CN100517941C - 多自由度球形行波型超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度球形行波型超声波电机。在电机机体内安装球形电机转子，在球形电机转子的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子内球面与球形电机转子相配合，五个行波定子通过分别各自的定子连接部件安装在电机机体上，在球形电机转子的输出轴上安装有相互成90°的姿态角检测机构。本发明可方便调节预压力，使定子和球形转子良好接触，使得输出力矩最大；整体结构简单，安装方便；可实现多自由度动作，简化了机械结构；可应用于假肢上的肩腕和膝关节、二自由度的CCD(监视头)云台驱动和机器人的眼球驱动等场合；姿态控制方便、响应快、精度高。

Description

多自由度球形行波型超声波电机

技术领域

本发明涉及超声波电机，尤其是涉及一种多自由度球形行波型超声波电机。

背景技术

自然界中许多现象是多自由度驱动的，如人的肩、腕和髋关节，眼球也是两自由度转动的。另外，随着科技的发展，机电系统也日益复杂化，尤其是一些精密装置对运动的要求越来越高，单自由度驱动已经无法满足要求，如机器人、摄像系统等也都要求多自由度驱动。这些系统中，若每个自由度的运动由1台单自由度电机来完成，就必然造成运动部件机构复杂、体积庞大、笨重和动态性能差。多自由度超声波电机仍具有超声波电机的一些特点：1、由于受高频振动摩擦驱动，不仅动态响应快和高分辨率，而且具有高精度，另外，由于摩擦驱动能断电自锁；2、在结构设计上具有简单性和灵活性，既可采用行波型定子，也可采用驻波型定子，可以实现二个或三个自由度运动；3、低速大力矩等。而电磁型球电机要形成球形旋转磁场造成结构十分复杂，实现十分困难，目前国内外实现的电磁型球电机性能相对较差，实用不多，多自由度超声波电机具有低速大力矩、响应快、精度高、可直接驱动等特点，具有电磁感应电机无法比拟的优点，近年已成功地应用于腹腔手术、假肢上的肩腕和膝关节、二自由度的CCD(监视头)云台驱动和机器人的眼球驱动等场合，因此，研制结构紧凑和低速大力矩的球形超声波电机十分必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多自由度球形行波型超声波电机。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

在电机机体内安装球形电机转子，在球形电机转子的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子内球面与球形电机转子相配合，五个行波定子通过分别各自的定子连接部件安装在电机机体上，在球形电机转子的输出轴上安装有相互成90°的姿态角检测机构。

所述的定子连接部件：每个均包括定子连接件、调节螺栓和螺母；行波定子的尾部装入定子连接件内，尾部与调节螺栓之间装有弹性体，定子连接件固定在电机机体上，行波定子的尾部用紧定螺钉固定。

所述的姿态角检测机构：包括姿态测试机体、两个光电编码器、两个转动滑块和两根连杆；球形电机转子的输出轴上装有随输出轴转动的、装有调心轴承的姿态测试机体，两个转动滑块下端安装在各自的轴承中，每个转动滑块上端分别安装光电编码器，两根连杆与各自的转动滑块孔滑动配合，每根连杆的一端与姿态测试机体成90°连接，其中一个是铰接连接，另一个为固定连接。

所述的两根连杆与调心轴承均安装在同一平面内。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1.整体结构简单，安装方便。多自由度球形超声波电机采用环状行波型定子，能实现二或三个方向的转动。整个电机是由球形转子和行波定子等部件组成，行波定子的端面成内球面，这样可以使定子和球形转子良好接触，提高装配对中性；另外，这种结构的电机对定子轴线的对中较敏感。在调整时一般在每对定子中先固定一个定子，另一个定子使用可调整轴线位置的机构。由于多自由度球形超声波电机有两对垂直相交的行波型定子，两对定子的夹紧自然固定了转子。

2.姿态控制方便、响应快、精度高。对于多自由度球形超声波电机，由于电机转子转速与两定子的驱动速度线性相关，因此其位置和速度的控制比较简单，其位置和速度的反馈是用球铰机构加小型光电编码器组成的。

3.可方便调节预压力，使定子和球形转子良好接触，使得输出力矩最大。

4.可实现多自由度动作，简化了机械结构。可应用于假肢上的肩腕和膝关节、二自由度的CCD(监视头)云台驱动和机器人的眼球驱动等场合。

附图说明

图1是多自由度球形超声波电机结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的E-E剖视图；

图4是电机机体的结构示意图。

图中：1、姿态测试机体，2、紧定螺钉，3、定子连接件，4、电机机体，5、连接螺栓，6、调节螺栓，7、螺母，8、弹性体，9、半圆头滑键，10.1、10.2、10.3、10.4、10.5、行波定子，11、球形电机转子，12、光电编码器，1.1、连接螺栓，1.2、垫高块，1.3、安装块，1.4、轴承，1.5、紧固螺钉，1.6、转动滑块，1.7、连杆，1.8、固定连接点，1.9、轴承安装环，1.10、调心轴承，1.11.铰链连接点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明是在电机机体4内安装球形电机转子11，在球形电机转子11的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子10.1、10.2、10.3、10.4、10.5内球面与球形电机转子11相配合，五个行波定子通过分别各自的定子连接部件安装在电机机体4上，在球形电机转子11的输出轴上安装有相互成90°的姿态角检测机构。

所述的定子连接部件：每个均包括定子连接件3、调节螺6和螺母7；行波定子的尾部装入定子连接3内，尾部与调节螺栓6之间装有弹性体8，定子连接件3固定在电机机体4上，行波定子的尾部通过紧定螺钉2和半圆头滑键9周向紧定，行波定子轴上开有键槽以便半圆头滑键可滑动，行波定子的压紧力通过高分子材料弹性体8的形变由螺栓7调整给定，调整后由固定螺母6锁定。

