本發(fā)明涉及一種機(jī)器人仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

背景技術(shù)：

機(jī)器人仿生眼球?qū)τ趲椭鷻C(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)獲得一定的視覺，從而更獨(dú)立、正確的工作有著重要的意義，但是，由于仿生眼球需要跟正常眼球一樣，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)等操作，因此需要多自由度的電機(jī)，同時(shí)需要保證該電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、定位精度高、運(yùn)行平滑性好，而且能使眼球即電動(dòng)機(jī)的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)，如眼球連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。

傳統(tǒng)的多自由度運(yùn)動(dòng)往往由多個(gè)單自由度運(yùn)動(dòng)相互配合實(shí)現(xiàn)。多自由度傳動(dòng)裝置一般由多臺(tái)單自由度驅(qū)動(dòng)元件和復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置來構(gòu)成，從而造成了多自由度裝置體積龐大，精密度低，動(dòng)、靜態(tài)性能差；并且由于裝置中較多應(yīng)用減速齒輪，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增加和非線性摩擦的產(chǎn)生，從而增加了傳動(dòng)裝置的能量損耗，傳動(dòng)裝置的間隙也同時(shí)降低了系統(tǒng)剛度，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)對(duì)傳動(dòng)裝置的精密度要求越來越高，傳統(tǒng)的多自由度傳動(dòng)裝置已不能滿足工業(yè)要求。為了使多自由度傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)靈活，驅(qū)動(dòng)、控制迅速而協(xié)調(diào)，多自由度電機(jī)的研制和應(yīng)用受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

多自由度電動(dòng)機(jī)的研究可以追溯到20世紀(jì)50年代，期間分別在50年代和80年代出現(xiàn)過兩次研究高潮。截至目前，國內(nèi)外研究的多自由度電動(dòng)機(jī)可以分為：自整角機(jī)式多自由度電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)式多自由度電動(dòng)機(jī)、永磁式多自由度電動(dòng)機(jī)、超聲波多自由度電動(dòng)機(jī)、組合式多自由度電動(dòng)機(jī)等，其中永磁式多自由度電動(dòng)機(jī)包括永磁直流多自由度電動(dòng)機(jī)、永磁步進(jìn)多自由度電動(dòng)機(jī)、磁阻式永磁多自由度電動(dòng)機(jī)、永磁同步多自由度電動(dòng)機(jī)。這些多自由度電動(dòng)機(jī)的研制大多沿用了傳統(tǒng)單自由度電機(jī)的設(shè)計(jì)思路。在眾多結(jié)構(gòu)中，球形結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)由于其在運(yùn)動(dòng)學(xué)角度上最有利于多維運(yùn)動(dòng)，可以在空間任意角度實(shí)現(xiàn)定位，成為了國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。球形電動(dòng)機(jī)能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)多自由度傳動(dòng)裝置，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠在一臺(tái)電機(jī)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多自由度運(yùn)動(dòng)，大大降低了機(jī)械傳動(dòng)裝置的復(fù)雜程度，減小了裝置的體積和重量，提高了傳動(dòng)裝置的定位精度和響應(yīng)速度，降低了系統(tǒng)的能量損耗，拓展了電機(jī)的應(yīng)用范圍。球形電動(dòng)機(jī)在機(jī)器人、機(jī)械手臂、電動(dòng)陀螺、天線跟隨器、機(jī)床加工、全景攝像云臺(tái)以及機(jī)器人仿生眼球等設(shè)備中都有著廣泛的應(yīng)用前景。

