机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机制造技术

本发明专利技术公开了一种机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，第一自由度电机为圆柱状结构，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，绕转轴旋转；第二自由度电机为圆柱状结构，设置在所述第一自由度电机的外沿，且其轴心与所述第一自由度电机的轴心垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的轴心为转轴，绕其转动；第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中由保持相对于第一自由度电机的独立运动，使得设置在其外侧的输出轴实现两个自由度的运动。本发明专利技术有利于缩短产品的研发周期、提升产品的性能，进一步推动多(两)自由度电动机的实用化、产业化和商业化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机。
技术介绍
机器人近些年发展迅速，能够替代人员去执行一些困难、危险或对人身健康有伤害的任务，但是，传统的异步电动机、同步电动机，只有转子旋转这一个自由度，通过齿轮或者蜗杆的配合可以将这一旋转运动变成直线运动。在很多场合中，直线或者旋转运动就足够满足被控制对象的需要；但是在一些比较复杂的运动场合或任务(如机器人手臂的控制、雷达的定位控制等)，需要机器人进行灵活动作，一个自由度不能满足需要，必需要有多个电动机的配合使用才能达到目的。但是，如果由多台电动机实行控制就会产生很多的问题，如机械结构复杂、体积和重量增加、精度和动态特性难以保证等。正是由于在多自由度控制中如果采用多台电动机控制存在诸多缺陷，人们便逐渐开始研究是否能够将一台电动机做成多自由度的，使之能够模拟被控对象所要实现的运动轨迹。多自由度电动机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转的电动机。它具有机械集成度高、电动机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电动机可以代替两台或多台单自由度电动机，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比。因此多自由度电动机在机器人、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、球形阀等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。多自由度电动机的研究起源于五十年代，到了八十年代中期，空间技术、机器人及自动化技术的迅速发展，促进了多自由度电动机研究的发展，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，对其研究也进入了高潮阶段。20世纪50年代初，为改善感应电动机的调速性能，英国E.C.Williams等人研制了一种变速球形感应电动机，该电机的定转子都是可动的，可以说是多自由度电机的雏形。与此同时，前苏联学者研制出一种自整角原理的三自由度电动机。自此后直到80年代初期，多自由度电动机的研究处于低潮，主要研究成果有N.S.Bers的球形绕组电动机专利，I.Laing和N.Laing的球形电动机泵专利，以及球形电动机在陀螺方面的应用。进入20世纪80年代，机器人和空间技术的迅速发展促进了多自由度电动机研究的发展，同时电机新材料的出现和制造工艺水平的提高、电机理论和自动控制理论研究的深入以及电力电子技术和计算机技术的飞速发展，为多自由度电动机本体制造及其驱动控制系统的实现提供了有利的条件。此后，美国、日本和欧洲等地学者的研究工作十分活跃，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，比较典型的有法国的A.Foggia等人研制的外转子两自由度球形感应电动机、美国G.J.Vanchtsevanos等人研制的三自由度球形感应电动机、美国Kok-MengLee等人研制的球形步进电动机、A.R.Miles等人研制的三相自整角原理的两自由度球形电动机、日本的K.Kaneko等人研制的三自由度球形直流伺服电动机、日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机等等。我国对多自由度电动机的研究始于20世纪80年代后期，虽然起步较晚，但国家有关部门非常重视，863计划和国家自然科学基金都资助过多自由度电动机方面的研究项目。主要研究成果有西北工业大学研制了一种三自由度球形电动机，华中理工大学研制了一台三自由度球形感应电动机，浙江大学基于日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机原理研制了一种用于机器人球关节的正交结构两自由度混合式步进电动机，哈尔滨工业大学研制出了一种正交圆柱结构两自由度电动机，山东大学研制出了一种用于驱动机器人仿生眼球的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机。纵观前人所做的工作，多自由度结构电动机样机的种类虽然较多，但大部分还不十分完善，仍处于实验室研究阶段，距实际应用还存在一定的距离。其中，传统球形结构的多自由度电动机制造和加工工艺比较困难，且电动机控制系统过于复杂，必须安装位置检测装置以构成闭环控制，从而实现输出轴的准确定位，造成电动机整体体积和重量较大；基于正交结构的两自由度电动机制造和加工工艺较为成熟，电动机可采用开环方式进行控制，从而省去了位置传感器、简化了控制系统、减小了电动机整体体积和重量，但是仍存在一系列难以解决的问题，例如：1.图1为哈尔滨工业大学研制的正交圆柱结构两自由度电动机示意图，该电动机由第1自由度电机1-1和第2自由度电机2-1构成，其中，1-1工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，2-1工作于永磁式步进电动机状态，步距角大、开环定位精度低，因此两自由度电动机整体定位精度较差。2.图2为浙江大学研制的正交结构两自由度混合式步进电动机示意图，图3为山东大学研制的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机示意图，两者均由第1自由度电机1-2、1-3和第2自由度电机2-2、2-3构成，且1-2、1-3、2-2、2-3均工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，由于2-2、2-3均采用特殊的非圆柱结构电机，转动过程中会在非对称电磁力和重力影响下产生机械方面的不平衡力，造成电机扰动，严重时可能导致电机无法正常运行。3.由图1、图2可见，此两种结构两自由度电动机的第1自由度电机(1-1、1-2)两端部和第2自由度电机(2-1、2-2)内部存在部分空间未得到充分利用，这在一定程度上降低了两自由度电动机整体的机械集成度。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，本专利技术减小了电磁方面的不平衡力、彻底消除了机械方面的不平衡力，可实现电动机的开环位置控制，省去位置传感器，并且即使在开环位置控制运行条件下，亦可通过采用细分驱动电路供电实现较高的定位精度。进一步的可以实现驱动机器人关节和机器人仿生眼球在一定范围内、一定精度下沿任何轨迹运动，而且比多数传统的球形多自由度电动机结构更为简单、更容易加工制造、转子偏转范围更大、体积更小、重量更轻、驱动电路更加简化、控制方式更为简单、运行平滑性更好。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，其中，所述第一自由度电机为圆柱状结构的内转子电机，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，所述第一自由度电机的定子部分在空间静止不动，而转子部分绕定、转子中心轴线转动；所述第二自由度电机为圆柱状结构的外转子电机，设置在所述第一自由度电机的外沿，且将第一自由度电机套装于其内部，且其轴心与所述第一自由度电机的轴心垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的轴心为转轴，绕其转动；所述第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中又保持相对于第一自由度电机的独立运动，使设置在第二自由度电机外侧的输出轴实现运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度的运动。所述第一自由度电机为内转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心外侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁本文档来自技高网...

