本发明属于自动化仪器领域，主要涉及一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置。
背景技术：
1、由于水下环境具有复杂及不可预测的因素，人类开始将一些水下探测、捕捞、营救等任务用水下机器人替代完成；因此，水下机器人在近年人类的海洋探索研究中起到了愈发重要的作用；随着研究的不断深入，在水下机器人这一研究领域已经取得了一定的技术成果；目前，对于水下机器人的研究主要聚焦在如何实现与人类配合或机器人自主进行水下的各类作业任务；在完成作业任务过程中，一般需要搭载水下机械臂；通常情况下，水下机械臂依靠各关节内部的伺服控制系统完成指定的运动控制任务；因此，各关节的伺服控制系统，对于水下机械臂的工作性能起着决定性作用；各关节的伺服控制系统必须具有良好的鲁棒性，以满足水下机械臂稳定工作的需求；然而，相较于陆地环境而言水下环境更加复杂，存在随机湍流、极端温度、大压强差、大湿度等特殊条件；综上所述，开发出一套可靠性高，稳定性强，定位精度高的关节伺服控制系统装置，使其可以满足水下湍流及外部扰动环境下的机械臂稳定运行及控制，依然是目前各国研究人员的研究重点问题；通过提高水下机械臂的性能，可以大幅提高人类水下工作的作业效率；对帮助维护深海探潜，国防建设，海洋生态等方面具有重要意义。
2、现有的国内，外水下机械臂关节大多采用了模块化设计；即机械臂的各关节分别通过主机通讯总线独立控制运动每个关节单元内部的机械结构和伺服控制系统基本一致；各关节单元内部利用多种传感器得到关节的实时信息并实时反馈给主机；并根据主机的命令进行动作，完成水下作业的各种任务；水下机械臂关节伺服控制目前主要有两种驱动方式，分别为通过电气伺服驱动和油压伺服驱动；两者相比油压伺服驱动具有工作范围大，负载能力强，尺寸大，响应速度快等特点；能够吸收较大的水流冲击力，抵抗水下高压强，对工作环境要求较低，可以在深海水域进行复杂的作业任务；但由于油压伺服控制系统内部主要工作介质为矿物油，当在深海工作时，由于水下环境导致的外部压力过高且温度过低，矿物油的性能也会因此而发生变化；这种内部变化会使整体伺服控制系统稳定性变差，所以在使用油压伺服控制系统时需要着重考虑外部环境对水下机械臂整体系统装置的影响；不同于油压伺服控制系统，电气伺服控制系统是关节内部通过电机-减速器的主体驱动结构，配合连接轴和轴承将接收到的电信号转变为机械势能，达到完成目标位置，速度及加速度的运动控制功能；这种控制方式的水下机械臂结构较为简单，速度范围会更大，位置控制精度及速度控制精度会更高，抗干扰性强，稳定性更好；因此本发明选用了电气伺服控制系统，在电气伺服控制系统中，常用的电机主要有交流电机、直流电机和步进电机等；由于交流伺服电机具有控制更平滑、效率更高、速度控制性能更好，位置控制精度更高等优势；因此，本发明的电气伺服控制系统选择使用交流伺服电机作为驱动结构。
3、本发明公开一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，利用双霍尔位置传感器，永磁同步电机，将采集位置数据融合与电机减速器组成了位置采集发送伺服控制驱动系统，可以稳定地控制水下机械臂关节进行精确运动，同时结构上保证了在水下环境具有良好地密封性，进一步优化水下机械臂关节在运动控制自动化仪器中的应用。
技术实现思路
1、本发明旨在解决现有水下机械臂作业系统中存在的，关节结构复杂，定位精度低，操纵困难等问题；为此，本发明在考虑了水下工作环境要求的情况下，提出了一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置；本发明所公开的这种装置具有结构简单，操纵灵活，定位精度高等优点；在关节内部使用双霍尔位置传感器，磁栅码盘，谐波减速器，永磁同步电机等，设计组成简单且具有较强鲁棒性机械传动系统，解决了现有关节结构复杂的问题；通过双霍尔位置传感器测量安装在减速器和电机端面的磁栅码盘得到减速器和电机的位置信息，将采集位置数据融合，并解算出电机和减速器实时位置，采集发送给主机解决了定位精度差的问题；根据本发明实施例的一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，至少具有如下有益效果：
2、本发明装置利用双霍尔位置传感器，磁栅码盘与永磁同步电机配合工作，通过传感器电路将采集到的位置信息发送给控制电路，控制电路收到信息后对电机发送控制信息；并且，装置在结构上考虑了水下环境因素的影响，设计了特殊工艺可以满足水下密封要求并能够承受最大200米水下压强，整体结构简单，操纵灵活，定位精度高。
3、根据本发明的一些实施例的一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，包括：主机，永磁同步电机，双霍尔位置传感器，磁栅码盘，谐波减速器，o型密封圈，水下密封接头等。