目前，球形電動(dòng)機(jī)的研究類型大致可歸納為磁阻型、永磁型、異步型和雙饋型球形電動(dòng)機(jī)。國外從事球形電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域研究工作的主要有：日本國立先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究所、美國喬治亞理工學(xué)院、英國謝菲爾德大學(xué)、德國亞琛工業(yè)大學(xué)、美國約翰霍普金斯大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)。日本國立先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究所申請(qǐng)的球形電動(dòng)機(jī)專利是根據(jù)平面磁阻電動(dòng)機(jī)的原理演變而來的。1987年美國喬治亞理工學(xué)院G.J.Vanchtsevanos等介紹了一種三線圈感應(yīng)式球形電動(dòng)機(jī)，并首次提出了變磁阻式球形電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想。1988年Kok-Meng Lee等人進(jìn)一步闡述了磁阻型球形電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想，指出了感應(yīng)式球形電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，并指出三自由度磁阻步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與普通單自由度磁阻步進(jìn)電機(jī)的不同之處。1997年英國謝菲爾德大學(xué)J.Wang等人研制開發(fā)了具有兩自由度或三自由度的永磁球形電動(dòng)機(jī)。1999年，德國亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)出一種永磁型三自由度球形電動(dòng)機(jī)，并深入研究了永磁球形電動(dòng)機(jī)定子上磁極的排列與放置對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性產(chǎn)生的影響。1999年，美國約翰霍普金斯大學(xué)S.Chirikjian等設(shè)計(jì)研制了一種永磁球形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的顯著特征是定子對(duì)轉(zhuǎn)子的覆蓋范圍小于半個(gè)轉(zhuǎn)子，從而大大擴(kuò)大了轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)范圍。2004年，新加坡南洋理工大學(xué)Liang Yan等人研制了永磁球形直流電動(dòng)機(jī)并搭建了球形電動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)測量平臺(tái)。就目前來說，國外多自由度球形電動(dòng)機(jī)的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離真正的產(chǎn)品化還存在一定距離。

國內(nèi)對(duì)多自由度球形電動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)80年代后期，起步較晚。由于國家相關(guān)部門非常重視，國家自然科學(xué)基金和863計(jì)劃均資助了這方面的研究項(xiàng)目，推動(dòng)國內(nèi)關(guān)于球形電動(dòng)機(jī)的研究得到了較快的發(fā)展。西北工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、合肥工業(yè)大學(xué)和天津大學(xué)等高校研制出了各自的多自由度球形電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，并對(duì)有關(guān)問題進(jìn)行了較為深入的研究。西北工業(yè)大學(xué)蘇仲飛等人以無刷直流型球形電動(dòng)機(jī)為研究方向，于1989年制成了第一臺(tái)樣機(jī)。1994年，華中理工大學(xué)黃聲華等人研制了一臺(tái)三自由度球形雙饋感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，對(duì)該電機(jī)的三維磁場計(jì)算和控制策略等問題進(jìn)行了研究。1993年，浙江大學(xué)電機(jī)系諸靜等人研制了一種機(jī)器人球關(guān)節(jié)用兩自由度球形電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)采用了類似框架結(jié)構(gòu)的二維步進(jìn)式電機(jī)結(jié)構(gòu)，由2臺(tái)五相混合式步進(jìn)電機(jī)組成。1999年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種非球形正交圓柱結(jié)構(gòu)雙氣隙共磁鋼三自由度步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，屬于組合式多自由度電動(dòng)機(jī)。之后，合肥工業(yè)大學(xué)王群京等人對(duì)美國約翰霍普金斯大學(xué)提出的永磁型球形步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了研究，天津大學(xué)將Halbach陣列應(yīng)用到永磁球形電動(dòng)機(jī)上，來改善電機(jī)的電磁場分布，使氣隙磁場波形更接近正弦，提高了電機(jī)的運(yùn)行性能。

目前，工業(yè)控制和機(jī)器人等高技術(shù)領(lǐng)域?qū)δ軌蛟诳臻g任意方向進(jìn)行定位并執(zhí)行伺服功能的元件需求與日俱增，從而對(duì)多自由度球形電動(dòng)機(jī)的研究及應(yīng)用提出了更高更迫切的要求?？v觀前人所做的工作，球形電動(dòng)機(jī)樣機(jī)的種類雖然較多，但大部分還不十分完善，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距實(shí)際應(yīng)用還存在一定的距離。由于球形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理的特殊性，為最終實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，需重點(diǎn)研究和解決以下方面的問題：

1.新原理樣機(jī)的研發(fā)和現(xiàn)有電機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。根據(jù)不同應(yīng)用場合對(duì)球形電動(dòng)機(jī)的不同要求，繼續(xù)研制開發(fā)采用新工作原理的實(shí)用化球形電動(dòng)機(jī)，以擴(kuò)展球形電動(dòng)機(jī)的種類，拓寬球形電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍。優(yōu)化現(xiàn)有球形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，提高電機(jī)的機(jī)械集成度，擴(kuò)大轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)范圍，簡化支撐結(jié)構(gòu)，減輕重量，減小體積。

