CN110553579B - 基于空间四连杆的电动舵机及舵输出轴的角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于空间四连杆机构的电动舵机及舵输出轴的角度测量方法，属于电动舵机技术领域，解决了现有传动机构由于其加工精度要求高、占用空间大不适用于弹上电动舵机传动的问题。该电动舵机包括电机、齿轮减速器、空间四连杆传动机构、舵机安装框架及角度测量装置；空间四连杆传动机构包括减速器输出轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、舵输出轴，减速器输出轴通过连杆安装孔与第一连杆固连，第一连杆和第三连杆通过虎克铰机构连接，第三连杆和第二连杆通过球铰机构连接，第二连杆与舵输出轴固连；电机与齿轮减速器连接，齿轮减速器通过框架安装孔与舵机安装框架固定连接。本发明实现了电机驱动舵输出轴在±15°区间范围内转动。

Description

基于空间四连杆的电动舵机及舵输出轴的角度测量方法

技术领域

本发明涉及电动舵机技术领域，尤其涉及一种基于空间四连杆机构的电动舵机及舵输出轴的角度测量方法。

背景技术

舵机作为伺服控制***的执行部件，通过驱动输出轴偏转，完成伺服控制***的控制目标。电动舵机具有质量轻，性能稳定，维护方便等特点，逐渐成为舵机发展的新方向。

电动舵机的执行机构通常包括电机、传动机构和舵输出轴组成。传动机构作为执行机构的核心部分，通常为减速结构以获得较大的扭矩输出。对于弹上舵机，其可用空间小，重量轻，传动机构的空间布局受到较大的限制，传动机构的各级转轴之间通常不相交。常见的不相交的两个轴之间的传动方式有滚珠丝杠+拨叉、涡轮蜗杆、圆柱齿轮+锥齿轮等方式，这些传动方式加工精度要求高，占用空间较大，不适用于小型电动舵机传动。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于空间四连杆机构的电动舵机及舵输出轴的角度测量方法，用以解决现有传动机构由于其加工精度要求高、占用空间大不适用于小型的弹上电动舵机传动的技术问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种基于空间四连杆机构的电动舵机，包括电机、齿轮减速器、空间四连杆传动机构、舵机安装框架及角度测量装置；电机与齿轮减速器连接，齿轮减速器通过框架安装孔与舵机安装框架固定连接；齿轮减速器通过空间四连杆传动机构带动舵输出轴转动；角度测量装置与空间四连杆传动机构连接，用于测量减速器输出轴转动角度。

在一种可能的设计中，空间四连杆传动机构包括减速器输出轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、舵输出轴，减速器输出轴设于齿轮减速器中心轴处，减速器输出轴通过连杆安装孔与第一连杆固定连接，第一连杆和第三连杆通过虎克铰机构连接，第三连杆和第二连杆通过球铰机构连接，第二连杆与舵输出轴固定连接；角度测量装置与第一连杆连接。

在一种可能的设计中，第三连杆包括相连接的球形杆和U型杆；球形杆的一端为球形，另一端设有螺纹；U型杆的一端为U型，另一端为螺杆；球形杆和U型杆通过螺纹连接。

在一种可能的设计中，球铰机构包括球铰盖，球铰盖的内侧设有球窝，球铰盖与第二连杆螺纹连接，球形杆与第二连杆和球窝构成球铰；旋转球铰盖能够消除球铰机构的传动间隙和调节传动松紧程度。

在一种可能的设计中，虎克铰机构包括虎克轴、第一销轴、第二销轴、第三销轴、第一销、第二销、第三销和第四销；减速器输出轴通过第一销与第一连杆固定连接，第一连杆通过第三销轴与虎克轴旋转连接，第三销轴通过第四销与虎克轴固定连接，第一销轴和第二销轴分别通过第二销和第三销与虎克轴固定连接；虎克轴与球形杆通过第一销轴和第二销轴旋转连接。

在一种可能的设计中，角度测量装置包括电刷、电阻体和电阻底座，电刷通过第一固定件固定于第一连接杆上，电阻底座通过第二固定件固定在舵机安装框架上，电阻体固定于电阻底座上。

