機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，包括第一自由度電機、第二自由度電機和輸出軸，第一自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)，且所述第一自由度電機以其圓柱狀結(jié)構(gòu)的底面直徑方向為轉(zhuǎn)軸，繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；第二自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述第一自由度電機的外沿，且其軸心與所述第一自由度電機的軸心垂直正交，所述第二自由度電機以第一自由度電機的軸心為轉(zhuǎn)軸，繞其轉(zhuǎn)動；第二自由度電機隨著第一自由度電機轉(zhuǎn)動的過程中由保持相對于第一自由度電機的獨立運動，使得設(shè)置在其外側(cè)的輸出軸實現(xiàn)兩個自由度的運動。本發(fā)明專利技術(shù)有利于縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、提升產(chǎn)品的性能，進(jìn)一步推動多(兩)自由度電動機的實用化、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機。
技術(shù)介紹
機器人近些年發(fā)展迅速，能夠替代人員去執(zhí)行一些困難、危險或?qū)θ松斫】涤袀Φ娜蝿?wù)，但是，傳統(tǒng)的異步電動機、同步電動機，只有轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)這一個自由度，通過齒輪或者蝸桿的配合可以將這一旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動。在很多場合中，直線或者旋轉(zhuǎn)運動就足夠滿足被控制對象的需要；但是在一些比較復(fù)雜的運動場合或任務(wù)(如機器人手臂的控制、雷達(dá)的定位控制等)，需要機器人進(jìn)行靈活動作，一個自由度不能滿足需要，必需要有多個電動機的配合使用才能達(dá)到目的。但是，如果由多臺電動機實行控制就會產(chǎn)生很多的問題，如機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積和重量增加、精度和動態(tài)特性難以保證等。正是由于在多自由度控制中如果采用多臺電動機控制存在諸多缺陷，人們便逐漸開始研究是否能夠?qū)⒁慌_電動機做成多自由度的，使之能夠模擬被控對象所要實現(xiàn)的運動軌跡。多自由度電動機指具有兩個或三個旋轉(zhuǎn)自由度，可以繞過定點的空間軸線旋轉(zhuǎn)的電動機。它具有機械集成度高、電動機結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等特點，在具有多個運動自由度的機械系統(tǒng)中，一臺多自由度電動機可以代替兩臺或多臺單自由度電動機，可以大大簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，從而提高系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，提高性能價格比。因此多自由度電動機在機器人、多坐標(biāo)機械加工中心、航天飛行器、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、人體假肢、醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景攝影操作臺、攪拌機、球形閥等具有多個運動自由度的設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。多自由度電動機的研究起源于五十年代，到了八十年代中期，空間技術(shù)、機器人及自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了多自由度電動機研究的發(fā)展，各種工作原理和不同結(jié)構(gòu)的多自由度電動機層出不窮，對其研究也進(jìn)入了高潮階段。20世紀(jì)50年代初，為改善感應(yīng)電動機的調(diào)速性能，英國E.C.Williams等人研制了一種變速球形感應(yīng)電動機，該電機的定轉(zhuǎn)子都是可動的，可以說是多自由度電機的雛形。與此同時，前蘇聯(lián)學(xué)者研制出一種自整角原理的三自由度電動機。自此后直到80年代初期，多自由度電動機的研究處于低潮，主要研究成果有N.S.Bers的球形繞組電動機專利，I.Laing和N.Laing的球形電動機泵專利，以及球形電動機在陀螺方面的應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，機器人和空間技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了多自由度電動機研究的發(fā)展，同時電機新材料的出現(xiàn)和制造工藝水平的提高、電機理論和自動控制理論研究的深入以及電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，為多自由度電動機本體制造及其驅(qū)動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了有利的條件。此后，美國、日本和歐洲等地學(xué)者的研究工作十分活躍，各種工作原理和不同結(jié)構(gòu)的多自由度電動機層出不窮，比較典型的有法國的A.Foggia等人研制的外轉(zhuǎn)子兩自由度球形感應(yīng)電動機、美國G.J.Vanchtsevanos等人研制的三自由度球形感應(yīng)電動機、美國Kok-MengLee等人研制的球形步進(jìn)電動機、A.R.Miles等人研制的三相自整角原理的兩自由度球形電動機、日本的K.Kaneko等人研制的三自由度球形直流伺服電動機、日本電氣精器公司提出的框架結(jié)構(gòu)兩自由度電動機等等。