專利名稱：向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及的是一種工程中廣泛使用的具有支承驅(qū)動功能的關(guān)節(jié) 系統(tǒng)，屬于機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
球形關(guān)節(jié)在機(jī)器人及機(jī)械手，乃至多坐標(biāo)機(jī)械加工中心、航大飛行器、 電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景 攝影操作臺、攪拌機(jī)、移動機(jī)構(gòu)的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運(yùn) 動自由度的設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)節(jié)系統(tǒng)包括驅(qū)動器、傳動器和 控制器，屬于機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，是整個機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán) 節(jié)，其結(jié)構(gòu)、重量、尺寸對機(jī)器人性能有直接影響。關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要 有1)由液動機(jī)、伺服閥、油泵及油箱等組成的液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)；2) 由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成的氣壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)；3)采用伺服電機(jī)、 減速傳動裝置等組成的電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。從機(jī)器人關(guān)節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀可知， 目前機(jī)器人關(guān)節(jié)通常采用電機(jī)加減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動方式。大多數(shù)關(guān)節(jié)為多自由 度關(guān)節(jié)，而多自由度關(guān)節(jié)的運(yùn)動是通過幾個關(guān)節(jié)通過連桿連接利用平移和 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動協(xié)調(diào)運(yùn)動產(chǎn)生的，往往需要采用多套單自由度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及復(fù) 雜的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)來完成。這樣將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，關(guān)節(jié)摩擦面 磨損嚴(yán)重，效率低下，制造安裝非常困難，運(yùn)動空間范圍小，響應(yīng)遲緩， 動態(tài)性能較差。而且機(jī)械傳動系統(tǒng)誤差的累計(jì)導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)的精度下 降，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有關(guān)節(jié)存在的上述問題，基于磁懸浮技術(shù) 和電機(jī)技術(shù)，提供一種機(jī)械集成度高、結(jié)構(gòu)簡單、無摩擦、無磨損，精度高和動態(tài)性能好，具有可以繞球形轉(zhuǎn)子中心旋轉(zhuǎn)的二自由度或多自由度的 向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其 特征是設(shè)有關(guān)節(jié)本體和檢測控制系統(tǒng)，關(guān)節(jié)本體設(shè)有關(guān)節(jié)的支承機(jī)體、凸
極定子、球形轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)動臂，檢測控制系統(tǒng)設(shè)有DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電 路、開關(guān)功率放大器、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路； 支承機(jī)體為設(shè)有軸向通孔的柱體，在柱體側(cè)面均勻布有至少四個垂直于軸 向通孔的垂面通孔，軸向通孔的一端和至少二個垂面通孔內(nèi)通過端蓋安裝 有凸極定子，其余垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)，柱體側(cè)面的凸極定子 和電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)相互間隔錯開，在安裝凸極定子的端蓋中心孔內(nèi)設(shè)有檢 測轉(zhuǎn)子位置、運(yùn)動速度的傳感器，所有凸極定子的凸極表面構(gòu)成一球形包 絡(luò)內(nèi)表面，球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在球形包絡(luò)內(nèi)表面構(gòu)成的球形空間內(nèi)，球形轉(zhuǎn)子 與轉(zhuǎn)動臂固定為一體，轉(zhuǎn)動臂通過支承機(jī)體軸向通孔另一端伸向外部。
所述的凸極定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，內(nèi)表面開有/W可形 狀相同的凸極面，凸極之間的槽內(nèi)繞有三相或多相通電線圈繞組。
所述的關(guān)節(jié)球形轉(zhuǎn)子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其球表面開有 相互垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的凸極面。 溝槽內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子繞組或電樞繞組的導(dǎo)線或?qū)w。