在一种可能的设计中，第一连杆的长度为l₁，第二连杆的长度为l₂，第三连杆的长度为l₃，减速器输出轴的转动角度为θ₁，舵输出轴的转动角度为θ₂，根据减速器输出轴和舵输出轴的传动比i以及l₁、l₂、l₃、θ₁计算出舵输出轴的转动角度θ₂的数值。

在一种可能的设计中，第一连杆、第二连杆、第三连杆的长度l₁、l₂、l₃以及减速器输出轴的转动角度θ₁与舵输出轴的转动角度θ₂之间的关系式为：

由于第一连杆、第二连杆、第三连杆的长度l₁、l₂、l₃在设计时已知，通过角度测量装置测出角度θ₁，另外，电动舵机转动过程中，第三连杆的长度l₃不变，因此，通过求解上式能够求出舵输出轴的转动角度θ₂。

在一种可能的设计中，第一连杆、第二连杆、第三连杆、虎克铰机构和球铰机构的组合顺序可根据实际可用空间来调整空间四连杆机构的空间构型。

另一方面，本发明还提供了一种舵输出轴的角度测量方法，根据上述的基于空间四连杆机构的电动舵机，该舵输出轴的角度测量方法包括以下步骤：

步骤1、启动电机，电机通过齿轮减速器减速后，通过空间四连杆机构，带动舵输出轴转动；

步骤2、角度测量装置通过电刷测量减速器输出轴的转动角度θ₁；

步骤3、根据减速器输出轴和舵输出轴的传动比i以及l₁、l₂、l₃、以及θ₁与θ₂之间的对应关系计算出舵输出轴的转动角度θ₂的数值，实现舵输出轴角度的测量。

在所述步骤2中，通过向电阻体两端施加电压，并通过采集电刷与电阻体一端的电压与电阻体两端电压对比，进而来测量减速器输出轴的转动角度。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明提供的电动舵机通过齿轮减速器和空间四连杆传动机构，实现了电机驱动舵输出轴在±15°区间范围内转动，由于本申请的空间四连杆机构对减速器输出轴和舵输出轴的空间夹角的要求不限于90°，因此，对减速器输出轴和舵输出轴的安装精度要求不高。另外，本申请提供传动结构占用空间小且质量轻，完全能够满足用于弹上电动舵机的要求。

(2)本发明将传感器和电刷安装在舵输出轴上，角度测量装置不仅占用空间小和成本低，而且能够精确测出舵输出轴的转动角度。

(3)本发明的提供的第一连杆、第二连杆、第三连杆、虎克铰机构和球铰机构的组合顺序不唯一，这些结构可根据实际的可用空间调整四连杆的空间构型，以提高空间四连杆传动结构的适用性和实用性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例1提供的基于空间四连杆结构的电动舵机的结构示意图；