2.電磁場和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算問題。由于球形電動(dòng)機(jī)具有復(fù)雜的電磁場分布，而且大多為三維場，所以要求深入研究球形電動(dòng)機(jī)電磁場的計(jì)算問題，嘗試用二維場來簡化三維場計(jì)算，從而在二維場基礎(chǔ)上進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩的求解，為球形電動(dòng)機(jī)的原理論證和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.電磁耦合問題。由于多自由度球形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)集成度高，各自由度之間必然存在著復(fù)雜的電磁耦合關(guān)系。如何定量的分析這些耦合關(guān)系及其對(duì)電機(jī)控制性能的影響，以及如何進(jìn)行解耦，是球形電動(dòng)機(jī)研究中亟待解決的關(guān)鍵問題。

4.電機(jī)制造和加工工藝問題。由于多自由度球形電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形狀與常規(guī)的單自由度圓柱電機(jī)有明顯差別，所以許多用于常規(guī)電機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式和圖標(biāo)曲線均不適用于球形電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。因此，必須根據(jù)球形電動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)出電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式，為以后球形電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。此外，由于球形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工比較困難，所以還必須重視球形電動(dòng)機(jī)加工工藝的研究，提高球形電動(dòng)機(jī)加工的精確度。

5.球形電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制問題。球形電動(dòng)機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅要對(duì)各自由度的角位移、速度、加速度、輸出轉(zhuǎn)矩以及定子線圈進(jìn)行檢測，還要實(shí)現(xiàn)各自由度之間的解耦控制、軌跡規(guī)劃，因此有必要研制適用于多自由度球形電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的專用控制元器件并采用計(jì)算機(jī)控制，開發(fā)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

6.位置檢測和定位精度問題。為使球形電動(dòng)機(jī)完成空間球面任意位置的定位運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃的最優(yōu)路徑搜尋，必須要求具有較高分辨率的三維位置傳感系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子球面位置的檢測，并著眼于提高檢測系統(tǒng)的分辨精度，實(shí)現(xiàn)多自由度球形電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種機(jī)器人仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)可以適用于機(jī)器人仿生眼球中，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的開環(huán)位置控制，省去位置傳感器，并且即使在開環(huán)位置控制運(yùn)行條件下，亦可通過采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路供電實(shí)現(xiàn)較高的定位精度。進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人仿生眼球在一定范圍內(nèi)、一定精度下沿任何軌跡運(yùn)動(dòng)，而且比多數(shù)傳統(tǒng)的球形電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)更為簡單、更容易加工制造、機(jī)械集成度更高、轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)范圍更大、體積更小、重量更輕、驅(qū)動(dòng)電路更加簡化、控制方式更為簡單、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：

一種機(jī)器人仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，包括第一自由度電機(jī)、第二自由度電機(jī)和輸出軸，其中，所述第一自由度電機(jī)為具有一缺口的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述第二自由度電機(jī)為具有一開口的圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且所述缺口與開口相適配，使得兩個(gè)電機(jī)的所在平面相垂直正交；

所述第一自由度電機(jī)、第二自由度電機(jī)均包括定子和轉(zhuǎn)子，定子鐵心內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子鐵心外徑之間設(shè)有一定大小氣隙間隔，轉(zhuǎn)子與定子在所屬自由度電機(jī)的所在平面內(nèi)能夠發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所述第一自由度電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中心軸線與第二自由度電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中心軸線垂直正交，交點(diǎn)為球形電動(dòng)機(jī)的球心；

通過兩個(gè)自由度電機(jī)各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)置在其中一個(gè)自由度電機(jī)上的輸出軸端點(diǎn)到球心的距離恒定不變的兩自由度運(yùn)動(dòng)。

所述第一自由度電機(jī)與第二自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)相同，均包括轉(zhuǎn)子部分和定子部分，轉(zhuǎn)子部分包括圓柱形的不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架、環(huán)形永磁體及設(shè)置在永磁體兩側(cè)的環(huán)形疊壓轉(zhuǎn)子鐵心，所述轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒；定子部分包括弧形疊壓定子鐵心及定子繞組，定子鐵心內(nèi)周分布有磁極，極間槽內(nèi)設(shè)有定子繞組，磁極的極靴上分布有定子小齒。

所述永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架上設(shè)有相同大小的開口，永磁體和轉(zhuǎn)子鐵心套裝在不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架上，使得三者的開口位置對(duì)齊。

所述定子鐵心上設(shè)有若干軸承和軸承套軸，每個(gè)自由度電機(jī)所有軸承和軸承套軸的中心軸線位于同一圓柱平面，軸承與不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架之間的機(jī)械配合方式為過盈配合。