本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理、簡單、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)球形關(guān)節(jié)的懸浮支承并驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。關(guān)節(jié)工作過程中，由檢測 控制系統(tǒng)的傳感器不斷地檢測轉(zhuǎn)子的位置姿態(tài)(徑向位移和切向位移)，并 對其進(jìn)行調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等信號處理，將處理后轉(zhuǎn)子位置姿態(tài)信 號由DSP數(shù)字控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和控制算法的運(yùn)算，并轉(zhuǎn)換為控制懸浮 和控制旋轉(zhuǎn)的兩組PWM脈沖控制信號，PWM懸浮控制信號控制開關(guān)功率 放大器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源電流隨PWM脈沖信號變化，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)定 子繞組產(chǎn)生的電磁懸浮磁力，以支承關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)子懸浮于平衡位置。PWM旋轉(zhuǎn) 控制信號控制逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源電流隨PWM脈沖信號變化，節(jié)轉(zhuǎn)子按照所給定的角位移 或角速度指令旋轉(zhuǎn)，即在檢測控制系統(tǒng)的主動控制下，關(guān)節(jié)定子繞組將產(chǎn) 生懸浮磁力和磁力矩，支承球形轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮并驅(qū)動轉(zhuǎn)子按給定指令轉(zhuǎn)動。 球形轉(zhuǎn)子與關(guān)節(jié)定子之間實(shí)現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。

圖1是本實(shí)用新型關(guān)節(jié)的支承機(jī)體結(jié)構(gòu)示意圖2是本實(shí)用新型沿圖1中A-A的剖面結(jié)構(gòu)示意圖3是本實(shí)用新型沿圖1中B-B的剖面結(jié)構(gòu)示意圖4是本實(shí)用新型的球形轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)示意圖5是圖4中C-C的剖面結(jié)構(gòu)示意圖6是本實(shí)用新型的凸極定子的結(jié)構(gòu)示意圖7是本實(shí)用新型的凸極定子的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是圖6的俯視結(jié)構(gòu)示意圖9是本實(shí)用新型的工作控制示意圖中l(wèi)球形轉(zhuǎn)子，2凸極定子，3端蓋，4傳感器，5傳感器定位塊， 6支承保護(hù)軸承，7凸極定子，8端蓋，9支承機(jī)體，IO電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)， ll轉(zhuǎn)動臂，12軸向通孔，13、 14、 15垂面通孔，16通電線圈繞組，17凸 極面，18凸極面，19溝槽。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步敘述本實(shí)用新型的實(shí)施案例。
向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，由關(guān)節(jié)的支承機(jī)體9、凸極定子2、球 形轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)動臂11和包括DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、開關(guān)功率放大器、 逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路的檢測控制系統(tǒng)等構(gòu)成， 支承機(jī)體為設(shè)有軸向通孔12的柱體，在柱體側(cè)面均勻布有八個垂直于軸向
通孔的垂面通孔13、 14、 15，軸向通孔的一端和四個垂面通孔內(nèi)通過端蓋 3、 8安裝有凸極定子，其余四個垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)10，柱體 側(cè)面的凸極定子和電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)相互間隔錯開布置，安裝凸極定子的端
5蓋上設(shè)置中心孔，在安裝凸極定子的端蓋中心孔內(nèi)傳感器定位塊5安裝檢 測轉(zhuǎn)子位置、運(yùn)動速度的傳感器4。凸極定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料 制成，內(nèi)表面開有幾何形狀相同的凸極面17，凸極之間的槽內(nèi)繞有三相或 多相通電線圈繞組16。所有凸極定子的凸極面17構(gòu)成一球形包絡(luò)內(nèi)表面， 球形轉(zhuǎn)子1設(shè)置在球形包絡(luò)內(nèi)表面構(gòu)成的球形空間內(nèi)，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動臂 11固定為一體，轉(zhuǎn)動臂通過支承機(jī)體軸向通孔另一端伸向外部。球形轉(zhuǎn)子 1由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其球表面開有相互垂直且連續(xù)的溝槽 19，溝槽將整個球表面分為若干幾何形狀相同的凸極面18，溝槽內(nèi)設(shè)置轉(zhuǎn) 子繞組或電樞繞組的導(dǎo)線或?qū)w。