图2为实施例1提供的基于空间四连杆结构的电动舵机沿A方向结构示意图(电动舵机仰视图)；

图3为实施例1提供的基于空间四连杆结构的齿轮减速器安装接口示意图；

图4为实施例1提供的空间四连杆传动机构示意图；

图5为实施例1提供的基于空间四连杆传动机构的虎克铰机构示意图；

图6为实施例1提供的基于空间四连杆传动机构的球铰机构示意图；

图7位实施例1提供的基于空间四连杆传动机构的传动示意图；

图8为实施例1提供的空间四连杆传动机构第二种空间构型；

图9为实施例1提供的空间四连杆传动机构第三种空间构型。

附图标记：

1-电机；2-齿轮减速器；3-齿轮减速器输出轴；4-空间四连杆结构；5-舵机安装框架；6-舵输出轴；7-电刷；8-电阻底座；9-电阻体；10-框架安装孔；11-连杆安装孔；12-虎克铰机构；13-球铰机构；14-第一连杆；15-第二连杆；16-第三连杆；17-第一销；18-第二销；19-第三销；20-第四销；21-虎克轴；22-第一销轴；23-第二销轴；24-第三销轴；25-球形杆；26-U型杆；27-球铰盖。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于空间四连杆传动机构4的电动舵机，如图1至图7所示，包括电机1、齿轮减速器2、空间四连杆传动机构、舵机安装框架5及角度测量装置等；空间四连杆传动机构包括减速器输出轴3、第一连杆14、第二连杆15、第三连杆16、舵输出轴6，减速器输出轴3通过连杆安装孔11与第一连杆14固定连接，第一连杆14和第三连杆16通过虎克铰机构12连接，第三连杆16和第二连杆15通过球铰机构13连接，第二连杆15与舵输出轴6固定连接；角度测量装置与第一连杆14连接；电机1与齿轮减速器2连接，齿轮减速器2通过框架安装孔10与舵机安装框架5固定连接；减速器输出轴3设于齿轮减速器2中心轴处；角度测量装置用于测量减速器输出轴3转动角度θ₁。

具体地，该电动舵机包括四个电机1，在电机1的底部均连接有齿轮减速器2，齿轮减速器2通过舵机安装框架5上的框架安装孔10与舵机安装框架5固定连接；齿轮减速器2的中心轴位置均设有减速器输出轴3，电机1带动齿轮减速器2转动，经减速后带动减速器输出轴3转动。需要说明的是，减速器输出轴3与第一连杆14、第二连杆15、第三连杆16和舵输出轴6一起构成空间四连杆传动机构；其中，减速器输出轴3通过其端部的连杆安装孔11与第一连杆14固定连接，第一连杆14和第三连杆16通过虎克铰机构12连接，第三连杆16和第二连杆15通过球铰机构13连接，第二连杆15与舵输出轴6固定连接，最终实现减速器输出轴3通过空间四连杆传动机构与舵输出轴6传动连接；另外，角度测量装置与第一连杆14连接；该角度测量装置用于测量减速器输出轴3转动角度θ₁。

与现有技术相比，本发明提供的电动舵机通过齿轮减速器2和空间四连杆传动机构，实现了电机1驱动舵输出轴6在±15°区间范围内转动，由于本申请的空间四连杆传动机构4对减速器输出轴3和舵输出轴6的空间夹角的要求不限于90°，因此，对减速器输出轴3和舵输出轴6的安装精度要求不高。另外，本申请提供传动结构占用空间小且质量轻，完全能够满足用于弹上电动舵机的要求。

为了准确测出舵输出轴6的转动角度，本发明的角度测量装置包括电刷7、电阻体9、电阻底座8及传感器引出线等，电刷7通过第一固定件固定于第一连接杆上，电阻底座8通过第二固定件固定在舵机安装框架5上，电阻体9固定于电阻底座8上。

具体地，电刷7通过第一固定件(例如销)固定在第一连杆14上，电阻底座8通过第二固定件(例如螺钉)固定在舵机安装架上，其电测量原理为：通过向电阻体9两端施加电压，并通过采集电刷7与电阻体9一端的电压与电阻体9两端电压对比，进而来测量减速器输出轴3的转动角度。与现有技术相比，本发明将传感器和电刷7安装在舵输出轴6上，角度测量装置不仅占用空间小和成本低，而且能够精确测出舵输出轴6的转动角度。

为了便于安装和节省空间，第三连杆16包括相连接的球形杆25和U型杆25；球形杆25的第一端为球形，第二端设有螺纹；U型杆25的第一端为U型，第二端为螺杆状；球形杆25和U型杆25通过螺纹连接。

具体地，第三连接杆包括球形杆25和U型杆25，该球形杆25的第一端为球形，第二端为螺纹孔；U型杆25的第一端为U型，第二端为螺杆状，球形杆25的第二端与U型杆25的第二端之间通过螺纹进行连接。与现有技术相比，将第三连杆16设计成U型杆25和球形杆25一方面能够充分实现快速安装，另一方面能结构大大减小其占用空间，满足电动舵机用于弹上的整体设计要求。