【技术保护点】
机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，其中，所述第一自由度电机为圆柱状结构的内转子电机，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，所述第一自由度电机的定子部分在空间静止不动，而转子部分绕定、转子中心轴线转动；所述第二自由度电机为圆柱状结构的外转子电机，设置在所述第一自由度电机的外沿，且将第一自由度电机套装于其内部，且其轴心与所述第一自由度电机的轴心垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的轴心为转轴，绕其转动；所述第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中又保持相对于第一自由度电机的独立运动，使设置在第二自由度电机外侧的输出轴实现运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度的运动。

【技术特征摘要】
1.机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，其中，所述第一自由度电机为圆柱状结构的内转子电机，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，所述第一自由度电机的定子部分在空间静止不动，而转子部分绕定、转子中心轴线转动；所述第二自由度电机为圆柱状结构的外转子电机，设置在所述第一自由度电机的外沿，且将第一自由度电机套装于其内部，且其轴心与所述第一自由度电机的轴心垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的轴心为转轴，绕其转动；所述第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中又保持相对于第一自由度电机的独立运动，使设置在第二自由度电机外侧的输出轴实现运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度的运动。2.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述第一自由度电机为内转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心外侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心内侧分布有磁极，极间槽内设有定子绕组。3.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述第二自由度电机为外转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心内侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心外侧分布有磁极，极间槽内设有定子绕组。4.如权利要求2或3所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述转子部分的...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐衍亮，鲁炳林，马昕，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37