4、根据本发明的一些实施例，永磁同步电机额定输出扭矩为281nm；
5、根据本发明的一些实施例，谐波减速器为高减速比160：1高精度谐波减速器；
6、根据本发明的一些实施例一种水下机械臂关节伺服控制密封系统装置，该装置具体实现过程如下所述：
7、首先，将两块磁栅码盘分别安装在永磁同步电机及谐波减速器端面，而后将永磁同步电机，双霍尔位置传感器与谐波减速器通过传动轴轴向固定在一起；双霍尔位置传感器测量两侧磁栅码盘信息并解算为永磁同步电机和谐波减速器的实时位置信息，而后将位置信息发送给主机；随后，主机向电机驱动器发送控制命令，永磁同步电机接收命令开始进行运动；在此期间，双霍尔位置传感器仍然保持谐波减速器和永磁同步电机位置信息的实时检测，直到满足主机指令要求永磁同步电机停转；此时，关节所在位置即为主机指令位置，从而解决了定位精度差的问题；因为，本发明所公开的一种水下机械臂关节伺服控制密封系统装置，主要应用于深海机械臂关节控制；因此需要考虑水下机械臂关节需要在水下200m的环境进行作业，同时还要考虑深海压强的影响；必须在结构上进行特殊的密封性设计；本发明装置使用了丁晴橡胶材料的直径2mm o型密封圈进行了静密封，这种密封圈的邵尔a硬度为70°，将密封圈放置在关节安装零件贴合处的沟槽中，这种设计可以保证关节系统能够承受最大5mpa的水下压强；此外，还通过能够承受最大水压压强为15mpa的旋转泛塞封进行动密封，这种放置在两个相对运动面的旋转泛塞封可以保证电机在与上运动面运动的同时，旋转泛塞封跟随下运动面运动，当旋转泛塞封受到外部海水挤压时，中间弹簧会向外部施加反向力保证关节内部的良好密封性；关节与主机之间同样使用了特制水下密封接头进行通信信号线与电源线的连接，在密封接头的安装处也用o型密封圈进行密封；除上述三种密封结构设计外，关节还会在使用前将内部的空气抽空，使内部保持真空状态，然后将绝缘密封油充入到关节内部中，保证关节腔内部充满绝缘密封油，这种绝缘密封油在內部的压强起到了平衡外部海水压强的作用，达到关节腔内外压强动态平衡的状态，进一步加强了密封性。
8、与现有技术相比，本发明的特点是：
9、一直以来，水下机械臂关节电机伺服控制研究体系存在结构复杂，定位精度差等问题；这主要是因为传统电机使用编码器进行角度定位识别，在水下机械臂关节结构中这种设计会使关节内部结构构型复杂，而本发明利用设计的双霍尔位置传感器获取永磁同步电机实时位置，这种设计既可以简化关节的内部结构又可以提高关节的定位精度，同时还可以与主机进行良好的通信连接，达到实时控制的效果；同时，本发明中所采用的动静密封相结合的结构，与关节腔内部充油使内外部压强平衡的设计可以保证水下机械臂关节在水下200m良好稳定地工作；与以往技术相比，本发明所提出的方案在水下环境工作更稳定，结构更简单，定位精度更高。
1.一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于，包括以下几部分：
2.根据权利要求1中所述一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于：所述关节壳体(2)为6061铝制材质较轻，且具备较高结构强度，配合水密接头(9)以及o型密封圈(10)实现水下200m的静密封性能。
3.根据权利要求1中所述一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于：所述绝缘密封油(4)整体填充进关节壳体(2)内部，以起到平衡关节内外压及进一步绝缘密封的作用。
4.根据权利要求1中所述一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于：所述永磁同步电机(5)为空心环形绕组电机，永磁同步电机(5)端部安装有一片磁栅码盘(7)配合双霍尔位置传感器(8)用于永磁同步电机(5)的精确定位。
5.根据权利要求1中所述一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于：所述谐波减速器(6)的减速比为160：1，谐波减速器(6)端部安装有一片磁栅码盘(7)配合双霍尔位置传感器(8)用于谐波减速器(6)的精确定位。
6.根据权利要求1中所述一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于：双霍尔位置传感器(8)由一块环形pcb电路板，配合两片霍尔位置传感器共同构成，其中两片霍尔位置传感器分别对称贴在一块环形pcb电路板正反两面。
7.根据权利要求1中所述一种水下机械臂关节伺服控制系统及其密封装置，其特征在于：所述绝缘密封油(11)整体填充进关节壳体(2)内部，以起到平衡关节内外压及进一步绝缘密封的作用。
