多自由度球形致动器制造技术

本发明专利技术公开了一种多自由度球形致动器。多自由度球形致动器包括球形定子、第一线圈、第二线圈、电枢以及多个磁体。球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线。第一、第二和第三对称轴线被设置成彼此垂直。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕在球形定子上，并且第二线圈围绕第二对称轴线缠绕在该球形定子上。电枢与球形定子间隔分开并且环绕该球形定子的至少一部分。电枢具有内表面并且能相对于球形定子运动。磁体被联接至电枢的内表面，并且从该内表面延伸，并且磁体中的每一个均与球形定子间隔分开。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体上涉及电磁装置，并且更具体地涉及多自由度球形致动器。
技术介绍
通常已知的是，被设计成在多于一个的自由度（DoF）上移动物体的目前可用的运动控制系统包括用于每一个自由度的单独的马达或致动器。更具体地，需要至少两个马达或致动器以实施2个自由度的运动，需要至少三个马达或致动器以实施3个自由度的运动，以及等等。因此，涉及不止一个自由度的机械装置趋于有些大且笨重，并且因此效率低。尽管电子器件和传感器技术近年来已经显著地变得更小，但是机械运动技术还没有跟上。这就是为什么运动系统（诸如摇摄（pan）/倾斜机械装置）通常不会在较小的平台上使用，诸如迷你UAV或微型UAV（无人机）以及微型卫星。依赖于多自由度运动控制的机器人系统必须完全忍受当前运动叠加（motion-on-motion）系统的固有低效率。对于上面所描述的问题的一种解决方案公开在名称为“球形指向致动器（GlobalPointingActuator）”的美国专利号7,675,208中。在其中公开的致动器包括带有缠绕在其上的“纬度线圈”和“经度线圈”的球形定子。然而，该致动器也展现出某些缺点。例如，经度线圈在物理上难以缠绕。这是因为绕组不平行且在球形定子的两级处会聚，或者“聚成一团”。这增加总成本和大小，并且降低线圈效率。另一个缺点是要求单独的定心转矩（例如，弹簧或磁性掣子）以实施电枢的开环位置控制。因此，存在对于多自由度球形致动器的需求，该多自由度球形致动器与已知的装置相比相对更小、没那么笨重且更有效和/或不包括难以缠绕的线圈和/或不依赖于单独的定心转矩以实施电枢的开环位置控制。本专利技术解决了至少这些需求。
技术实现思路
提供本
技术实现思路
来以简化的形式描述在具体实施方式中进一步被描述的选定理念。该
技术实现思路
不旨在确定所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助。在一个实施例中，多自由度球形致动器包括球形定子、第一线圈、第二线圈、电枢以及多个磁体。球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线。第一、第二和第三对称轴线被设置成彼此垂直。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕在球形定子上，并且第二线圈围绕第二对称轴线缠绕在球形定子上。电枢与球形定子间隔分开，并且环绕该球形定子的至少一部分。电枢具有内表面并且能相对于球形定子运动。磁体被联接至电枢的内表面并且从该内表面延伸，并且磁体中的每一个均与球形定子间隔分开。在另一个实施例中，多自由度球形致动器包括球形定子、第一线圈、第二线圈、第三线圈、电枢以及多个磁体。球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线。第一、第二和第三对称轴线被设置成彼此垂直。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕在球形定子上，第二线圈围绕第二对称轴线缠绕在球形定子上，并且第三线圈围绕第三对称轴线缠绕在球形定子上。电枢与球形定子间隔分开，并且环绕该球形定子的至少一部分。电枢具有内表面并且能相对于球形定子运动至电枢位置。磁体被联接至电枢的内表面并且从该内表面延伸，并且磁体中的每一个均与球形定子间隔分开。电枢位置响应于第一、第二和第三线圈中的一个或多个中的电流量值和方向被控制。在又另一个实施例中，多自由度致动控制系统包括球形定子、第一线圈、第二线圈、第三线圈、电枢、多个磁体、以及控制器。球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线。第一、第二和第三对称轴线被设置成彼此垂直。第一线圈围绕第一对称轴线缠绕在球形定子上，第二线圈围绕第二对称轴线缠绕在球形定子上，并且第三线圈围绕第三对称轴线缠绕在球形定子上。电枢与球形定子间隔分开，并且环绕该球形定子的至少一部分。电枢具有内表面并且能相对于球形定子运动到电枢位置。磁体被联接至电枢的内表面并且从该内表面延伸，并且磁体中的每一个均与球形定子间隔分开。控制器被联接至第一、第二和第三线圈，并且被构造成控制在第一、第二和第三线圈中的每一个中的电流量值和方向以由此控制电枢位置。另外，结合附图和前述
技术介绍
