專利名稱：正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種球形關(guān)節(jié)，具體地，涉及一種正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，其工程中廣泛使用的具有支承驅(qū)動(dòng)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、航天飛行器、電動(dòng)陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺(tái)、醫(yī)療器械、攝像操作臺(tái)、全景攝影操作臺(tái)、攪拌機(jī)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向輪、球形閥、球形泵等具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。典型地，關(guān)節(jié)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器、傳動(dòng)器和控制器，其屬于機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，是整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)、重量、尺寸對(duì)機(jī)器人性能有直接影響。大多數(shù)球形關(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(dòng)是幾個(gè)關(guān)節(jié)通過連桿連接并利用平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，往往需要采用多套單自由度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)空間范圍小，響應(yīng)遲緩，動(dòng)態(tài)性能較差。而且機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)誤差的累計(jì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的精度下降，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。有鑒于此，需要設(shè)計(jì)一種新型的球形關(guān)節(jié)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有球形關(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(jiǎn)單、基本無(wú)摩擦磨損，精度高和動(dòng)態(tài)性能好，具有能夠繞定點(diǎn)空間軸旋轉(zhuǎn)的多自由度磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)。上述目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，包括導(dǎo)磁的關(guān)節(jié)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述關(guān)節(jié)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)表面的形狀為一帶有開口的內(nèi)球形面，所述球形轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，該轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過所述開口伸向外部，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球形面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球形面之間相互同心且存在氣隙；所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球形面上開有相互正交的定子溝槽，該定子溝槽內(nèi)設(shè)有六組三相繞組，該六組三相繞組各自沿圓周方向布置并設(shè)置為在以所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球形面球心為坐標(biāo)原點(diǎn)0、以穿過該關(guān)節(jié)定子內(nèi)球形面圓心和所述開口中心的坐標(biāo)軸為Z軸而構(gòu)成三維坐標(biāo)系中，所述六組三相繞組中的兩個(gè)三相繞組環(huán)繞Z軸布置并相對(duì)于OXY坐標(biāo)平面對(duì)稱，兩個(gè)三相繞組環(huán)繞Y 軸布置并相對(duì)于OXZ坐標(biāo)平面對(duì)稱，另兩個(gè)三相繞組環(huán)繞X軸布置并相對(duì)于OYZ平面對(duì)稱； 所述球形轉(zhuǎn)子的外球形面上開有相互正交的轉(zhuǎn)子溝槽，該轉(zhuǎn)子溝槽內(nèi)布置有轉(zhuǎn)子繞組，該轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成閉合回路。具體地，所述定子溝槽包括相互正交的定子經(jīng)度槽和定子緯度槽，所述轉(zhuǎn)子溝槽包括相互正交的轉(zhuǎn)子經(jīng)度槽和轉(zhuǎn)子緯度槽。選擇地，所述開口為圓形開口。
3[0009]通過上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承的懸浮支承并驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)關(guān)節(jié)的球形轉(zhuǎn)子與定子之間基本實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)磨損，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。本實(shí)用新型的正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)提高了關(guān)節(jié)的效率，延長(zhǎng)了使用壽命，在機(jī)器人的關(guān)節(jié)及機(jī)械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機(jī)械加工中心、航天飛行器、電動(dòng)陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺(tái)、人體假肢、醫(yī)療器械、 攝像操作臺(tái)、全景攝影操作臺(tái)、攪拌機(jī)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向輪、球形閥、球形泵等具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。

圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的關(guān)節(jié)定子的剖視示意圖。圖2為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面的示意圖。圖3為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的球形轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4至圖6分別是從不同方向觀察的關(guān)節(jié)定子繞組結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生的電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩的分析示意圖。圖中1開口 ；2定子經(jīng)度槽；3定子緯度槽；4定子凸極；5轉(zhuǎn)子凸極；6轉(zhuǎn)子經(jīng)度槽；7轉(zhuǎn)子緯度槽；8，9 X軸方向半球面繞組；10，11 Y軸方向半球面繞組；12，13 Z軸方向半球面繞組；14球形轉(zhuǎn)子。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖描述本實(shí)用新型正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)的具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖6，本實(shí)用新型的正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，包括導(dǎo)磁的關(guān)節(jié)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子14及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述關(guān)節(jié)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，關(guān)節(jié)定子內(nèi)表面的形狀為一帶有開口 1 (優(yōu)選圓形開口) 的內(nèi)球形面，球形轉(zhuǎn)子14與轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過上述開口 1伸向外部，關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面與球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心并且存在氣隙(間隙)。參見圖1、圖2以及圖4至圖6所示，所述關(guān)節(jié)定子由具有良好導(dǎo)磁性能的材料， 例如高硅鋼材料制成，其內(nèi)表面為內(nèi)球形面，在該內(nèi)球形面開有相互正交的定子溝槽(例如包括定子經(jīng)度槽2和定子緯度槽3)。如圖1和圖2所示，在以關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面球心為坐標(biāo)原點(diǎn)、以穿過該關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面圓心和開口中心的坐標(biāo)軸為Z軸而構(gòu)成三維坐標(biāo)系中，則該三維坐標(biāo)系中每個(gè)二維坐標(biāo)平面將定子內(nèi)球面分為對(duì)稱的兩個(gè)半球面。OXY平面將關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面分為對(duì)稱的兩個(gè)內(nèi)半球面，該半球面內(nèi)定子凸極4、定子溝槽如圖2所示，分別在這兩個(gè)內(nèi)半球面的定子溝槽內(nèi)，繞Z軸整體整體沿圓周方向嵌入一套三相繞組(圖4中的X軸方向半球面繞組8、9)，且該兩套三相繞組相對(duì)于OXY平面對(duì)稱；OXZ平面將定子內(nèi)球面分為對(duì)稱的兩個(gè)內(nèi)半球面，分別在這兩個(gè)內(nèi)半球面的定子溝槽內(nèi)，繞Y軸整體沿圓周方向嵌入一套三相線圈繞組(圖5中的Y軸方向半球面繞組10、11)，且兩套三相繞組相對(duì)于 OXZ平面對(duì)稱；OYZ平面將定子內(nèi)球面分為對(duì)稱的兩個(gè)內(nèi)半球面，分別在這兩個(gè)內(nèi)半球面的定子溝槽內(nèi)，繞X軸整體沿圓周方向嵌入一套三相線圈繞組(圖6中的Z軸方向半球面繞組 12、13)，且該兩套三相繞組相對(duì)于OYZ平面對(duì)稱。[0018]所述球形轉(zhuǎn)子14由具有良好導(dǎo)磁性能的材料，例如高硅鋼材料制成，其外球面與定子內(nèi)球面相同，按經(jīng)度和緯度方向開有相互正交的轉(zhuǎn)子溝槽(包括轉(zhuǎn)子經(jīng)度槽6和轉(zhuǎn)子緯度槽7)，轉(zhuǎn)子溝槽將整個(gè)外球面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子凸極5，如圖4所示，轉(zhuǎn)子溝槽內(nèi)放置有(或澆注)轉(zhuǎn)子繞組，該轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成閉合回路。參見圖4至圖6，所述正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)的工作原理是，對(duì)X軸方向的兩個(gè)內(nèi)半球面的三相定子繞組(圖4中的X軸方向半球面繞組8、9)同時(shí)通入三相電流，在檢測(cè)控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞X軸的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動(dòng)的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞X軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩MX=MX1+MX2 ；同時(shí)，X軸方向半球面繞組8、9產(chǎn)生磁拉力FXl和FX2，在檢測(cè)控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿X軸方向穩(wěn)定懸浮，如圖4所示；對(duì)Y軸方向的兩個(gè)內(nèi)半球面的三相定子繞組(圖5中的Y軸方向半球面繞組10、11)同時(shí)通入三相電流，在檢測(cè)控制系統(tǒng)作用下， 各自將產(chǎn)生繞Y軸的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動(dòng)的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩MY=MY1+MY2 ；同時(shí)，兩個(gè)內(nèi)半球面的繞組產(chǎn)生磁拉力FYl和FY2，在檢測(cè)控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿Y軸方向穩(wěn)定懸浮；對(duì)Z軸方向的兩個(gè)內(nèi)球面的三相定子繞組(圖6中的Z軸方向半球面繞組12、13)通入三相電流，在檢測(cè)控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞Z軸的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動(dòng)的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩MZ=MZ1+MZ2 ；同時(shí)，該內(nèi)球面的繞組產(chǎn)生磁拉力FZl和FZ2，在檢測(cè)控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿Z軸方向穩(wěn)定懸浮。在此需要另外說明的是，本發(fā)明的正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，其中“主動(dòng)關(guān)節(jié)”中的“主動(dòng)”表示該球形關(guān)節(jié)通過控制各個(gè)三相繞組通電狀態(tài)來控制各個(gè)方向的磁拉力，即能夠容易地實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)，其無(wú)需通過多套單自由度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來完成運(yùn)動(dòng)。