一种应用于机器人球面关节的关节电机制造技术

一种应用于机器人球面关节的二维运动电机，依据电磁原理设计，主要功能是完成机器人单电机实现二维运动的功能，比如手腕、脚踝等需要球面运动的关节。在一块正方形导磁材料的四个角位置，安装有四个圆柱形永磁体，永磁体的磁极在对角线方向相同，这块复合永磁作为转子；使用相同的结构将永磁体更换为四个线圈，这块复合线圈作为定子。当复合线圈的驱动磁极满足一定条件时，复合永磁会获得任意方向的矢量合成后的驱动力，所以复合永磁会以复合线圈为原点，向平面的任意方向移动。依据此原理设计的电机的电机轴即可以旋转又可以推拉，当加上曲轴连杆后，就可实现精准的球面运动。就可实现精准的球面运动。就可实现精准的球面运动。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于机器人球面关节的关节电机


[0001]本专利技术属于机器人运动控制领域，具体实现机器人的二维运动关节的动力功能。

技术介绍

[0002]在当前的机器人关节运动中，都是用2个步进电机实现2个活动自由度，驱动电路也是两套独立的驱动系统。无论是从应用的体积、成本、操控的灵活度，都没有一个电机实现2个活动自由度来的直接，简单易控。

技术实现思路

[0003]基于一个电机实现2个自由度的想法，本专利技术提出了一种具有二维运动的电机。
[0004]如图1所示，图1(a)是二维电机定子一个最小单元展开后的二维图坐标，Od是原点，Xd表示电机转子输出轴的旋转方向，Yd表示电机转子输出轴的推拉方向。图1(b)是二维电机转子一个最小单元展开后的二维图坐标，Oz是原点，Xz表示电机转子输出轴的旋转方向，Yz表示电机转子输出轴的推拉方向。
[0005]电机的转子具有多个图1(b)所示的最小单元结构，每个最小单元均由永磁体组成。Oz坐标的第一、三象限是永磁体的北极N极，Oz坐标的第二、四象限是永磁体的南极S极。请注意这个转子并不是由两个条形永磁体组成的，而是由4个圆柱形磁体按照图1(b)所示的磁极排列方式，粘合在一块导磁材料上的。
[0006]如图2所示，在一块正方形的导磁材料M上，粘合着4个圆柱形永磁体，以Oz坐标为准：第一、三象限的柱形磁体M1、M3的N极在上S极在下；第二、四象限的柱形磁体M2、M4的S极在上N极在下。理论上M1、M2、M3、M4的磁性性能是一样的，所以对外呈现出无规律特性，M1、M3都通过相邻的M2、M4，与空气和底板形成各自的磁路。
[0007]为了使M1～M4在导磁材料M所构成的基板上尽量多的通过磁力线，应适当拉开M1～M4彼此的间距，以减小M1～M4磁体之间空气隙的漏磁。
[0008]对于图2所示的混合型磁体，如果外部加磁动势给以引导，就会呈现出另外一种特性。
[0009]如图3所示，在混合磁体的左边有永磁体M5，极性为上N下S。当M5靠近由M4、M、M3组合成的磁体时，会形成u1所示的磁回路，即形成M5_N
→
空气隙
→
M4_S
→
M4_N
→
M
→
M3_S
→
M3_N
→
空气隙
→
M5_S这个磁回路。
[0010]这个新形成的u1磁回路打破了原先的3个自由磁回路，即由M1_N
→
空气隙
→
M4_S
→
M4_N
→
M
→
M1_S所形成的这个磁回路，M3_N
→
空气隙
→
M2_S
→
M2_N
→
M
→
M3_S所形成的这个磁回路，以及M3_N
→
空气隙
→
M4_S
→
M4_N
→
M
→
M3_S所形成的这个磁回路。
[0011]打破了这3个磁回路的直接结果就是：M4、M、M3与M5建立了一个强磁场，绝大部分磁力线因外部磁动势M5的加入而约束在了u1所示的磁回路中。并且，M5_N与M4_S所形成的磁场空气隙，以及M5_S与M3_N所形成的磁场空气隙，成为了磁回路u1的主要磁阻。
[0012]如果M5是二维电机定子的线圈所产生，根据相对运动，线圈所形成的磁动势M5会
