三自由度电磁机器的控制系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及三自由度电磁机器控制系统和方法，更具体地涉及一种多自由度电磁机器，该电磁机器包括定子、电枢和控件。定子包括第一、第二和第三定子导体，这些定子导体遵循均不同的第一、第二和第三轨迹并且共同地形成表面的总体形状。电枢被设置成与定子相邻并且可相对于定子而运动并且包括多个间隔的电枢线圈。各电枢线圈构造成当被通电时产生磁场。控件联接到第一、第二和第三定子导体及电枢线圈，并且构造成：（i）给定子导体提供直流电并且（ii）给电枢线圈中的一个或多个提供直流电，由此产生与定子导体相互作用的一个或多个磁场且改变该一个或多个磁场相对于定子导体的取向。

【技术实现步骤摘要】
三自由度电磁机器的控制系统和方法
本专利技术总体上涉及电磁机器，更具体地涉及用于在三个自由度中控制电磁机器的系统和方法。
技术介绍
众所周知，目前可获得的被设计用于使一个物体在多于一个的自由度（DoF）中运动的运动控制系统包括用于各自由度的独立的马达或致动器。更具体地，需要至少两个马达或致动器来执行2自由度的运动，需要至少三个马达或致动器来执行3自由度运动，依此类推。因而，牵涉到多于一个的自由度的机构往往是稍微大且笨重的，因此是低效率的。虽然近年来电子学和传感器技术已显著地变得小型化，但机械运动技术并未及时跟上。这就是例如平移（pan）/倾斜机构的运动系统通常不被用在例如微型或小型UAV（无人驾驶飞行器）和小卫星的较小平台上的原因。依赖于多自由度运动控制的机器人系统必须完全容忍当前运动叠加（motion-on-motion）系统的固有的低效率。在名称为“GlobalPointingActuator”的美国专利第7,675,208号中公开了上述问题的一个解决方案。在该专利中所公开的致动器包括球形定子，该定子具有缠绕在其上的“纬度线圈”和“经度线圈”。然而，该致动器也表现出某些缺点。例如，虽然通过给一个或两个线圈提供直流电（DC）可以使其相关的电枢和因此联接到电枢的装置在两个自由度上运动，但该致动器不能在三个自由度中如此执行。因此，对于与已知装置相比相对较小、较不笨重且更有效率并且/或者可以在三个自由度上同时地进行控制的多自由度的机电机器存在着需求。本专利技术满足了这些需求。
技术实现思路
本
技术实现思路
是用于以简化的方式来描述选择的概念，下面将在具体实施方式中对这些选择概念作进一步描述。本
技术实现思路
并非意图确定要求保护的主题的主要或基本特征，也并非意图用于帮助确定要求保护的主题的范围。在一个实施例中，多自由度电磁机器包括：定子、电枢和控件。定子包括第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体。第一定子导体遵循第一总体轨迹（generaltrajectory），第二定子导体遵循不同于第一总体轨迹的第二总体轨迹，第三定子导体遵循不同于第一和第二总体轨迹的第三总体轨迹。第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体共同地形成表面的总体形状（generalshape）。电枢被设置成与定子相邻并且可相对于定子而运动。电枢包括多个间隔的电枢线圈。各电枢线圈构造成当被通电时产生磁场。控件联接到第一、第二和第三定子导体，并且联接到电枢线圈。控件构造成：（i）将直流电（DC）提供至第一、第二和第三定子导体，和（ii）将DC提供至电枢线圈的一个或多个，由此产生与定子导体相互作用的一个或多个磁场并且改变该一个或多个磁场相对于定子导体的取向，由此导致电枢围绕一个或多个垂直轴线相对于定子发生期望的旋转。在另一个实施例中，多自由度电磁机器包括：球形定子、第一定子导体、第二定子导体、第三定子导体、电枢和控件。球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，其中第一、第二和第三对称轴线彼此垂直地设置。第一定子导体围绕第一对称轴线被设置在球形结构上，第二定子导体围绕第二对称轴线被设置在球形结构上，第三定子导体围绕第三对称轴线被设置在球形结构上。电枢被设置成与定子相邻并且可相对于定子运动。电枢包括多个间隔的电枢线圈，并且各电枢线圈改造成当被通电时产生磁场。控件联接到第一、第二和第三定子导体及电枢线圈。控件构造成：（i）将直流电（DC）提供至第一、第二和第三定子导体，并且（ii）将DC提供至电枢线圈的一个或多个，由此产生与定子导体相互作用的一个或多个磁场并且改变该一个或多个磁场相对于定子导体的取向，由此导致电枢围绕一个或多个垂直轴线相对于定子发生期望的旋转。在又一个实施例中，提供一种控制包括定子和电枢的多自由度电磁机器的方法；其中定子包括第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体，其中第一定子导体遵循第一总体轨迹，第二定子导体遵循不同于第一总体轨迹的第二总体轨迹，第三定子导体遵循不同于第一和第二总体轨迹的第三总体轨迹，并且其中第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体共同地形成表面的总体形状；并且其中电枢被设置成与定子相邻并且可相对于定子运动并且包括多个间隔的电枢线圈；该方法包括：可控制地将直流电（DC）提供至第一、第二和第三定子导体中的一个或多个，并且可控制地将DC提供至电枢线圈的一个或多个，由此产生与定子导体相互作用的一个或多个磁场并且改变一个或多个磁场相对于定子导体的取向，由此导致电枢围绕一个或多个垂直轴线相对于定子发生期望的旋转。此外，基于随后的详细描述和所附权利要求并结合附图和前面的
技术介绍
，多自由度电磁机器的其它可取特征和特性将变得清楚。附图说明在下文中将结合下面的附图来描述本专利技术，其中类似的附图标记代表类似的元件，并且其中：图1示出了多自由度电磁机器的一个示例性实施例的简化剖视图；图2示出了多自由度电磁机器的另一个实施例的一部分的简化图示；图3示出了球形结构的一个实施例的透视图，其中直交布置的导体组设置在该球形结构上；图4-图6示出了图1的多自由度电磁机器的简化剖视图，图示说明了如何围绕各种轴线形成旋转；图7和图8示出了多自由度电磁机器的另一个实施例的简化图示；图9示出了可用于控制本文中所描述电磁机器的控制系统的多自由度的功能方框图。具体实施方式以下的详细描述在本质上只是示例性的而并非意图限制本专利技术或者本专利技术的应用和使用。本文中所使用的词语“示例性的”表示“用作实例、例子、或例释”。因此，在本文中被描述为“示例性”的任何实施例不必被理解成相对于其它实施例是优选的或有利的。本文中所描述的全部实施例是使本领域技术人员能够制作或利用本专利技术而不是限制由权利要求限定的本专利技术范围的示例性实施例。此外，没有意图受在前面的
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技术介绍
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技术实现思路
、或下面的详细描述中所给出的任何明示或暗示原理的约束。在这方面，应注意的是本文中所公开的多自由度机器是为了便于解释和说明，通常被描述为用作马达。然而，本领域技术人员应理解的是所公开的机器也可用作利用外力使电枢运动并引起在导体中的电流的发电机，或传感器（例如，基于所产生反EMF的速率传感器）、或许多其他装置。也应注意的是，尽管部分的导体可被图示为弯曲的，但这仅仅是用来表示三维（3D）球形形状。现在参照图1，图中示出了多自由度电磁机器100的一个实施例的简化剖视图，该多自由度电磁机器100包括定子102和电枢104。定子102包括第一定子导体106、第二定子导体108和第三定子导体110。应当理解的是，定子导体106、108、110各自是由许多类型和形状的导电材料中的任一种材料所构成，并且可使用这些导电材料中的一种或多种材料而实现。还应理解的是，定子导体106、108、110可各自使用一种不连续的邻接导体或使用多种导体而实现，并且可例如利用增材技术（例如，印刷导体）或减材（例如，PWB蚀刻）技术而形成，并且可以是导电的线、带、或板，这里仅仅是举出几个非限制性例。无论所使用材料的数量、构造、实施方案、或类型如何，定子导体106、108、110被设置成使得各自遵循不同的总体轨迹。具体地，可看到第一定子导体106遵循第一总体轨迹，第二定子导体108遵循不同于第一总体轨迹的第二总体轨迹，第三定子导体110遵循不同于第一和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度电磁机器，包括：包括第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体的定子，所述第一定子导体遵循第一总体轨迹，所述第二定子导体遵循不同于所述第一总体轨迹的第二总体轨迹，所述第三定子导体遵循不同于所述第一和第二总体轨迹的第三总体轨迹，所述第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体共同地形成表面的总体形状；设置成与所述定子相邻并且能够相对于所述定子运动的电枢，所述电枢包括多个间隔的电枢线圈，各电枢线圈构造成当被通电时产生磁场；和联接到所述第一、第二和第三定子导体并联接到所述电枢线圈的控件，所述控件构造成：（i）将直流电提供至所述第一、第二和第三定子导体，并且（ii）将直流电提供至所述电枢线圈中的一个或多个，由此产生与所述定子导体相互作用的一个或多个磁场并且改变所述一个或多个磁场相对于所述定子导体的取向，由此导致所述电枢围绕一个或多个垂直轴线相对于所述定子发生期望的旋转。