由上描述可見，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承的懸浮支承并驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)關(guān)節(jié)的球形轉(zhuǎn)子與定子之間基本實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)磨損，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。本實(shí)用新型的正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)提高了關(guān)節(jié)的效率，延長(zhǎng)了使用壽命，在機(jī)器人的關(guān)節(jié)及機(jī)械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機(jī)械加工中心、航天飛行器、電動(dòng)陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺(tái)、人體假肢、醫(yī)療器械、攝像操作臺(tái)、全景攝影操作臺(tái)、攪拌機(jī)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)的萬(wàn)向輪、球形閥、球形泵等具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。在上述具體實(shí)施方式
中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，可以通過任何合適的方式進(jìn)行任意組合，其同樣落入本實(shí)用新型所公開的范圍之內(nèi)。同時(shí)，本實(shí)用新型的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本實(shí)用新型的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本實(shí)用新型所公開的內(nèi)容。此外，本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。本實(shí)用新型的保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求1.正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，包括導(dǎo)磁的關(guān)節(jié)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子(14)及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述關(guān)節(jié)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)表面的形狀為一帶有開口(1)的內(nèi)球形面，所述球形轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)動(dòng)主軸固定為一體，該轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過所述開口伸向外部，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球形面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球形面之間相互同心且存在氣隙；所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球形面上開有相互正交的定子溝槽，該定子溝槽內(nèi)設(shè)有六組三相繞組，該六組三相繞組各自沿圓周方向布置并設(shè)置為在以所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球形面球心為坐標(biāo)原點(diǎn)0、以穿過該關(guān)節(jié)定子內(nèi)球形面圓心和所述開口(1)中心的坐標(biāo)軸為Z軸而構(gòu)成三維坐標(biāo)系中，所述六組三相繞組中的兩個(gè)三相繞組環(huán)繞Z軸布置并相對(duì)于OXY坐標(biāo)平面對(duì)稱， 兩個(gè)三相繞組環(huán)繞Y軸布置并相對(duì)于OXZ坐標(biāo)平面對(duì)稱，另兩個(gè)三相繞組環(huán)繞X軸布置并相對(duì)于OYZ平面對(duì)稱；所述球形轉(zhuǎn)子(14)的外球形面上開有相互正交的轉(zhuǎn)子溝槽，該轉(zhuǎn)子溝槽內(nèi)布置有轉(zhuǎn)子繞組，該轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成閉合回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述定子溝槽包括相互正交的定子經(jīng)度槽(2)和定子緯度槽(3)，所述轉(zhuǎn)子溝槽包括相互正交的轉(zhuǎn)子經(jīng)度槽(6 )和轉(zhuǎn)子緯度槽(7 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，其特征是，所述開口 (1)為圓形開口。
專利摘要正交繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動(dòng)關(guān)節(jié)，包括導(dǎo)磁的關(guān)節(jié)定子、導(dǎo)磁的球形轉(zhuǎn)子(14)及其轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、以及用于控制所述關(guān)節(jié)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測(cè)控制系統(tǒng)，其中，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球形面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球形面之間相互同心且存在氣隙；所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球形面上開有相互正交的定子溝槽，該定子溝槽內(nèi)設(shè)有六組三相繞組，所述球形轉(zhuǎn)子(14)的外球形面上開有相互正交的轉(zhuǎn)子溝槽，該轉(zhuǎn)子溝槽內(nèi)布置有構(gòu)成閉合回路的轉(zhuǎn)子繞組。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)軸承的懸浮支承并驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)關(guān)節(jié)的球形轉(zhuǎn)子與定子之間基本實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦、無(wú)磨損，動(dòng)態(tài)性能好，響應(yīng)速度快。
文檔編號(hào)B25J17/00GK202151865SQ201120185779
公開日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者張丹, 徐媛媛, 曾勵(lì) 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)