專利名稱：分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種球形關(guān)節(jié)，具體地，涉及一種分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其屬于一種在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)在具有多個(gè)運(yùn)動自由度的設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景，例如在機(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、球形泵等設(shè)備。球形關(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(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、尺寸對機(jī)器人性能有直接影響。關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式主要有第一，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)；第二，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)；第三，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)動是通過連桿連接的幾個(gè)關(guān)節(jié)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(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)，以緩解現(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)簡單、基本無摩擦磨損、精度高和動態(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關(guān)節(jié)。上述目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(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)子及其轉(zhuǎn)動主軸、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)的檢測控制系統(tǒng)，其中，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開口的內(nèi)球面，所述球形轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，所述轉(zhuǎn)動主軸通過所述開口伸向外部，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面上分布有五個(gè)環(huán)形區(qū)域，該五個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)布置有繞組放置溝槽，該繞組放置溝槽內(nèi)設(shè)有分別呈環(huán)形的五個(gè)三相繞組，該五個(gè)三相繞組布置為在以所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面的球心為原點(diǎn)、所述轉(zhuǎn)動主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個(gè)三相繞組中的兩個(gè)三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸并相對于Y軸對稱，兩個(gè)三相繞組的圓心處的法線與 Y軸同軸并相對于X軸對稱，一個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸；所述球形轉(zhuǎn)子的外球面開設(shè)有連續(xù)并交叉的轉(zhuǎn)子溝槽，該轉(zhuǎn)子溝槽的交叉點(diǎn)處設(shè)有通向所述球形轉(zhuǎn)子球心的轉(zhuǎn)子通孔，所述轉(zhuǎn)子溝槽和轉(zhuǎn)子通孔內(nèi)放置有轉(zhuǎn)子繞組，該轉(zhuǎn)子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉(zhuǎn)子的球心處交匯短接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、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)無軸承的懸浮支承并驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其中球形轉(zhuǎn)子與關(guān)節(jié)定子之間實(shí)現(xiàn)基本無摩擦、無磨損， 動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，提高關(guān)節(jié)的效率，延長關(guān)節(jié)及裝備的使用壽命。

圖1為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面圓形區(qū)域凸極的布置示意圖。圖2為本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的球形轉(zhuǎn)子及其繞組的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3和圖4分別為從不同方向觀察的本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
的關(guān)節(jié)定子繞組結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的電磁力、電磁轉(zhuǎn)矩分析示意圖。圖中1第一圓周層凸極；2第二圓周層凸極；3第三圓周層凸極；4繞組置放溝槽； 5,6 X方向區(qū)域繞組；7，8 Y方向區(qū)域繞組；9 Z方向區(qū)域繞組；10球形轉(zhuǎn)子；11轉(zhuǎn)子繞組； 12轉(zhuǎn)子溝槽；13轉(zhuǎn)子通孔。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖描述本實(shí)用新型分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖4，本實(shí)用新型的分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，包括關(guān)節(jié)定子、球形轉(zhuǎn)子10及其轉(zhuǎn)動主軸、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)的檢測控制系統(tǒng)，其中，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開口的內(nèi)球面，所述球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，所述轉(zhuǎn)動主軸通過所述開口伸向外部；所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙(間隙)。其中，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面上分布有五個(gè)環(huán)形區(qū)域，該五個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)布置有繞組放置溝槽4，該繞組放置溝槽內(nèi)設(shè)有分別呈環(huán)形的五個(gè)三相繞組，該五個(gè)三相繞組布置為在以所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面的球心為原點(diǎn)、所述轉(zhuǎn)動主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個(gè)三相繞組中的兩個(gè)三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸(即X軸通過該兩個(gè)三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對于Y軸對稱，兩個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸(即Y軸通過該兩個(gè)三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)并相對于X軸對稱， 一個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸(即Z軸通過該三相繞組的圓心并垂直三相繞組所處的平面)。具體地，參見圖1、圖3和圖4，所述分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)定子由具有良好導(dǎo)磁性能的高硅鋼材料制成，其內(nèi)球面包含五個(gè)環(huán)形(或圓形)區(qū)域。以內(nèi)球面球心為坐標(biāo)原點(diǎn)，穿過上述開口中心的坐標(biāo)軸為Z軸構(gòu)成三維坐標(biāo)系，則Z軸方向的圓形區(qū)域只有1個(gè)，其區(qū)域圓心處法線與Z軸共線，其余每2個(gè)圓形球面區(qū)域?qū)ΨQ于坐標(biāo)原點(diǎn) (內(nèi)球面球心)，其圓心處的法線與X軸或Y軸共線。如圖1所示，每個(gè)圓形區(qū)域均以其圓心為中心，加工出若干層，如第一層、第二層、……沿圓周方向均勻布置的凸極，例如第一圓周層凸極1、第二圓周層凸極2、第三圓周層凸極3，同層各凸極頂面為面積相等的環(huán)狀面，其包絡(luò)面為定子內(nèi)球面。所述圓形區(qū)域在各凸極之間的繞組放置溝槽4內(nèi)沿圓周方向繞有一