为了空间四连杆传动机构与舵输出轴6连接，球铰机构13包括球铰盖27，球铰盖27的内侧设有球窝，球铰盖27与第二连杆15螺纹连接，球形杆25与第二连杆15和球窝构成球铰；旋转球铰盖27能够消除球铰机构13的传动间隙和调节传动松紧程度。

具体地，舵输出轴6与第二连接杆上端连接，第二连接杆的下端与球铰盖27的顶部连接，在球铰盖27的内侧设有球铰窝，第三连接杆的球形杆25嵌入球铰窝内，第二连接杆、球铰盖27的球窝及球形杆25共同构成球铰机构13。

为了构成空间四连杆传动结构，本发明的虎克铰机构12包括虎克轴21、第一销轴22、第二销轴23、第三销轴24、第一销17、第二销18、第三销19和第四销20；减速器输出轴3通过第一销17与第一连杆14固定连接，第一连杆14通过第三销19轴与虎克轴21旋转连接，第三销19轴通过第四销20与虎克轴21固定连接，第一销轴23和第二销18轴分别通过第二销18和第三销19与虎克轴21固定连接；虎克轴21与球形杆25通过第一销轴22和第二销轴23旋转连接。

根据实际的可用空间和传动需要，本发明可以可通过调整第一连杆14、第二连杆15和第三连杆16的长度l₁、l₂和l₃来调整减速器输出轴3和舵输出轴6的传动比i，结合齿轮减速器2的传动比i，实现电机1到舵输出轴6传动比的调整。

示例性地，第一连杆14的长度为l₁，第二连杆15的长度为l₂，第三连杆16的长度为l₃，减速器输出轴3的转动角度θ₁，舵输出轴6的转动角度θ₂，减速器输出轴3和舵输出轴6的传动比i，通过调整l₁、l₂、l₃的数值来调整减速器输出轴3和舵输出轴6的传动比i；另外，在第一连杆14的长度l₁和第二连杆15的长度l₂及第三连杆16的长度l₃确定的情况下，根据减速器输出轴3和舵输出轴6的传动比i以及l₁、l₂、l₃、以及θ₁与θ₂之间的对应关系计算出舵输出轴6的转动角度θ₂的数值，实现舵输出轴6角度的测量。

示例性地，根据运动学关系，第一连杆14、第二连杆15、第三连杆16的长度l₁、l₂、l₃以及减速器输出轴3的转动角度θ₁与舵输出轴6的转动角度θ₂之间的关系式为：

由于第一连杆14、第二连杆15、第三连杆16的长度l₁、l₂、l₃在设计时已知，通过角度测量装置测出角度θ₁，另外，电动舵机转动过程中，第三连杆16的长度l₃不变，因此，通过求解上式能够求出舵输出轴6的转动角度θ₂。

或者，通过运动学仿真软件(如Adams)，得出角度θ₁与θ₂的关系。需要说明的是，上述两种求解方式本质相同，通过仿真软件的具体求解不过不再赘述。

实施例二

本发明还提供了一种舵输出轴6的角度测量方法，根据上述的基于空间四连杆传动机构4的电动舵机，该舵输出轴6的角度测量方法包括以下步骤：

步骤1、启动电机1，电机1通过齿轮减速器2减速后，通过空间四连杆传动机构4，带动舵输出轴6转动；

步骤2、角度测量装置通过电刷7测量减速器输出轴3的转动角度θ₁；

步骤3、根据减速器输出轴3和舵输出轴6的传动比i以及l₁、l₂、l₃、以及θ₁与θ₂之间的对应关系计算出舵输出轴6的转动角度θ₂的数值，实现舵输出轴6角度的测量。

需要强调的是，如图7-9所示，本发明的提供的第一连杆14、第二连杆15、第三连杆16、虎克铰机构12和球铰机构13的组合顺序不唯一，这些结构可根据实际的可用空间调整四连杆的空间构型，进而提高空间四连杆传动结构的适用性和实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于空间四连杆机构的电动舵机，其特征在于，包括电机、齿轮减速器、空间四连杆传动机构、舵机安装框架及角度测量装置；所述电机与齿轮减速器连接，所述齿轮减速器通过框架安装孔与舵机安装框架固定连接；所述齿轮减速器通过空间四连杆传动机构带动舵输出轴转动；所述角度测量装置与空间四连杆传动机构连接，所述角度测量装置用于测量减速器输出轴的转动角度；