所述轉(zhuǎn)子部分的兩端轉(zhuǎn)子鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距。

所述定子小齒的齒距與轉(zhuǎn)子小齒齒距相同。

所述定子鐵心弧度超過180°，且小于轉(zhuǎn)子鐵心弧度。

所述第一自由度電機(jī)的定子鐵心通過底座固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)子部分通過軸承和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架繞定子部分轉(zhuǎn)動(dòng)；

所述第二自由度電機(jī)整體隨第一自由度電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分同步轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與第一自由度電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中心軸線重合，第二自由度電機(jī)的定子部分繞自身的轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸線與第一自由度電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中心軸線垂直正交。

所述定子繞組為集中繞組，纏繞在定子鐵心的磁極上，同一相定子繞組纏繞在相鄰的兩個(gè)定子磁極上且繞制方向相反，此相鄰兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(k+0.5)θ_r機(jī)械角度，具有相同繞制方向的相鄰兩相定子繞組所在的兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(j+0.5/m)θ_r機(jī)械角度，k和j為正整數(shù)且k<j，m為繞組相數(shù)，θ_r為轉(zhuǎn)子齒距角。

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，輸出軸末端端點(diǎn)到球心的距離恒定不變，即輸出軸末端端點(diǎn)的運(yùn)行軌跡始終位于同一球面上，運(yùn)行軌跡范圍受限于兩個(gè)自由度電機(jī)的極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍。

所述定子繞組的數(shù)目與電機(jī)的相數(shù)相適配。

一種機(jī)器人仿生眼球，包括上述球形結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。

構(gòu)造兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，進(jìn)行兩個(gè)電機(jī)的空載實(shí)驗(yàn)、靜態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)、起動(dòng)實(shí)驗(yàn)和開環(huán)運(yùn)行定位精度測試實(shí)驗(yàn)，以確定各自的空載電磁、負(fù)載情況下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍、起動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍和開環(huán)運(yùn)行定位精度。

本發(fā)明工作原理：對(duì)于第一自由度電機(jī)，永磁磁通Φ1經(jīng)環(huán)形永磁體→一段轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心→氣隙→另一段轉(zhuǎn)子鐵心→環(huán)形永磁體形成閉合回路，當(dāng)定子繞組按一定順序通電時(shí)，電機(jī)工作于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，第一自由度電機(jī)的轉(zhuǎn)子連同第二自由度電機(jī)整體相對(duì)于第一自由度電機(jī)的定子繞第一自由度電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中心軸線(假定為X軸)轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸實(shí)現(xiàn)繞X軸方向擺動(dòng)。對(duì)于第二自由度電機(jī)，永磁磁通Φ2經(jīng)環(huán)形永磁體→一段轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心→氣隙→另一段轉(zhuǎn)子鐵心→環(huán)形永磁體形成閉合回路，當(dāng)定子繞組按一定順序通電時(shí)，電機(jī)同樣工作于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，第二自由度電機(jī)的定子相對(duì)于第二自由度電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞第二自由度電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中心軸線(與X軸垂直正交，假定為Y軸)轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸實(shí)現(xiàn)繞Y軸方向擺動(dòng)。通過適當(dāng)給第一自由度電機(jī)和第二自由度電機(jī)通電，可使輸出軸實(shí)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)繞X軸和Y軸作兩自由度運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明兩個(gè)自由度電機(jī)各自的運(yùn)動(dòng)使輸出軸末端運(yùn)行的軌跡分別看成地球儀上的經(jīng)線和緯線。在實(shí)際當(dāng)中，兩個(gè)自由度電機(jī)的運(yùn)動(dòng)都是在一定極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)的，即可認(rèn)為輸出軸能夠在最大經(jīng)度經(jīng)線和最大維度緯線所圍成的一段球面范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)。因此，只要實(shí)際要求的機(jī)器人仿生眼球的運(yùn)動(dòng)范圍在上述最大經(jīng)度線和最大緯度線所圍成的一段球面范圍之內(nèi)，則本發(fā)明可驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)或者眼球在要求范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明的有益效果為：

1.采用新的工作原理和電機(jī)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展了多自由度球形電動(dòng)機(jī)的種類，電機(jī)機(jī)械集成度和材料利用率較高，輸出軸的偏轉(zhuǎn)范圍較大，能夠達(dá)到甚至超過±45°，支撐結(jié)構(gòu)較為簡單，有利于實(shí)現(xiàn)球形電動(dòng)機(jī)的實(shí)用化、輕量化和小體積化。