4套三相線圈繞組，同一坐標(biāo)軸方向上兩個(gè)圓形區(qū)域的三相繞組結(jié)構(gòu)完全相同，如圖3和圖4 所示。參見圖2，所述分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的球形轉(zhuǎn)子10由具有良好導(dǎo)磁性能的高硅鋼材料制成，其外球面按一定的規(guī)律(如基于近似等邊球面或基于球面多面體分布原則)開設(shè)連續(xù)并交叉的轉(zhuǎn)子溝槽12，轉(zhuǎn)子溝槽12將轉(zhuǎn)子整個(gè)外球面分為幾何形狀相同的微小單元面的轉(zhuǎn)子凸極。如圖2所示，轉(zhuǎn)子溝槽12交叉點(diǎn)處與轉(zhuǎn)子球心形成轉(zhuǎn)子通孔13，轉(zhuǎn)子溝槽12和轉(zhuǎn)子通孔13內(nèi)放置(或澆注)轉(zhuǎn)子繞組11，轉(zhuǎn)子繞組通路為封閉回路，并在該球形轉(zhuǎn)子的球心處交匯短接。為便于加工通孔和置繞組，以及設(shè)置安裝傳感檢測元件，沿Z軸將球形轉(zhuǎn)子剖分為兩個(gè)半球，在安裝相關(guān)元件后再相互連接。參見圖3和圖4，所述分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，對X軸方向的2個(gè)區(qū)域的三相定子繞組(即圖3中的X方向區(qū)域繞組5、6)同時(shí)通入三相電流，在檢測控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞X軸的旋轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞X軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩MX=MX1+MX2 ；同時(shí)， 2個(gè)區(qū)域的繞組產(chǎn)生磁拉力Fxi和 ^Χ2，在檢測控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿X軸方向穩(wěn)定懸浮，如圖3所示；對Y軸方向的2個(gè)區(qū)域的三相定子繞組(即圖3中的Y方向區(qū)域繞組7、 8)同時(shí)通入三相電流，在檢測控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞Y軸的旋轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩ΜΥ=ΜΥ1+ΜΥ2 ；同時(shí)，2個(gè)區(qū)域的繞組產(chǎn)生磁拉力Fyi和Fy2，在控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿Y軸方向穩(wěn)定懸浮；對Z軸方向的1個(gè)區(qū)域的三相定子繞組(即圖4中的Z方向區(qū)域繞組9)通入三相電流，在檢測控制系統(tǒng)作用下，各自將產(chǎn)生繞Z軸的旋轉(zhuǎn)磁場，同時(shí)在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，具有感應(yīng)電流流動的轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線，便產(chǎn)生驅(qū)動轉(zhuǎn)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)的合成電磁轉(zhuǎn)矩Mz ；同時(shí)，該區(qū)域的繞組產(chǎn)生磁拉力Fz，在檢測控制系統(tǒng)控制下，使球形轉(zhuǎn)子沿Z軸方向穩(wěn)定懸浮，即與重力相平衡。在此需要另外說明的是，本實(shí)用新型的分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其中“主動關(guān)節(jié)”中的“主動”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，其無需通過多套單自由度的驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及復(fù)雜的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)來完成運(yùn)動。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、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)無軸承的懸浮支承并驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的球形轉(zhuǎn)子與感應(yīng)式球形主動關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)定子之間實(shí)現(xiàn)基本無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，提高關(guān)節(jié)的效率，延長關(guān)節(jié)及裝備的使用壽命。本實(shí)用新型的分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)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、電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺、人體假肢、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(gè)運(yùn)動自由度的設(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)，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本實(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.分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(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(10)及其轉(zhuǎn)動主軸、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)的檢測控制系統(tǒng)，其中，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開口的內(nèi)球面，所述球形轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，所述轉(zhuǎn)動主軸通過所述開口伸向外部，所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面與所述球形轉(zhuǎn)子的外球面之間相互同心且存在氣隙；所述關(guān)節(jié)定子的內(nèi)球面上分布有五個(gè)環(huán)形區(qū)域，該五個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)布置有繞組放置溝槽(4)，該繞組放置溝槽內(nèi)設(shè)有分別呈環(huán)形的五個(gè)三相繞組，該五個(gè)三相繞組布置為在以所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面的球心為原點(diǎn)、所述轉(zhuǎn)動主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個(gè)三相繞組中的兩個(gè)三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸并相對于Y軸對稱，兩個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸并相對于X軸對稱，一個(gè)三相繞組的圓心處的法線與Z軸同軸；所述球形轉(zhuǎn)子(10)的外球面開設(shè)有連續(xù)并交叉的轉(zhuǎn)子溝槽(12)，該轉(zhuǎn)子溝槽的交叉點(diǎn)處設(shè)有通向所述球形轉(zhuǎn)子球心的轉(zhuǎn)子通孔(13)，所述轉(zhuǎn)子溝槽和轉(zhuǎn)子通孔(13)內(nèi)放置有轉(zhuǎn)子繞組(11)，該轉(zhuǎn)子繞組通路為封閉回路，并在所述球形轉(zhuǎn)子的球心處交匯短接。
專利摘要分區(qū)域繞組感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(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)動主軸、以及用于控制關(guān)節(jié)定子上各個(gè)三相繞組通斷電狀態(tài)的檢測控制系統(tǒng)，其中關(guān)節(jié)定子的內(nèi)表面形狀為一帶有開口的內(nèi)球面，球形轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)動主軸固定為一體，轉(zhuǎn)動主軸通過開口伸向外部，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且存在氣隙，關(guān)節(jié)定子上布置有五個(gè)三相繞組，球形轉(zhuǎn)子上布置有轉(zhuǎn)子繞組。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、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)無軸承的懸浮支承并驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，其中球形轉(zhuǎn)子與關(guān)節(jié)定子之間實(shí)現(xiàn)基本無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應(yīng)速度快，提高關(guān)節(jié)的效率，延長關(guān)節(jié)及裝備的使用壽命。
文檔編號B25J17/00GK202155888SQ20112018536
公開日2012年3月7日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者張丹, 張強(qiáng), 曾勵(lì) 申請人:揚(yáng)州大學(xué)