所述空间四连杆传动机构包括减速器输出轴、第一连杆、第二连杆、第三连杆、舵输出轴，所述减速器输出轴设于齿轮减速器中心轴处，所述减速器输出轴通过连杆安装孔与第一连杆固定连接，所述第一连杆和第三连杆通过虎克铰机构连接，所述第三连杆和第二连杆通过球铰机构连接，所述第二连杆与所述舵输出轴固定连接；所述角度测量装置与所述第一连杆连接。

2.根据权利要求1所述的基于空间四连杆机构的电动舵机，其特征在于，所述第三连杆包括相连接的球形杆和U型杆；所述球形杆的一端为球形，另一端设有螺纹；所述U型杆的一端为U型，另一端为螺杆；所述球形杆和U型杆通过螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的基于空间四连杆机构的电动舵机，其特征在于，所述球铰机构包括球铰盖，所述球铰盖的内侧设有球窝，所述球铰盖与第二连杆螺纹连接，所述球形杆与所述第二连杆和所述球窝构成球铰；旋转所述球铰盖能够消除球铰机构的传动间隙和调节传动松紧程度。

4.根据权利要求3所述的基于空间四连杆机构的电动舵机，其特征在于，所述虎克铰机构包括虎克轴、第一销轴、第二销轴、第三销轴、第一销、第二销、第三销和第四销；

所述减速器输出轴通过第一销与第一连杆固定连接，所述第一连杆通过第三销轴与虎克轴旋转连接，所述第三销轴通过第四销与虎克轴固定连接，所述第一销轴和第二销轴分别通过第二销和第三销与虎克轴固定连接；所述虎克轴与所述球形杆通过第一销轴和第二销轴旋转连接。

5.根据权利要求4所述的基于空间四连杆机构的电动舵机，其特征在于，所述角度测量装置包括电刷、电阻体和电阻底座，所述电刷通过第一固定件固定于第一连接杆上，所述电阻底座通过第二固定件固定在舵机安装框架上，所述电阻体固定于电阻底座上。

6.根据权利要求5所述的基于空间四连杆机构的电动舵机，其特征在于，所述第一连杆的长度为l₁，第二连杆的长度为l₂，第三连杆的长度为l₃，所述减速器输出轴的转动角度为θ₁，所述舵输出轴的转动角度为θ₂，根据减速器输出轴和舵输出轴的传动比i以及l₁、l₂、l₃、θ₁计算出舵输出轴的转动角度θ₂的数值；

所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的长度l₁、l₂、l₃以及减速器输出轴的转动角度θ₁与舵输出轴的转动角度θ₂之间的关系式为：

所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的长度l₁、l₂、l₃在设计时已知，通过所述角度测量装置测出减速器输出轴的转动角度θ₁，所述电动舵机转动过程中，第三连杆的长度l₃不变，通过上式求出舵输出轴的转动角度θ₂。

7.一种舵输出轴的角度测量方法，其特征在于，根据权利要求6所述的基于空间四连杆机构的电动舵机，所述舵输出轴的角度测量方法包括以下步骤：

步骤1、启动电机，电机通过齿轮减速器减速后，经空间四连杆机构带动舵输出轴转动；

步骤2、角度测量装置通过电刷测量减速器输出轴的转动角度θ₁；

步骤3、根据减速器输出轴和舵输出轴的传动比i、第一连杆、第二连杆、第三连杆的长度l₁、l₂、l₃以及θ₁与θ₂之间的对应关系计算出舵输出轴的转动角度θ₂的数值，实现舵输出轴角度的测量。

8.根据权利要求7所述的一种舵输出轴的角度测量方法，其特征在于，在所述步骤2中，通过向电阻体两端施加电压，并通过采集电刷与电阻体一端的电压与电阻体两端电压对比，进而测量减速器输出轴的转动角度。

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