【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种三自由度球形电机与驱动方法，特别涉及一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机与驱动方法。
技术介绍
1、目前，球形电机是一种能通过单一转子实现多旋转自由度运动的新型驱动装置，相比于通过串联多台电机增加自由度的方法，它能够显著降低结构尺寸与复杂程度，减小系统功耗与控制难度，具有体积小、结构紧凑、运动灵活等优点。
2、当前，球形电机的研究多基于传统电磁电机，通过在球形定子中按照球形阵列嵌入电磁线铁，构建可多自由度旋转的磁场，带动动子旋转。例如专利cn202110137434.6，定子球壳内表面安装沿经度、纬度方向布置的电磁铁，且各电磁铁均指向定子球壳球心，另外球形动子外表面也安装有阵列分布的铁块。然而，这种方式需要用到大量电磁铁与铁芯，不利于球形电机的小型化，同时由于球形电机不便安装减速机构，限制了电磁驱动的驱动力和定位精度，这严重制约了球形电机在精密机器人、精密仪器等领域中的应用价值。
3、为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，利用压电元件提供高精度和大输出力，通过阵列式驱动单元调控转矩方向，实现三自由度驱动功能，通过阵列式驱动单元的协同驱动调控驱动摩擦力，提高摩擦传动效率以实现高速运动，另外阵列式驱动单元的同步动作可提供精密定位功能与高扭矩输出。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的是为了解决现有的球形电机不便安装减速机构，限制了电磁驱动的驱动力和定位精度，这严重制约了球形电机在精密机器人、精密仪器等领
2、本专利技术提供的基于阵列式压电单元的三自由度球形电机包括有外壳、动子、驱动单元和控制单元，其中动子装配在外壳的内腔中，驱动单元设置有数个，数个驱动单元嵌设在外壳的壳壁上，数个驱动单元均与动子相抵靠，数个驱动单元能够驱使动子按任意角度进行运动，动子通过数据传输单元与控制单元相连接，数据传输单元能够把采集的动子运动数据实时传输给控制单元，控制单元还分别与数个驱动单元相连接，控制单元根据数据传输单元的传输数据指令数个驱动单元驱使动子按设定角度运动。
3、外壳为半球型结构，外壳的顶部装配有限位端盖，限位端盖的周圈开设有数个限位孔，每个限位孔内均插设有球头柱塞，球头柱塞的球头端与动子相抵靠，球头柱塞用于动子的限位，外壳的壳壁周圈开设有与驱动单元数量相应的安装孔，驱动单元装配在安装孔内。
4、动子为球型空心结构，空心部位用于装配数据传输单元，动子与控制单元之间的数据传输单元为位移传感器，位移传感器与控制单元之间为无线通讯连接。
5、驱动单元两两相对在外壳的周圈装配有数个，每个驱动单元均是由压电弯曲变形元件、压电剪切变形元件和驱动足组成，其中压电弯曲变形元件设置在底部，压电剪切变形元件和驱动足依次连接在压电弯曲变形元件的顶面上，压电弯曲变形元件、压电剪切变形元件和驱动足之间相粘贴，驱动足与动子相对的顶面上装配有圆形凸起，圆形凸起的顶部与动子相抵靠，压电弯曲变形元件和压电剪切变形元件的输出位移通过驱动足传递到动子上从而驱使动子进行设定角度的运动，压电弯曲变形元件的底部与外壳的壳壁接触部位装配有预紧螺盖，预紧螺盖与外壳的壳壁之间相螺接，预紧螺盖用于驱动单元的压紧固定。
6、控制单元为上位机，上位机能够输出驱动单元所需控制信号，上位机的输出信号为锯齿波、方波或正弦波，上位机与每个驱动单元之间的连接线路上均装配有功率放大器，上位机输出的控制信号经功率放大器后施加至驱动单元中的压电弯曲变形元件和压电剪切变形元件并产生设定位移，从而使压电弯曲变形元件和压电剪切变形元件驱使动子按设定角度进行旋转，动子进行旋转时的位移由动子内部的位移传感器测量，位移测量方式为机器视觉定位或者陀螺仪反馈，位移传感器将测量到的动子位移数据实时传递至上位机。
7、上述的位移传感器、压电弯曲变形元件、压电剪切变形元件、驱动足、上位机和功率放大器均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。
8、本专利技术提供的基于阵列式压电单元的三自由度球形电机的驱动方法，其方法包括的步骤如下：
9、步骤一、根据驱动单元的横纵分布阵列设定运动坐标系o-xyz，其中o为动子球心，驱动单元一列与x轴重合，另一列与y轴重合，z轴与x轴和y轴互相垂直，指向电机上方；
10、步骤二、球形电机绕x轴旋转运动时，控制单元指令x轴上各驱动单元中的压电弯曲变形元件产生远离动子的变形，降低x轴驱动单元阵列对动子的摩擦阻碍作用；
11、步骤三、根据驱动目的不同分为两种驱动方案，分别为精确定位与快速驱动；
12、步骤四、精确定位模式下，控制单元直接控制y轴驱动单元阵列中各压电剪切变形元件的y轴剪切变形，并通过驱动足驱动动子产生精密角位移；
13、步骤五、快速驱动模式下，控制单元指令y轴各驱动单元配合工作，各驱动单元运动轨迹一致但相位不同，各驱动单元运动轨迹为：首先压电弯曲变形元件产生朝向动子的变形，增加y轴驱动单元与动子之间的接触力，提高驱动能力，然后控制单元指令压电剪切变形元件产生沿y轴方向的位移，驱动动子旋转，之后使压电弯曲变形元件产生远离动子的变形，减小y轴驱动单元与动子之间的接触力，削弱后续压电剪切变形元件复位时对动子的反向驱动作用，最后控制单元指令压电剪切变形元件复位，设y轴驱动单元数量为m，则将各驱动单元的相位差设定为2π/m，并依次递增，各驱动足协同驱动实现行波驱动的方式，增强驱动能力；
14、步骤六、球形电机绕y轴旋转运动与球形电机绕x轴运动基本一致，区别之处在于控制单元指令y轴上各驱动单元中的压电弯曲变形元件产生远离动子的变形，降低y轴驱动单元阵列对动子的摩擦阻碍作用，同时受控单元改变为x轴驱动单元阵列；