，多自由度球形致动器的其他良好特征和特性将从随后的具体实施方式和所附权利要求中变得明显。附图说明此后将结合下述附图描述本专利技术，其中，相同的数字表示相同的元件，并且其中：图1描绘多自由度球形致动器的一个示例实施例的平面视图；图2描绘多自由度球形致动器的一部分的简化横截面视图；图3描绘多自由度球形致动器的一部分的简化横截面视图，其说明转矩是如何产生的；图4A-4C描绘带有处于不同的电枢位置的电枢的多自由度球形致动器；图5描绘多自由度球形致动器可以作为马达被操作的方式；图6-8描绘带有旋转的且置于各种电枢位置中的电枢的多自由度球形致动器；图9描绘多自由度致动控制系统的功能框图；图10描绘带有安装在球形定子内的电子器件的多自由度球形致动器的平面图；图11和图12分别描绘以装有万向接头的方式或未装有万向接头的方式安装的多自由度球形致动器；以及图13A和图13B描绘多自由度球形致动器的另一个实施例。具体实施例下述具体实施方式本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本专利技术或本专利技术的应用和使用。当在本文中使用时，词语“示例性的”意味着“用作示例、实例或例证”。因此，本文中描述为“示例性的”任何实施例均不必然被解释为比其他实施例优选或有利。在本文中所描述的全部实施例都是示例性实施例，其被提供以使得本领域技术人员能够做出或使用本专利技术，并且不限制由权利要求所限定的本专利技术的范围。此外，不存在受前述
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或下述具体实施方式中所呈现的任何明示或暗示的理论约束的意图。就这个方面，要指出的是在本文中公开的多自由度球形致动器，为了便于解释和说明，通常被描述为作为马达操作。然而，本领域的普通技术人员将理解的是，所公开的致动器还可以作为发动机或传感器（例如，来自所产生的反电动势的速率传感器）、或许多其他装置被操作。首先参考图1，描绘了多自由度球形致动器100的一个实施例的平面视图，并且其包括球形定子102、电枢104以及多个磁体106。球形定子102，如该术语所暗示的，是球形形状的，并且因此具有三个垂直设置的对称轴线108：第一对称轴线108-1、第二对称轴线108-2和第三对称轴线108-3。球形定子102优选地包括导磁材料，诸如铁或铁合金，并且优选地被实施为中空球体。优选地，球形定子102经由，例如，安装结构112，固定安装至另一个未描绘的结构。该未描绘的结构可以是，例如，墙壁、天花板、船舶或飞行器舱壁、或者船舶或飞行器机身，仅举几个例子。电枢104与球形定子102间隔分开，并且环绕该球形定子102的至少一部分。包括内表面114和外表面116的电枢104被安装成使得它能相对于球形定子102运动。优选地，电枢104被安装成使得它能相对于球形定子102围绕两个或三个对称轴线108运动。因此，可以安装在电枢104的外表面116上的装置115（诸如传感器、激光器、或其他适合的装置）可以运动至期望的位置。该运动如何实现将在下面进一步描述。类似于球形定子102，电枢104也优选地包括导磁材料，诸如例如，铁或铁合金。磁体106（在图1中仅一个可见）被联接至电枢104的内表面116，并且从该内表面116向内延伸，并且磁体106与球形定子102间隔分开。在所描绘的实施例中，如在图2中更清楚地示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度球形致动器，其包括：球形定子，所述球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，所述第一、第二和第三对称轴线被设置成彼此垂直；第一线圈，所述第一线圈围绕所述第一对称轴线缠绕在所述球形定子上；第二线圈，所述第二线圈围绕所述第二对称轴线缠绕在所述球形定子上；电枢，所述电枢与所述球形定子间隔分开，并且环绕所述球形定子的至少一部分，所述电枢具有内表面并且能相对于所述球形定子运动；以及多个磁体，所述多个磁体被联接至所述电枢的所述内表面并且从所述内表面延伸，所述磁体中的每一个均与所述球形定子间隔分开。

【技术特征摘要】
2015.07.07 US 14/7927991.一种多自由度球形致动器，其包括：球形定子，所述球形定子具有第一对称轴线、第二对称轴线和第三对称轴线，所述第一、第二和第三对称轴线被设置成彼此垂直；第一线圈，所述第一线圈围绕所述第一对称轴线缠绕在所述球形定子上；第二线圈，所述第二线圈围绕所述第二对称轴线缠绕在所述球形定子上；电枢，所述电枢与所述球形定子间隔分开，并且环绕所述球形定子的至少一部分，所述电枢具有内表面并且能相对于所述球形定子运动；以及多个磁体，所述多个磁体被联接至所述电枢的所述内表面并且从所述内表面延伸，所述磁体中的每一个均与所述球形定子间隔分开。2.根据权利要求1所述的致动器，其中：所述电枢能相对于所述球形定子运动至电枢位置；以及所述电枢位置响应于在所述第一和第二线圈中的电流量值和方向被控制。3.根据权利要求1所述的致动器，其中，当出现下述情况时，所述电枢将围绕所述第三对称轴线连续地旋转：所述第一线圈用第一交变电流通电；所述第二线圈用第二交变电流通电；并且所述第一和第二交变电流在幅值上相等并且相位相差180度。4.根据权利要求3所述的致动器，其进一步包括：第三线圈，所述第三线圈围绕所述第三对称轴线缠绕在所述球形定子上，其中，当所述第三线圈用第三交变电流通电时，所述电枢将围绕所述第一对称轴线或所述第二对称轴线之一旋转。5.根据权利要求4所述的致动器，其中：当所述第一和第三交变电流同相位时，所述电枢将围绕所述第一对称轴线旋转；以及当所述第二和第三交变电流同相位时，所述电枢将围绕所述第二对称轴线旋转。6.根据权利要求1所述的致动器，其进一步包括：第三线圈，所述第三线圈围绕所述第三对称轴线缠绕在所述球形定子上。7.根据权利要求6所述的致动器，其中：所述电枢能相对于所述球形定子运动至电枢位置；以及所述电枢位置响应于在所述第一、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：P班德拉，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US