專利名稱：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：
本發(fā)明涉及一種球形關(guān)節(jié)，具體地，涉及一種感應(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)在具有多個運動自由度的設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景，例如在機器人及機械手，乃至多坐標(biāo)機械加工中心、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、移動機構(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，屬于機器人的基礎(chǔ)部件，是整個機器人伺服系統(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、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、氣罐和空壓機組成的氣壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)；第三，采用伺服電機、減速傳動裝置等組成的電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。從機器人關(guān)節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀可知，目前機器人關(guān)節(jié)通常采用電機加減速機構(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)的運動是通過連桿連接的幾個關(guān)節(jié)利用平移和旋轉(zhuǎn)運動協(xié)調(diào)運動產(chǎn)生的，往往需要采用多套單自由度的驅(qū)動機構(gòu)以及復(fù)雜的機械傳動機構(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，運動空間范圍小，響應(yīng)遲緩，動態(tài)性能較差，而且機械傳動系統(tǒng)誤差的累計導(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。有鑒于此，需要設(shè)計一種新型的球形關(guān)節(jié)，以緩解現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有球形關(guān)節(jié)存在的上述問題，基于磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，提供一種機械集成度高、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)方案實現(xiàn)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、以及用于控制所述關(guān)節(jié)定子上各個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)形的五個三相繞組，該五個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、所述轉(zhuǎn)動主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組相對于Y軸對稱并且各自圓心處的法線與X軸同軸，兩個三相繞組相對于X軸對稱并且各自圓心處的法線與Y軸同軸，一個三相繞組圓心處的法線與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，CN 102259342 A
說明書
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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。選擇地，所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面上的開口為圓形開口。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，實現(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為本發(fā)明具體實施方式
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為本發(fā)明具體實施方式
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發(fā)明具體實施方式
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。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)的具體實施方式
。參見圖1至圖4，本發(fā)明的感應(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)形的五個三相繞組，該五個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、所述轉(zhuǎn)動主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組在圓心處的法線與X軸同軸(即X軸通過該兩個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，兩個三相繞組的圓心處的法線與Y軸同軸(即Y軸通過該兩個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)球面包含五個區(qū)域。以內(nèi)球面球心為坐標(biāo)原點，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，其區(qū)域圓心處法線與Z軸共線，其余每2個圓形球面區(qū)域?qū)ΨQ于坐標(biāo)原點(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)沿圓周方向繞有一套三相線圈繞組，同一坐標(biāo)軸方向上兩個圓形區(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，所述感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，對X軸方向的2個區(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，2個區(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，2個區(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?。粚軸方向的1個區(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，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，本發(fā)明的感應(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)通過控制各個三相繞組通電狀態(tài)來控制各個方向的磁拉力，即能夠容易地實現(xiàn)多自由度運動，其無需通過多套單自由度的驅(qū)動機構(gòu)以及復(fù)雜的機械傳動機構(gòu)來完成運動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，實現(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。本發(fā)明的感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)在機器人的關(guān)節(jié)及機械手的關(guān)節(jié)、多坐標(biāo)機械加工中心、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、移動機構(gòu)的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運動自由度的設(shè)備中具有很好的應(yīng)用前景。在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術(shù)特征，可以通過任何合適的方式進行任意組合，其同樣落入本發(fā)明所公開的范圍之內(nèi)。同時，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。此外，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明的保護范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.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)形的五個三相繞組，該五個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、所述轉(zhuǎn)動主軸為Z軸的三維坐標(biāo)系內(nèi)，所述五個三相繞組中的兩個三相繞組相對于Y軸對稱并且各自圓心處的法線與X軸同軸，兩個三相繞組相對于X軸對稱并且各自圓心處的法線與 Y軸同軸，一個三相繞組圓心處的法線與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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)式磁懸浮球形主動關(guān)節(jié)，其特征是，所述關(guān)節(jié)定子內(nèi)球面上的開口為圓形開口。
全文摘要
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)定子上布置有五個三相繞組，球形轉(zhuǎn)子上布置有轉(zhuǎn)子繞組。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、合理、緊湊，綜合應(yīng)用磁懸浮技術(shù)和電機技術(shù)，實現(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H02N15/00GK102259342SQ201110148390
公開日2011年11月30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, 曾勵 申請人:揚州大學(xué)