在磁回路u1的驱动下吸引混合型磁体，使混合型磁体向着线圈M5靠近。从前述可知Xz是二维电机转子的旋转方向，即电机转子具备了转动的基础。
[0013]同样右边的M6可以使电机的转子向另外一个方向转动。
[0014]下面将说明二维电机是如何实现推拉移动的。
[0015]如图4所示的上半部分，当在外部永磁体M8的驱动下形成磁回路u4时，u4所形成的回路M1_N
→
空气隙
→
M8_S
→
M8_N
→
空气隙
→
M4_S
→
M4_N
→
M
→
M1_S，这个因外部磁动势的加入同样打破了3个自由磁回路。
[0016]M1_N
→
空气隙
→
M2_S
→
M2_N
→
M
→
M1_S；M1_N
→
空气隙
→
M4_S
→
M4_N
→
M
→
M1_S；以及M3_N
→
空气隙
→
M4_S
→
M4_N
→
M
→
M3_S。
[0017]打破这3个自由磁回路的直接结果就是：M1、M、M4与M8建立了一个强磁场，绝大部分磁力线因外部磁动势M8的加入而约束在了u4所示的磁回路中。并且，M1_N与M8_S之间的空气隙，以及M4_S与M8_N之间的空气隙，成为了磁回路u4的主要磁阻。
[0018]如果M8是二维电机定子的线圈所产生，根据相对运动，线圈所形成的磁动势M8会在磁回路u4的驱动下吸引混合型磁体，使混合型磁体向着线圈M8靠近。从前述可知Yz是二维电机转子推拉方向，即电机转子输出轴具备了推拉移动的基础。
[0019]同理，M7使二维电机的转子输出轴向着另一个方向拉或推。
[0020]从以上叙述可以知道，图1(b)所示的二维电机的转子的最小单元，在定子线圈的驱动下，即可以使转子旋转运动；又可以使转子推拉移动。
[0021]既然是二维电机，那么就存在着从一个点移动到另一个点的跳变。比如在图1(b)所示的Oz坐标系中，要使转子从第一象限移动到第三象限，应该怎么实现呢。
[0022]如图2所示，无非就三条路：第一条路是先将M1移动到M4的位置，再将M1从第四象限移动到第三象限；第二条路是先将M1移动到M2的位置，再将M1从第二象限移动到第三象限；第三条路是直接通过Oz点移动到第三象限。
[0023]对于第一、二条路很容易实现，也很好理解。
[0024]如图5所示，当线圈M9靠近混合磁体时，按照图示电流I的方向线圈的上端是N极下端是S极，则M9会横在M1和M4之间，M9_S极靠近M1_N，而M9_N极靠近M4_S，因为M1和M4之间的磁场力使得M9转动了90度，从而可以使磁回路磁阻最小。
[0025]同样的道理，也可能横在了M1和M2之间。当然也有可能M9_N极处于M4和M2的中间点上。
[0026]但是，当混合型磁体是电机的转子，线圈M9是电机的定子时，它们只可能相对平移而不会翻转。也就是说，M9的电流I为图示方向时，如果M9在第一象限，则只可能被M1吸引住而停留在M1的正面。当M9的电流I反向时，由于转子是永磁体不会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球面关节电机的定子结构，其特征是球面关节电机的定子最小单元结构特征是在一块导磁底板(N)上排列着四个线圈(N1、N2、N3、N4)，且四个线圈(N1、N2、N3、N4)彼此隔着一定的距离(空气隙)，线圈的铁芯是底板的一部分或是独立的铁芯粘合在底板上，线圈的导线绕向是一致(逆时针或顺时针)的，四个线圈的导线是相互绝缘且独立的，线圈通电后的两个磁极中的北极(或南极)端面朝向导磁底板(N)且南极(或北极)远离底板，线圈位置按照坐标系(Od坐标系)排列，第一象限是线圈一(N1)，第二象限是线圈二(N2)，第三象限是线圈三(N3)，第四象限是线圈四(N4)；球面关节电机的定子最小单元组装结构特征是定子最小单元具有扇形条形结构，定子最小单元拼装为一个完整的空心圆柱结构，且空心圆柱的内表面构成了一个完整的内圆柱面，以及空心圆柱的外表面构成了一个完整的外圆柱面，定子最小单元的所有线圈通电后它们的磁极都是一个磁极在空心圆柱的外表面且另一个极在空心圆柱的内表面，相邻的定子最小单元之间均存在着一定的间隔(单元间隔)，空心圆柱的外表面套装着一个导磁外壳，并且导磁外壳与空心圆柱是紧密贴合的。