我國對多自由度電動機的研究始于20世紀(jì)80年代后期，雖然起步較晚，但國家有關(guān)部門非常重視，863計劃和國家自然科學(xué)基金都資助過多自由度電動機方面的研究項目。主要研究成果有西北工業(yè)大學(xué)研制了一種三自由度球形電動機，華中理工大學(xué)研制了一臺三自由度球形感應(yīng)電動機，浙江大學(xué)基于日本電氣精器公司提出的框架結(jié)構(gòu)兩自由度電動機原理研制了一種用于機器人球關(guān)節(jié)的正交結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出了一種正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機，山東大學(xué)研制出了一種用于驅(qū)動機器人仿生眼球的仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電動機。縱觀前人所做的工作，多自由度結(jié)構(gòu)電動機樣機的種類雖然較多，但大部分還不十分完善，仍處于實驗室研究階段，距實際應(yīng)用還存在一定的距離。其中，傳統(tǒng)球形結(jié)構(gòu)的多自由度電動機制造和加工工藝比較困難，且電動機控制系統(tǒng)過于復(fù)雜，必須安裝位置檢測裝置以構(gòu)成閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)輸出軸的準(zhǔn)確定位，造成電動機整體體積和重量較大；基于正交結(jié)構(gòu)的兩自由度電動機制造和加工工藝較為成熟，電動機可采用開環(huán)方式進(jìn)行控制，從而省去了位置傳感器、簡化了控制系統(tǒng)、減小了電動機整體體積和重量，但是仍存在一系列難以解決的問題，例如：1.圖1為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機示意圖，該電動機由第1自由度電機1-1和第2自由度電機2-1構(gòu)成，其中，1-1工作于混合式步進(jìn)電動機狀態(tài)，步距角小、開環(huán)定位精度高，2-1工作于永磁式步進(jìn)電動機狀態(tài)，步距角大、開環(huán)定位精度低，因此兩自由度電動機整體定位精度較差。2.圖2為浙江大學(xué)研制的正交結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機示意圖，圖3為山東大學(xué)研制的仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電動機示意圖，兩者均由第1自由度電機1-2、1-3和第2自由度電機2-2、2-3構(gòu)成，且1-2、1-3、2-2、2-3均工作于混合式步進(jìn)電動機狀態(tài)，步距角小、開環(huán)定位精度高，由于2-2、2-3均采用特殊的非圓柱結(jié)構(gòu)電機，轉(zhuǎn)動過程中會在非對稱電磁力和重力影響下產(chǎn)生機械方面的不平衡力，造成電機擾動，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致電機無法正常運行。3.由圖1、圖2可見，此兩種結(jié)構(gòu)兩自由度電動機的第1自由度電機(1-1、1-2)兩端部和第2自由度電機(2-1、2-2)內(nèi)部存在部分空間未得到充分利用，這在一定程度上降低了兩自由度電動機整體的機械集成度。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)為了解決上述問題，提出了一種機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，本專利技術(shù)減小了電磁方面的不平衡力、徹底消除了機械方面的不平衡力，可實現(xiàn)電動機的開環(huán)位置控制，省去位置傳感器，并且即使在開環(huán)位置控制運行條件下，亦可通過采用細(xì)分驅(qū)動電路供電實現(xiàn)較高的定位精度。進(jìn)一步的可以實現(xiàn)驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)和機器人仿生眼球在一定范圍內(nèi)、一定精度下沿任何軌跡運動，而且比多數(shù)傳統(tǒng)的球形多自由度電動機結(jié)構(gòu)更為簡單、更容易加工制造、轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)范圍更大、體積更小、重量更輕、驅(qū)動電路更加簡化、控制方式更為簡單、運行平滑性更好。為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案：機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，包括第一自由度電機、第二自由度電機和輸出軸，其中，所述第一自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，且所述第一自由度電機以其圓柱狀結(jié)構(gòu)的底面直徑方向為轉(zhuǎn)軸，所述第一自由度電機的定子部分在空間靜止不動，而轉(zhuǎn)子部分繞定、轉(zhuǎn)子中心軸線轉(zhuǎn)動；所述第二自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子電機，設(shè)置在所述第一自由度電機的外沿，且將第一自由度電機套裝于其內(nèi)部，且其軸心與所述第一自由度電機的軸心垂直正交，所述第二自由度電機以第一自由度電機的軸心為轉(zhuǎn)軸，繞其轉(zhuǎn)動；所述第二自由度電機隨著第一自由度電機轉(zhuǎn)動的過程中又保持相對于第一自由度電機的獨立運動，使設(shè)置在第二自由度電機外側(cè)的輸出軸實現(xiàn)運行軌跡范圍受限于兩個自由度電機的極限轉(zhuǎn)動角度的運動。