【技术特征摘要】
2016.12.05 US 15/3690231.一种多自由度电磁机器，包括：包括第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体的定子，所述第一定子导体遵循第一总体轨迹，所述第二定子导体遵循不同于所述第一总体轨迹的第二总体轨迹，所述第三定子导体遵循不同于所述第一和第二总体轨迹的第三总体轨迹，所述第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体共同地形成表面的总体形状；设置成与所述定子相邻并且能够相对于所述定子运动的电枢，所述电枢包括多个间隔的电枢线圈，各电枢线圈构造成当被通电时产生磁场；和联接到所述第一、第二和第三定子导体并联接到所述电枢线圈的控件，所述控件构造成：（i）将直流电提供至所述第一、第二和第三定子导体，并且（ii）将直流电提供至所述电枢线圈中的一个或多个，由此产生与所述定子导体相互作用的一个或多个磁场并且改变所述一个或多个磁场相对于所述定子导体的取向，由此导致所述电枢围绕一个或多个垂直轴线相对于所述定子发生期望的旋转。2.如权利要求1所述的机器，还包括：联接到所述电枢的多个永磁体，各电枢线圈与所述永磁体的一个或多个是相关的。3.如权利要求1所述的机器，其中，所述第一定子导体、所述第二定子导体和所述第三定子导体中的一个或多个包括多个导电段；并且所述导电段中的每个包括预定长度的导体。4.如权利要求1所述的机器，其中，所述第一定子导体、所述第二定子导体和...

【专利技术属性】
技术研发人员：P班德拉，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国,US