2.一种球面关节电机的转子结构，其特征是球面关节电机的转子最小单元的结构特征是在一块导磁底板(M)上排列着四个圆柱形永磁体(M1、M2、M3、M4)，且四个永磁体(M1、M2、M3、M4)彼此隔着一定的距离(空气隙)，圆柱形永磁体的磁极在圆柱的两端，永磁体的两个磁极中的北极(或南极)端面朝向导磁底板(M)且南极(或北极)远离底板，四个永磁体是彼此独立且以坐标系(Oz坐标系)排列，第一象限是永磁体一(M1)，第二象限是永磁体二(M2)，第三象限是永磁体三(M3)，第四象限是永磁体四(M4)；球面关节电机的转子最小单元组装结构特征是输出轴镶嵌在圆柱形导磁铁芯中，圆柱形导磁铁芯作为所有转子最小单元的粘合载体，转子最小单元具有扇形条形磁体的结构并且均匀排列在圆柱形导磁铁芯外表面，且排列时相邻永磁体的磁极是不同的，转子最小单元之间存在着一定的间隔(单元间隔)且远离圆柱形导磁铁芯的一面构成了一个完整的圆柱面。3.一种球面关节电机的线圈连接结构，其特征是球面关节电机共有四组接线端(L1_P/N、L2_P/N、L3_P/N、L4_P/N)，且四组接线端具有相同的绕线方式以及相同的接线方式；其中，球面关节电机定子第一组接线端的接线方式是球面关节电机定子第一组接线端的正端(L1_P)接定子最小单元一(U1)的线圈十一(N11)的起始端(同名端)，线圈十一(N11)的末端(非同名端)接定子最小单元二(U2)的线圈
二十一(N21)的起始端(同名端)，线圈二十一(N21)的末端(非同名端)接定子最小单元三(U3)的线圈三十一(N31)的起始端(同名端)
……
线圈五十一(N51)的末端(非同名端)接定子最小单元六(U6)的线圈六十一(N61)的起始端(同名端)，线圈六十一(N61)的末端(非同名端)接球面关节电机定子第一组接线端的负端(L1_N)。4.一种球面关节电机的顺时针旋转驱动方式，其特征是当起点为零度(转子最小单元和定子最小单元正对)时，使转子顺时针旋转1/4步(1U/4)线圈的驱动特征是第一组接线端的正端(L1_P)接驱动电源的负极且负端(L1_N)接驱动电源的正极使第一组线圈(N11
……
N61)中流过负向电流，第二组接线端的正端(L2_P)接驱动电源的负极且负端(L2_N)接驱动电源的正极使第二组线圈(N12
……
N62)中流过负向电流，第三组接线端的正端(L3_P)接驱动电源的正极且负端(L3_N)接驱动电源的负极使第三组线圈(N13
……
N63)中流过正向电流，第四组接线端的正端(L4_P)接驱动电源的正极且负端(L4_N)接驱动电源的负极使第四组线圈(N14
……
N64)中流过正向电流；使转子顺时针旋转2/4步(2U/4)线圈的驱动特征是第一组接线端的正端(L1_P)接驱动电源的负极且负端(L1_N)接驱动电源的正极使第一组线圈(N11
……
N61)中流过负向电流，第二组接线端的正端(L2_P)接驱动电源的正极且负端(L2_N)接驱动电源的负极使第二组线圈(N12
……
N62)中流过正向电流，第三组接线端的正端(L3_P)接驱动电源的负极且负端(L3_N)接驱动电源的正极使第三组线圈(N13
……
N63)中流过负向电流，第四组接线端的正端(L4_P)接驱动电源的正极且负端(L4_N)接驱动电源的负极使第四组线圈(N14
……
N64)中流过正向电流；使转子顺时针旋转3/4步(3U/4)线圈的...

【专利技术属性】
技术研发人员：马东林，
申请(专利权)人：马东林，
类型：发明
国别省市：