2.簡化了電機(jī)的電磁場和轉(zhuǎn)矩分析計(jì)算。本發(fā)明的第一自由度電機(jī)和第二自由度電機(jī)均為混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而針對(duì)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電磁場和轉(zhuǎn)矩計(jì)算已有大量的分析研究，且能夠采用二維場來簡化三維場計(jì)算，為電機(jī)的原理驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來極大方便。

3.解決了電磁耦合問題。本發(fā)明的第一自由度電機(jī)和第二自由度電機(jī)是通過不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架固定在一起的，因此兩者在電磁方面是相互獨(dú)立的，之間不存在電磁耦合關(guān)系，極大簡化了電機(jī)的電磁計(jì)算和性能分析，解決了球形電動(dòng)機(jī)研究過程中的關(guān)鍵問題。

4.簡化了電機(jī)制造和加工工藝。本發(fā)明的兩個(gè)自由度電機(jī)在電磁方面是相互獨(dú)立的，可以針對(duì)每個(gè)自由度電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)，因此許多用于常規(guī)混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式和圖表曲線均適用于本發(fā)明，此外本發(fā)明的兩個(gè)自由度電機(jī)可以分別進(jìn)行制造和加工，加工完成后進(jìn)行組裝即可，因此可以簡化制造和加工工藝，保證每個(gè)自由度電機(jī)的加工精度，從而提高球形電動(dòng)機(jī)整體的加工精度。

5、簡化了電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。本發(fā)明的兩個(gè)自由度電機(jī)均工作于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)且相互獨(dú)立，因此可采用適用于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制方法對(duì)兩個(gè)自由度電機(jī)單獨(dú)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度之間的解耦控制，便于進(jìn)行軌跡規(guī)劃和控制算法研究，此外，采用成熟的集成化細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制電路，大大簡化了驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制，便于開發(fā)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，提高控制驅(qū)動(dòng)一體化、集成化程度。

6、可實(shí)現(xiàn)開環(huán)位置控制，省去位置傳感器，且開環(huán)控制定位精度較高。本發(fā)明的兩個(gè)自由度電機(jī)均工作于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)且相互獨(dú)立，因此可分別進(jìn)行開環(huán)位置控制，開環(huán)控制定位精度的高低取決于每個(gè)自由度電機(jī)的步距角大小，而混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于，開環(huán)控制條件下可采用電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方法提高定位精度，且電流細(xì)分?jǐn)?shù)越大，定位精度越高，因此通過改變電流細(xì)分?jǐn)?shù)即可滿足不同的定位精度要求。

7、方便對(duì)電機(jī)進(jìn)行性能測試和實(shí)驗(yàn)研究。一方面，本發(fā)明的兩個(gè)自由度電機(jī)相互獨(dú)立，因此可分別進(jìn)行性能測試和實(shí)驗(yàn)研究。另一方面，對(duì)每個(gè)自由度電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，可構(gòu)造轉(zhuǎn)子部分(包括永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架)無開口區(qū)域的測試樣機(jī)，測試樣機(jī)相比于原電機(jī)尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)不變但可進(jìn)行大于360°轉(zhuǎn)動(dòng)，并且測試樣機(jī)上可以安裝轉(zhuǎn)軸，使得用于常規(guī)電機(jī)的性能測試和實(shí)驗(yàn)研究方法可直接應(yīng)用于測試樣機(jī)；

8、本電機(jī)體積小、質(zhì)量輕、定位精度高、運(yùn)行平滑性好，而且能使眼球即電動(dòng)機(jī)的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)，保證眼球連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)。

可以看出，本發(fā)明的球形結(jié)構(gòu)兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)的多自由度球形電動(dòng)機(jī)相比具有結(jié)構(gòu)原理簡單、機(jī)械集成度高、設(shè)計(jì)計(jì)算方便、加工制造容易、驅(qū)動(dòng)控制方式簡單、可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制且開環(huán)控制定位精度高的優(yōu)勢(shì)，為推動(dòng)球形電動(dòng)機(jī)的實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化提供了新的思路和解決方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的第一自由度電機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的第二自由度電機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明的第一自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)分解圖；