向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的工作過程關(guān)節(jié)處于停機(jī)狀態(tài)時，由 電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)10中在彈簧力的作用下，將關(guān)節(jié)球形轉(zhuǎn)子1的姿態(tài)鎖定于 平衡位置。關(guān)節(jié)處于無轉(zhuǎn)懸浮時，向磁懸浮主動關(guān)節(jié)系統(tǒng)給定各方向的轉(zhuǎn) 子在平衡位置時的徑向懸浮指令信號和角位移指令信號，同時電磁鐵夾持 機(jī)構(gòu)10銜鐵在電磁力的作用下，松開球形轉(zhuǎn)子l。指令信號與各個傳感器 4檢測的轉(zhuǎn)子姿態(tài)位置信號由DSP數(shù)字控制器進(jìn)行比較和控制算法的運(yùn) 算，并轉(zhuǎn)換為控制懸浮和控制旋轉(zhuǎn)的兩組PWM脈沖控制信號，PWM懸浮 控制信號控制逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源提供給定子通電線圈繞組的 電流，隨PWM脈沖信號變化而調(diào)節(jié)支承球形轉(zhuǎn)子1的懸浮磁力，PWM旋 轉(zhuǎn)控制信號控制逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源提供給定子通電線圈繞組 的電流隨PWM脈沖信號變化而調(diào)節(jié)球形轉(zhuǎn)子的磁力矩，在懸浮磁力和磁 力矩綜合作用下將球形轉(zhuǎn)子1控制在夾持狀態(tài)時的姿態(tài)，以達(dá)到球形轉(zhuǎn)子 不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定懸浮。關(guān)節(jié)懸浮轉(zhuǎn)動時，關(guān)節(jié)在不旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定懸浮基礎(chǔ)上， 輸入沿某個轉(zhuǎn)動自由度方向的角位移和轉(zhuǎn)速指令信號，經(jīng)數(shù)字控制器進(jìn)行 信號調(diào)節(jié)后輸出PWM旋轉(zhuǎn)控制信號，去調(diào)節(jié)控制逆變器的各功率晶體管， 使經(jīng)過穩(wěn)壓整流電路整流的直流電源由逆變器按照PWM脈沖控制信號規(guī) 律向關(guān)節(jié)繞組供電，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子按所給指令要求旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求1、一種向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其特征是設(shè)有關(guān)節(jié)本體和檢測控制系統(tǒng)，關(guān)節(jié)本體設(shè)有關(guān)節(jié)的支承機(jī)體、凸極定子、球形轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)動臂，檢測控制系統(tǒng)設(shè)有DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、開關(guān)功率放大器、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路；支承機(jī)體為設(shè)有軸向通孔的柱體，在柱體側(cè)面均勻布有至少四個垂直于軸向通孔的垂面通孔，軸向通孔的一端和至少二個垂面通孔內(nèi)通過端蓋安裝有凸極定子，其余垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)，柱體側(cè)面的凸極定子和電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)相互間隔錯開，在安裝凸極定子的端蓋中心孔內(nèi)設(shè)有檢測轉(zhuǎn)子位置、運(yùn)動速度的傳感器，所有凸極定子的凸極表面構(gòu)成一球形包絡(luò)內(nèi)表面，球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在球形包絡(luò)內(nèi)表面構(gòu)成的球形空間內(nèi)，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動臂固定為一體，轉(zhuǎn)動臂通過支承機(jī)體軸向通孔另一端伸向外部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其特征是 所述的凸極定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，內(nèi)表面開有幾何形狀相 同的凸極面，凸極之間的槽內(nèi)繞有三相或多相通電線圈繞組。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其特征是 所述的關(guān)節(jié)球形轉(zhuǎn)子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料制成，其球表面開有相互 垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的凸極面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其特征是 所述的溝槽內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)子繞組或電樞繞組的導(dǎo)線或?qū)w。
專利摘要向心拉力磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，屬于機(jī)電一體化技術(shù)領(lǐng)域。設(shè)有關(guān)節(jié)的支承機(jī)體、凸極定子、球形轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)動臂和包括DSP數(shù)字控制器、驅(qū)動電路、開關(guān)功率放大器、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路的檢測控制系統(tǒng)。支承機(jī)體為設(shè)有軸向通孔的柱體，在柱體側(cè)面均勻布有至少四個垂直于軸向通孔的垂面通孔，軸向通孔的一端和至少二個垂面通孔內(nèi)裝有凸極定子，其余垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機(jī)構(gòu)，端蓋中心孔內(nèi)設(shè)有傳感器，球形轉(zhuǎn)子設(shè)置在凸極定子的球形空間內(nèi)，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動臂固定為一體，轉(zhuǎn)動臂通過軸向通孔另一端伸向外部。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理簡單、緊湊，實(shí)現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。
文檔編號B25J17/00GK201380492SQ20092003903
公開日2010年1月13日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者姜明明, 丹 張, 勵 曾 申請人:揚(yáng)州大學(xué)