所述第一自由度電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，包括轉(zhuǎn)子部分、定子部分和轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)子部分通過轉(zhuǎn)軸設(shè)置在定子部分的中心處，所述轉(zhuǎn)子部分包括環(huán)形永磁體及其兩側(cè)的兩段環(huán)形疊壓轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，定子部分均包括疊壓定子鐵本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，其特征是：包括第一自由度電機、第二自由度電機和輸出軸，其中，所述第一自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，且所述第一自由度電機以其圓柱狀結(jié)構(gòu)的底面直徑方向為轉(zhuǎn)軸，所述第一自由度電機的定子部分在空間靜止不動，而轉(zhuǎn)子部分繞定、轉(zhuǎn)子中心軸線轉(zhuǎn)動；所述第二自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子電機，設(shè)置在所述第一自由度電機的外沿，且將第一自由度電機套裝于其內(nèi)部，且其軸心與所述第一自由度電機的軸心垂直正交，所述第二自由度電機以第一自由度電機的軸心為轉(zhuǎn)軸，繞其轉(zhuǎn)動；所述第二自由度電機隨著第一自由度電機轉(zhuǎn)動的過程中又保持相對于第一自由度電機的獨立運動，使設(shè)置在第二自由度電機外側(cè)的輸出軸實現(xiàn)運行軌跡范圍受限于兩個自由度電機的極限轉(zhuǎn)動角度的運動。

【技術(shù)特征摘要】
1.機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，其特征是：包括第一自由度電機、第二自由度電機和輸出軸，其中，所述第一自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，且所述第一自由度電機以其圓柱狀結(jié)構(gòu)的底面直徑方向為轉(zhuǎn)軸，所述第一自由度電機的定子部分在空間靜止不動，而轉(zhuǎn)子部分繞定、轉(zhuǎn)子中心軸線轉(zhuǎn)動；所述第二自由度電機為圓柱狀結(jié)構(gòu)的外轉(zhuǎn)子電機，設(shè)置在所述第一自由度電機的外沿，且將第一自由度電機套裝于其內(nèi)部，且其軸心與所述第一自由度電機的軸心垂直正交，所述第二自由度電機以第一自由度電機的軸心為轉(zhuǎn)軸，繞其轉(zhuǎn)動；所述第二自由度電機隨著第一自由度電機轉(zhuǎn)動的過程中又保持相對于第一自由度電機的獨立運動，使設(shè)置在第二自由度電機外側(cè)的輸出軸實現(xiàn)運行軌跡范圍受限于兩個自由度電機的極限轉(zhuǎn)動角度的運動。2.如權(quán)利要求1所述的機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，其特征是：所述第一自由度電機為內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，包括轉(zhuǎn)子部分、定子部分和轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)子部分通過轉(zhuǎn)軸設(shè)置在定子部分的中心處，所述轉(zhuǎn)子部分包括環(huán)形永磁體及其兩側(cè)的兩段環(huán)形疊壓轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，定子部分均包括疊壓定子鐵心、定子繞組，定子鐵心內(nèi)側(cè)分布有磁極，極間槽內(nèi)設(shè)有定子繞組。3.如權(quán)利要求1所述的機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，其特征是：所述第二自由度電機為外轉(zhuǎn)子電機，包括轉(zhuǎn)子部分、定子部分和轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)子部分通過轉(zhuǎn)軸設(shè)置在定子部分的中心處，所述轉(zhuǎn)子部分包括環(huán)形永磁體及其兩側(cè)的兩段環(huán)形疊壓轉(zhuǎn)子鐵心，轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)側(cè)均勻布置若干小齒，定子部分均包括疊壓定子鐵心、定子繞組，定子鐵心外側(cè)分布有磁極，極間槽內(nèi)設(shè)有定子繞組。4.如權(quán)利要求2或3所述的機器人用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動機，其特征是：所述轉(zhuǎn)子部分的...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：徐衍亮，魯炳林，馬昕，
申請(專利權(quán))人：山東大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：山東;37