圖5為本發(fā)明的第二自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)分解圖；

圖6為本發(fā)明第一自由度電機(jī)的定子繞組各線圈接線圖(以2相電機(jī)為例，圖中“×”表示繞組方向垂直紙面向里，“·”表示繞組方向垂直紙面向外)；

圖7為本發(fā)明第二自由度電機(jī)的定子繞組各線圈接線圖(以2相電機(jī)為例)；

圖8為本發(fā)明的第一自由度電機(jī)極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度示意圖；

圖9為本發(fā)明的第二自由度電機(jī)極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度示意圖；

圖10為本發(fā)明的輸出軸末端端點(diǎn)運(yùn)行軌跡范圍示意圖；

圖11為本發(fā)明第一自由度電機(jī)的定子繞組各線圈接線圖(以3相電機(jī)為例)；

圖12為本發(fā)明第二自由度電機(jī)的定子繞組各線圈接線圖(以3相電機(jī)為例)；

圖13為本發(fā)明第一自由度電機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖(測試樣機(jī)的定子繞組各線圈接線方式如圖6)；

圖14為本發(fā)明第二自由度電機(jī)的實(shí)驗(yàn)測試樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖(測試樣機(jī)的定子繞組各線圈接線方式如圖7)；

圖中，1.第一自由度電機(jī)，2.第二自由度電機(jī)，3.輸出軸，4.底座，5.定子鐵心，6.不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架，7.轉(zhuǎn)子鐵心，8.永磁體，9.軸承，10.軸承套軸，11.定子繞組，12.輸出軸末端端點(diǎn)運(yùn)行軌跡所在球面，13.東經(jīng)45°經(jīng)線，14.南緯45°緯線，15.西經(jīng)45°經(jīng)線，16.北緯45°緯線，17.第一自由度電機(jī)測試樣機(jī)轉(zhuǎn)軸，18.第二自由度電機(jī)測試樣機(jī)轉(zhuǎn)軸。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

一種機(jī)器人仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)本發(fā)明用作兩相兩自由度混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括第一自由度電機(jī)1、第二自由度電機(jī)2、輸出軸3和底座4，如圖2、圖3所示。由圖4、圖5所示的電機(jī)結(jié)構(gòu)分解圖可見，每個(gè)自由度電機(jī)包括轉(zhuǎn)子部分和定子部分，轉(zhuǎn)子部分包括圓柱形的不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6、環(huán)形永磁體8及其兩側(cè)的兩段環(huán)形疊壓轉(zhuǎn)子鐵心7，轉(zhuǎn)子鐵心7外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段轉(zhuǎn)子鐵心7上的小齒互錯(cuò)1/2齒距，永磁體8、轉(zhuǎn)子鐵心7和不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6上設(shè)有相同大小的開口，永磁體8和轉(zhuǎn)子鐵心7套裝在不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6上，使得三者的開口位置對(duì)齊；定子部分包括弧形疊壓定子鐵心5、軸承9、軸承套軸10及定子繞組11，定子鐵心5的弧度超過180°，但小于轉(zhuǎn)子鐵心7的弧度，定子鐵心5內(nèi)周分布有磁極，極間槽內(nèi)設(shè)有定子繞組11，磁極的極靴上分布有與轉(zhuǎn)子小齒齒距相同的定子小齒；所述兩個(gè)自由度電機(jī)的定子鐵心5上設(shè)有軸承9和軸承套軸10，每個(gè)自由度電機(jī)所有軸承9和軸承套軸10的中心軸線位于同一圓柱平面，軸承9與不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6之間的機(jī)械配合方式為過盈配合；轉(zhuǎn)子鐵心7和永磁體8通過不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6、軸承9、軸承套軸10與定子鐵心5固定在一起，定子鐵心5內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子鐵心7外徑之間設(shè)有一定大小氣隙間隔；所述第一自由度電機(jī)1的定子鐵心5-1與底座4固定，第二自由度電機(jī)2的定子鐵心5-2中心處設(shè)有輸出軸3，輸出軸3可接負(fù)載設(shè)備。

所述兩個(gè)自由度電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心7的內(nèi)、外徑相同，兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心7和永磁體8通過不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6垂直正交固定在一起，使得第一自由度電機(jī)1的定、轉(zhuǎn)子中心軸線X軸與第二自由度電機(jī)2的定、轉(zhuǎn)子中心軸線Y軸垂直正交，交點(diǎn)為球形電動(dòng)機(jī)的球心；