15、步骤七、球形电机绕z轴旋转运动时，控制方式做出的调整为：x轴和y轴驱动单元共同动作，x轴驱动单元阵列中的压电剪切变形元件产生y轴变形，y轴驱动单元阵列中的压电剪切变形元件产生x轴变形。
16、本专利技术的装配结构原理：
17、本专利技术提供的基于阵列式压电单元的三自由度球形电机中的动子装配在外壳的内腔中，但并不与外壳的内壳壁产生接触，动子与数个驱动足顶部的圆形凸起接触，并由驱动足阵列驱动，作为球形电机位移与力的输出部分，动子设计成空心结构装配位移传感器等器件，或者增加连接螺纹与驱动负载连接；
18、限位端盖装配在外壳的顶部，连接方式采用螺纹连接，限位端盖起到将动子固定在外壳内腔中的作用，限位端盖的周圈开设有限位孔，用于球头柱塞的装配；
19、外壳作为球形电机主体，起到容纳各组成部分、令各部分协调工作的作用，外壳的壳壁上开设有数个安装孔用于装配驱动单元中的驱动足、压电剪切变形元件和压电弯曲变形元件，外壳的壳壁上还开设有与限位端盖和预紧螺盖相匹配的螺纹孔；
20、预紧螺盖装配于外壳壳壁安装孔的外侧，预紧螺盖与安装孔的连本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：包括有外壳、动子、驱动单元和控制单元，其中动子装配在外壳的内腔中，驱动单元设置有数个，数个驱动单元嵌设在外壳的壳壁上，数个驱动单元均与动子相抵靠，数个驱动单元能够驱使动子按任意角度进行运动，动子通过数据传输单元与控制单元相连接，数据传输单元能够把采集的动子运动数据实时传输给控制单元，控制单元还分别与数个驱动单元相连接，控制单元根据数据传输单元的传输数据指令数个驱动单元驱使动子按设定角度运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的外壳为半球型结构，外壳的顶部装配有限位端盖，限位端盖的周圈开设有数个限位孔，每个限位孔内均插设有球头柱塞，球头柱塞的球头端与动子相抵靠，球头柱塞用于动子的限位，外壳的壳壁周圈开设有与驱动单元数量相应的安装孔，驱动单元装配在安装孔内。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的动子为球型空心结构，空心部位用于装配数据传输单元，动子与控制单元之间的数据传输单元为位移传感器，位移传感器与控制单
4.根据权利要求1所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的驱动单元两两相对在外壳的周圈装配有数个，每个驱动单元均是由压电弯曲变形元件、压电剪切变形元件和驱动足组成，其中压电弯曲变形元件设置在底部，压电剪切变形元件和驱动足依次连接在压电弯曲变形元件的顶面上，压电弯曲变形元件、压电剪切变形元件和驱动足之间相粘贴，驱动足与动子相对的顶面上装配有圆形凸起，圆形凸起的顶部与动子相抵靠，压电弯曲变形元件和压电剪切变形元件的输出位移通过驱动足传递到动子上从而驱使动子进行设定角度的运动，压电弯曲变形元件的底部与外壳的壳壁接触部位装配有预紧螺盖，预紧螺盖与外壳的壳壁之间相螺接，预紧螺盖用于驱动单元的压紧固定。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的控制单元为上位机，上位机能够输出驱动单元所需控制信号，上位机的输出信号为锯齿波、方波或正弦波，上位机与每个驱动单元之间的连接线路上均装配有功率放大器，上位机输出的控制信号经功率放大器后施加至驱动单元中的压电弯曲变形元件和压电剪切变形元件并产生设定位移，从而使压电弯曲变形元件和压电剪切变形元件驱使动子按设定角度进行旋转，动子进行旋转时的位移由动子内部的位移传感器测量，位移测量方式为机器视觉定位或者陀螺仪反馈，位移传感器将测量到的动子位移数据实时传递至上位机。
6.一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机的驱动方法，其特征在于：其方法包括的步骤如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：包括有外壳、动子、驱动单元和控制单元，其中动子装配在外壳的内腔中，驱动单元设置有数个，数个驱动单元嵌设在外壳的壳壁上，数个驱动单元均与动子相抵靠，数个驱动单元能够驱使动子按任意角度进行运动，动子通过数据传输单元与控制单元相连接，数据传输单元能够把采集的动子运动数据实时传输给控制单元，控制单元还分别与数个驱动单元相连接，控制单元根据数据传输单元的传输数据指令数个驱动单元驱使动子按设定角度运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的外壳为半球型结构，外壳的顶部装配有限位端盖，限位端盖的周圈开设有数个限位孔，每个限位孔内均插设有球头柱塞，球头柱塞的球头端与动子相抵靠，球头柱塞用于动子的限位，外壳的壳壁周圈开设有与驱动单元数量相应的安装孔，驱动单元装配在安装孔内。
3.根据权利要求1所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的动子为球型空心结构，空心部位用于装配数据传输单元，动子与控制单元之间的数据传输单元为位移传感器，位移传感器与控制单元之间为无线通讯连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于阵列式压电单元的三自由度球形电机，其特征在于：所述的驱动单元两两相对在外壳的周圈装配有数个，每个驱...
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