缆6与穿线盖5之间通过硫化胶实现密封。

线缆6内置电源线和CAN通信线，电源线经滤波电路连接预驱模块，预驱电路经DC/DC模块连接MCU，CAN通信线经过CAN通信转换模块连接MCU。

请参阅图5，电机三相线经驱动电路和电流采样电路连接MCU，MCU还分别连接有温度检测电路和位置检测电路用于采集数据，然后经预驱电路连接驱动电路，预驱电路经滤波电路连接电源，预驱电路经DC/DC模块连接MCU，驱动板集成了用于检测电机转子位置的14位高精度磁编码器，安装于驱动电机的背部，同时将另一个编码器安装于电机减速器输出轴位置，其通过排线与驱动电机背部的驱动器相连。。

整个驱动板的电路供电转换顺序为：

由电源输入18～24V直流电后通过滤波电路滤波之后给预驱电路供电，预驱电路同时将电压降压到5V传输给LDO线性稳压电源模块，降压到3.3V给MCU等芯片供电。

控制信号流向为：

MCU通过电流采样电路、位置检测电路和温度检测电路采集到相关数据之后，通过电机控制算法求解生成PWM波信号传输给预驱电路，预驱电路将控制信号转换为驱动MOS管的开关信号从而控制电机。

请参阅图6，使用6个NMOS管设计了三相逆变桥电路16，通过驱动栅极电压实现MOS管的开断，分别调节六个MOS管的导通顺序从而生成驱动电机的调制波形驱动电机转动。

电流采样电路17则在电机工作时，实时的采集位于三相高端测采样电阻两端的电压，通过运算放大芯片将微弱的电压信号偏置放大后，通过设计的RC低通滤波器电路经过低通滤波后输出给MCU的ADC采集模块进行采集，通过相关算法解算，求解出采样电流。

请参阅图7，设计了驱动电压预备驱芯片的外围电路18，其主要用于接收MCU的控制信号然后转换成驱动波形，驱动NMOS的栅极，同时芯片自带降压功能，通过外围电路的设计能够提供5V的供电电压。供电电路19的作用是通过芯片AS117将5V转换到3.3V供电。电压采样检测电路20的作用是通过电阻分压分别采集了总线电压，以及三相电的相电压。

综上所述，本实用新型一种水下机器人关节伺服电机具有以下优势：

1)设计适用于电机的密封结构，选用氟胶O型密封圈作为密封结构中端盖与密封舱体静密封部件。其具有优异的耐高温、耐腐蚀、耐磨、耐老化、耐高压的特点。能够有效保护电机和其电子元器件防止水分的侵入。选用泛塞作为输出轴与前端盖的密封件，以实现旋转轴处与端盖的动密封。泛塞具有密封性能良好，结构简单，耐化学腐蚀，耐磨损，使用弹簧结构实现磨损自动补偿等优势，同时因其结构简单体积小能够有效减少整个密封舱体的体积。密封舱体外圆柱面配合电机驱动板的引线方式设计了相应的矩形凸台走线孔，有利于电机驱动线路的安装和引线，该走线孔仅有穿线盖和线缆连接处需要涂胶密封，降低了静密封难度，提高了密封可靠性；该电机关节具有多种安装固定方式，可以直接通过支撑架直接安装于工作平面，如有需要可以拆下支撑架，直接通过前后端盖和密封舱体法兰上的螺纹通孔安装固定于其他工作平面，或者配作其他形式的固定连接件，根据应用场景需求灵活选取安装方式。密封壳体使用7075高强度铝合金加工，在保持足够强度的同时，有着更轻的重量和体积，能够应用于水下100m以内的应用场景。

2)采用双编码器方案其中一个驱动板集成了用于检测电机转子位置的磁编码器，同时将另一个编码器安装在电机减速器输出轴位置用于检测减速后的输出角度，通过排线与减速电机背部的驱动器相连。同时选用电机和行星减速器集成在一起的减速电机，相比传统方案中独立选择电机和减速器的组合，本实用新型的集成设计简化了结构，在保证电机输出大扭矩的同时，一定程度的减少了整个机体的轴向尺寸，提高了机器人的整体性能和稳定性。

3)驱动电路设计了电流采样电路，采用高端电流采样方案，能够消除地电平噪声，提高采样精度。选取采用了AD8418高性能电流检测放大器，其集成EMI滤波器，高输入共模电压抑制比以及高输出精度的特点，适用于高端采样的应用。驱动板能够同时获取电流信息和电机转轴位置信息，能够实现对电机的电流、速度、位置三环的闭环控制，实现精准伺服的控制效果，能够有效提升水下机器人的运动控制性能。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下机器人关节伺服电机，其特征在于，包括驱动电机(4)，驱动电机(4)设置在密封壳体内，驱动电机(4)的输出轴(10)连接密封壳体外侧的舵盘(14)，密封壳体设置在电机支撑架(1)上，密封壳体的外侧设置有穿线盖(5)，驱动电机(4)的线缆(6)经穿线盖(5)引出；

密封壳体包括密封舱体(8)，密封舱体(8)的两端分别设置有后端盖(2)和前端盖(13)，输出轴(10)与前端盖(13)之间依次设置有动密封固定板(9)、泛塞(11)和轴承(12)。

2.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，动密封固定板(9)设置在前端盖(13)的内侧，位于前端盖(13)与驱动电机(4)之间，泛塞(11)设置在动密封固定板(9)与前端盖(13)之间，轴承(12)对应设置在前端盖(13)的外侧。

3.根据权利要求2所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，前端盖(13)的内侧和外侧分别设置有用于安装泛塞(11)和轴承(12)的凹槽。

4.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，泛塞(11)的动密封唇与输出轴(10)紧贴设置，泛塞(11)的静密封唇紧贴前端盖(13)壁面设置。

5.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，轴承(12)为深沟球轴承。

6.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，前端盖(13)和后端盖(2)于密封舱体(8)之间分别设置氟胶O型密封圈(3)实现静密封。

7.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，穿线盖(5)与密封舱体(8)之间设置有氟胶密封垫片(7)。

8.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，线缆(6)与穿线盖(5)之间通过硫化胶密封连接。

9.根据权利要求1所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，电机三相线经驱动电路和电流采样电路连接MCU，MCU还分别连接有温度检测电路和位置检测电路用于采集数据，然后经预驱电路连接驱动电路。

10.根据权利要求9所述的水下机器人关节伺服电机，其特征在于，预驱电路经滤波电路连接电源，预驱电路经DC/DC模块连接MCU。