所述不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6中間圓柱部分和兩側(cè)圓柱部分的直徑分別與轉(zhuǎn)子鐵心7的內(nèi)徑和外徑相同，不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6兩側(cè)圓柱部分表面光滑，可為軸承9提供滑動(dòng)軌道。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)行原理如下：如圖4、圖6所示，第一自由度電機(jī)1的定子部分(包括定子鐵心5-1、軸承9-1、軸承套軸10-1和定子繞組11-1、11-2、11-3、11-4)通過底座4固定不動(dòng)，當(dāng)兩相定子繞組按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的順序通電時(shí)，轉(zhuǎn)子部分(包括不導(dǎo)磁轉(zhuǎn)子支架6-1和6-2、轉(zhuǎn)子鐵心7-1和7-2、永磁體8-1)可通過軸承9-1繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng),并且能夠驅(qū)動(dòng)輸出軸3和第二自由度電機(jī)2繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，當(dāng)?shù)诙杂啥入姍C(jī)2的兩相定子繞組(包括11-5、11-6、11-7、11-8)按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的順序通電時(shí)，第二自由度電機(jī)2的定子部分(包括定子鐵心5-2、軸承9-2、軸承套軸10-2和定子繞組11-5、11-6、11-7、11-8)可通過軸承9-2繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)輸出軸3繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5、圖7所示。因此，輸出軸3可在第一自由度電機(jī)1、第二自由度電機(jī)2驅(qū)動(dòng)下分別繞X軸、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并且兩個(gè)自由度電機(jī)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，從而實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)。由于X軸和Y軸在空間始終垂直正交，交點(diǎn)位置不變且為整體球形電機(jī)的球心，并且輸出軸3的中心軸線穿過球心，因此在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，輸出軸3末端端點(diǎn)到球心的距離恒定不變，即輸出軸3末端端點(diǎn)的運(yùn)行軌跡始終位于同一球面12上，運(yùn)行軌跡范圍受限于兩個(gè)自由度電機(jī)的極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍。其中，第一自由度電機(jī)1的極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度如圖8中的θ₁所示，第二自由度電機(jī)2的極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度如圖9中的θ₂所示。以兩個(gè)自由度電機(jī)極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ₁＝θ₂＝45°、步距角(每步進(jìn)運(yùn)行一步轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度)1.8°為例，輸出軸3末端端點(diǎn)的運(yùn)行區(qū)域恰好包含在東經(jīng)45°經(jīng)線13，南緯45°緯線14，西經(jīng)45°緯線15，北緯45°緯線16所圍成的球面區(qū)域范圍之內(nèi)，如圖10所示，這一球面區(qū)域范圍內(nèi)的點(diǎn)陣即為輸出軸3末端端點(diǎn)所能達(dá)到達(dá)的空間所有位置。由圖10可見，電機(jī)的步距角越小，則點(diǎn)陣中相鄰兩點(diǎn)的球面距離越近，表示輸出軸3末端端點(diǎn)的定位精度越高。實(shí)際當(dāng)中，通常采用電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式(混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式為現(xiàn)有技術(shù)，是本領(lǐng)域公知常識(shí))以減小步距角，并且電流細(xì)分?jǐn)?shù)越大，步距角越小、定位精度越高。例如，當(dāng)采用64電流細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)，步距角可減小為1.8°/64，約為0.03°，這在開環(huán)運(yùn)行條件下已經(jīng)是非常高的定位精度。

本發(fā)明通常用作兩相和三相電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，圖6、圖7為本發(fā)明用作兩相電動(dòng)機(jī)時(shí)的定子繞組接線示意圖，圖11、圖12為本發(fā)明用作三相電動(dòng)機(jī)時(shí)的定子繞組接線示意圖。定子繞組11為集中繞組，纏繞在定子鐵心5的磁極上，同一相定子繞組纏繞在相鄰的兩個(gè)定子磁極上且繞制方向相反，如圖6中的A相定子繞組11-1、11-2和圖11中的A相定子繞組11-9、11-10所示，此相鄰兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(k+0.5)θ_r機(jī)械角度；具有相同繞制方向的相鄰兩相定子繞組所在的兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(j+0.5/m)θ_r機(jī)械角度。其中，k和j為正整數(shù)且k<j，m為定子繞組相數(shù)，θ_r為轉(zhuǎn)子齒距角(機(jī)械角度)，k和j的選取需保證相鄰兩個(gè)定子磁極之間留有一定大小的空隙，以方便嵌放定子繞組。例如，圖6中的A相定子繞組11-1和11-2所在的兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(6+0.5)θ_r(θ_r＝7.2°)，A相定子繞組11-1和B相定子繞組11-3所在的兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(13+0.5/2)θ_r；圖11中的A相定子繞組11-9和11-10所在的兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(4+0.5)θ_r(θ_r＝7.2°)，A相定子繞組11-9和B相定子繞組11-11所在的兩個(gè)定子磁極相互錯(cuò)開(9+0.5/3)θ_r。

