[實(shí)用新型]仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201220678092.5
• 申請(qǐng)日: 2012-12-10
• 公開（公告）號(hào): CN203056800U
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐衍亮;魯炳林;馬昕;顧建軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號(hào): H02K16/00
• 分類號(hào): H02K16/00
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 劉乃東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種兩自由度電動(dòng)機(jī)，尤其涉及一種適合于驅(qū)動(dòng)仿生眼球在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)。?

背景技術(shù)

多自由度電動(dòng)機(jī)具有機(jī)械集成度高、電機(jī)結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元件利用率高等特點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，提高系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能，在機(jī)器人等具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。80年代以來，隨著機(jī)器人和空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，多自由度電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用方面的研究日益受到重視，國內(nèi)外學(xué)者的研究工作十分活躍，各種樣機(jī)層出不窮。從現(xiàn)有資料看，國內(nèi)外學(xué)者所研制的多自由度電動(dòng)機(jī)大都采用球形結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)原理上看球形結(jié)構(gòu)較為合理，但存在著如結(jié)構(gòu)復(fù)雜加工困難等缺點(diǎn)。?

鑒于球形結(jié)構(gòu)多自由度電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和加工困難，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種非球形的正交圓柱結(jié)構(gòu)雙氣隙共磁鋼的兩自由度電動(dòng)機(jī)。圖1是傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分解圖，圖2和圖3分別是該樣機(jī)的兩個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖。該電動(dòng)機(jī)由內(nèi)定子Ⅰ28、內(nèi)轉(zhuǎn)子25、外轉(zhuǎn)子Ⅰ24、支撐軸Ⅰ26、底座Ⅰ27、輸出軸Ⅰ23、機(jī)殼33、一對(duì)永磁體Ⅰ31、一對(duì)橫向軸承Ⅰ22、一個(gè)縱向軸承Ⅰ29組成。外轉(zhuǎn)子24由硅鋼片疊壓而成，內(nèi)側(cè)圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置外轉(zhuǎn)子繞組30、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組32，輸出軸23設(shè)置在外轉(zhuǎn)子上方。內(nèi)定子28由兩段鐵心組成，兩段鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距。內(nèi)轉(zhuǎn)子25由永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心組成，永磁體31縱向軸向充磁，兩段鐵心內(nèi)側(cè)齒上設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組。內(nèi)轉(zhuǎn)子外部齒端部及內(nèi)部齒端部分別加工成以橫軸和縱軸為軸線的兩個(gè)相互正交的圓柱面，分別與外轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子齒表面形成同心圓柱。內(nèi)轉(zhuǎn)子與機(jī)殼固定在一起，外轉(zhuǎn)子通過橫向軸承與機(jī)殼安裝在一起，從而外轉(zhuǎn)子可相對(duì)于機(jī)殼轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐軸通過縱向軸承與機(jī)殼安裝在一起，從而機(jī)殼可以相對(duì)于支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)。?

傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的工作原理：當(dāng)外轉(zhuǎn)子的兩相繞組按A—B—-A—-B的順序通電時(shí)，磁通φ1經(jīng)永磁體→一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→外轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心→永磁體形成閉合回路，電機(jī)工作于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的兩相繞組按A—B—-A—-B的順序通電時(shí)，磁通φ2經(jīng)永磁體→一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→兩段內(nèi)定子鐵心→氣隙→另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心→永磁體形成閉合回路，電機(jī)工作于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子連?同外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)定子繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸隨之自轉(zhuǎn)（當(dāng)輸出軸處于豎直位置時(shí)）或側(cè)擺（當(dāng)輸出軸處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)）。磁通φ1和φ2都經(jīng)過永磁體，兩段氣隙公用了一個(gè)永磁體，即雙氣隙共永磁體，因而該電動(dòng)機(jī)利用一個(gè)永磁體、兩組繞組實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)體積較小，具有較高的性能體積比。?

盡管與球形結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)相比，傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)化，更容易加工制造，體積更小，但是其在實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在以下問題：由于外轉(zhuǎn)子工作于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，其步距角即為一個(gè)極距角，而實(shí)際中極距不能太小，否則繞組將無法放置，因而步距角較大，電動(dòng)機(jī)定位精度較低，運(yùn)動(dòng)平滑性較差；實(shí)際運(yùn)行中內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)定子繞縱軸是不能單一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，否則將導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的兩相繞組無法放置。?

同時(shí)，由于驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)要求所用兩自由度電動(dòng)機(jī)的體積更小、質(zhì)量更輕、定位精度更高、運(yùn)行平滑性更好，而且能使眼球（輸出軸末端）在給定范圍內(nèi)一定精度下沿任何軌跡運(yùn)動(dòng)（包括眼球連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)），傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)是不適合于驅(qū)動(dòng)仿生眼球運(yùn)動(dòng)的。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足；提供一種仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)；實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)仿生眼球在一定范圍內(nèi)一定精度下沿任何軌跡、持續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，而且能夠比傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)體積更小、質(zhì)量更輕、定位精度更高、運(yùn)行平滑性更好。?

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：?