相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多自由度球形電動(dòng)機(jī)，本發(fā)明的顯著優(yōu)勢(shì)之一體現(xiàn)在容易構(gòu)造測試樣機(jī)并進(jìn)行性能測試和實(shí)驗(yàn)研究，這為縮短本發(fā)明從產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)到產(chǎn)品性能完善的研發(fā)周期奠定了基礎(chǔ)，有利于推動(dòng)本發(fā)明產(chǎn)品的實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化進(jìn)程。下面結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖13、圖14具體說明本發(fā)明測試樣機(jī)的構(gòu)造方法以及性能測試和實(shí)驗(yàn)研究方法。本發(fā)明電機(jī)整體(如圖1)可以拆成相互獨(dú)立的兩個(gè)自由度電機(jī)，即第一自由度電機(jī)1(如圖2)和第二自由度電機(jī)2(如圖3)，并且能分別構(gòu)造測試樣機(jī)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。其中，針對(duì)第一自由度1構(gòu)造的測試樣機(jī)如圖13所示，具體構(gòu)造方法如下：(1)保持第一自由度電機(jī)1的尺寸結(jié)構(gòu)不變條件下，將其轉(zhuǎn)子部分的開口區(qū)域補(bǔ)充完整，使得轉(zhuǎn)子部分成為完整圓柱結(jié)構(gòu)；(2)在轉(zhuǎn)子部分中心處添加轉(zhuǎn)軸部分(可以為雙出軸或單出軸)。針對(duì)第二自由度2構(gòu)造的測試樣機(jī)如圖14所示，具體構(gòu)造方法如下：(1)保持第二自由度電機(jī)2的尺寸結(jié)構(gòu)不變條件下，將其轉(zhuǎn)子部分的開口區(qū)域補(bǔ)充完整，使得轉(zhuǎn)子部分成為完整圓柱結(jié)構(gòu)，同時(shí)將其定子鐵心5-2軛部的外側(cè)設(shè)計(jì)成與第一自由度電機(jī)1定子鐵心5-1軛部的外側(cè)相同的形狀；(2)在轉(zhuǎn)子部分中心處添加轉(zhuǎn)軸部分(可以為雙出軸或單出軸)；(3)在定子鐵心5-2上安裝底座4。對(duì)于兩個(gè)自由度電機(jī)的測試樣機(jī)，當(dāng)兩相定子繞組按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的順序通電時(shí)，樣機(jī)可以像普通混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一樣轉(zhuǎn)動(dòng)，因而可進(jìn)行一系列性能測試和實(shí)驗(yàn)研究，主要包括：(1)進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)，測量樣機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的空載反電動(dòng)勢(shì)，以驗(yàn)證樣機(jī)空載電磁設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和合理性；(2)進(jìn)行靜態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)，測量樣機(jī)的矩角特性，以驗(yàn)證樣機(jī)負(fù)載情況下靜態(tài)轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和合理性；(3)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)，測量樣機(jī)的矩頻特性，獲得樣機(jī)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，以確定樣機(jī)的最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍；(4)進(jìn)行電機(jī)起動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測量樣機(jī)的空載和負(fù)載最大起動(dòng)頻率，以確定樣機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速范圍；(5)進(jìn)行開環(huán)運(yùn)行定位精度測試實(shí)驗(yàn)，通過在樣機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝編碼器或角度傳感器，可以測量樣機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的角度數(shù)值(可在不同負(fù)載情況下進(jìn)行多組測量)，將此實(shí)測數(shù)值與開環(huán)控制運(yùn)行條件下的理論數(shù)值(驅(qū)動(dòng)器輸出總的脈沖數(shù)乘以樣機(jī)步距角)進(jìn)行比較，可以進(jìn)行誤差分析，從而確定樣機(jī)的開環(huán)運(yùn)行定位精度。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。