所述的姿态角检测机构：包括姿态测试机体1、两个光电编码器12、两个转动滑块1.6和两根连杆1.7；球形电机转子11的输出轴上装有随输出轴转动的、装有调心轴承的姿态测试机体1，两个转动滑块1.6下端安装在各自的轴承座中，每个转动滑块1.6上端分别安装光电编码器12，两根连杆1.7与各自的转动滑块1.6孔滑动配合，每根连杆1.7的一端与姿态测试机体1成90°连接，其中一个是铰接连接，1.11为铰链连接点，另一个为固定连接，1.8为固定连接点。

所述的两根连杆1.7与调心轴承均安装在同一平面内。

采用调心轴承和连杆的测量结构，在球型电机转子上安装输出轴(其轴线通过球心)，输出轴上装有能两自由度回转的调心轴承，两连杆与调心轴承在同一平面内(这一平面与四个行波定子组成平面平行)，当输出轴在中心位置时(即输出轴轴线垂直于四个行波定子组成的平面时)，两连杆是互相垂直的，即各连杆中心线与调心轴承中心相交。

采用姿态测量机构的多自由度球形超声波电机的示意图如图2所示。

1.如图1所示，球型电机转子11底部安装的行波定子10.5，其作用承担球转子自重，并使球转子定心(几个中心)保证其余四个定子安装方便，球转子中心高度可通过螺栓调节。电机工作时在定子中通两相同相位的交流电，使行波定子产生驻波，这样是使球转子产生一定的悬浮力，并使球转子转动时摩擦阻力最小化。如把驻波变为行波，就可作三自由度运动。

2、行波型定子由金属弹性体、压电陶瓷和胶粘层组成的复合体，定子采用磷青铜等高密度材料，在压电陶瓷施加交变电压后能产生机械谐振位移，它通过定子传递给转子，这样就实现了电能转化成机械能，促使转子的转动。定子表面切有齿，且外缘采用大倒角，内缘与球形转子接触，接触区为一窄接触线，在定子内椽接触区粘涂一层摩擦材料，避免定转子直接的刚性接触，采用此结构有以下优点：①由于五个定波定子工作同一工作频率，但其谐振因工艺和加工等误差很难使得五个定子的谐振动频率一致，可通过外缘倒角的角度微调实现，这样不会影响定子的内缘接触区，不会损伤定子接触面。②线接触，保证回转的同心度，而面接触由于加工困难，难以保证接触面的均匀性，回转的中心一般不通过定子轴心，对多自由度电机的控制带来很多困难。③线接触模型，便于在定子上加工摩擦材料，降低噪声，而面接触其摩擦材料的涂附和加工较为困难，难以保证精度，同时线接触也使安装方便；④外缘大倒角大幅提高定子接触面的振幅(定子工作在第5阶模态振动)，可提高电机性能，转速和力矩都能大幅提高；⑤另外，外缘的大倒角使定子总体齿高降低，模态频率升高，其临近的模态频率相差较大不容易出现模态混迭，即使模态清晰，可使电机不产生噪声。

3、球形转子通过两对行波定子的组合驱动，可实现两自由度转动，在对球转子输出的姿态进行控制时，需要对球转子的运动姿态进行测量，如图1和图2所示，在球形转子安装输出柄11(超声波电机的输出轴)，输出柄通过安装有调心轴承的轴承安装环与连杆1.7，分别与轴承安装环1.8固连、1.9铰接，两连杆位于同一平面(图示X-Y水平面)，当输出柄位于转子正中时(与X轴线和Y轴线组成平面垂直时)，两连杆相互垂直，转子姿态变化时输出柄可在调心轴承中滑动，而调心轴承则在轴承环中可各个方向转动，与连杆相连的各滑块分别与光电编码器连接，球转子转动时带动两光电编码器转动，通过几何关系可把光电编器的转角转换面球形转子的转角。

Claims (4)

1.多自由度球形行波型超声波电机，其特征在于：在电机机体(4)内安装球形电机转子(11)，在球形电机转子(11)的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子(10.1、10.2、10.3、10.4、10.5)内球面与球形电机转子(11)相配合，五个行波定子分别通过各自的定子连接部件安装在电机机体(4)上，在球形电机转子(11)的输出轴上安装有相互成90°的姿态角检测机构。

2.根据权利要求1所述的多自由度球形行波型超声波电机，其特征在于所述的定子连接部件：每个均包括定子连接件(3)、调节螺栓(6)和螺母(7)；行波定子的尾部装入定子连接件(3)内，尾部与调节螺栓(6)之间装有弹性体(8)，定子连接件(3)固定在电机机体(4)上，行波定子的尾部用紧定螺钉(2)固定。

3.根据权利要求1所述的多自由度球形行波型超声波电机，其特征在于所述的姿态角检测机构：包括姿态测试机体(1)、两个光电编码器(12)、两个转动滑块(1.6)和两根连杆(1.7)；球形电机转子(11)的输出轴上装有随输出轴转动的、装有调心轴承的姿态测试机体(1)，两个转动滑块(1.6)下端安装在各自的轴承座中，每个转动滑块(1.6)上端分别安装光电编码器(12)，两根连杆(1.7)与各自的转动滑块(1.6)孔滑动配合，每根连杆(1.7)的一端与姿态测试机体(1)成90°连接，其中一个是铰接连接，另一个为固定连接。

4.根据权利要求3所述的多自由度球形行波型超声波电机，其特征在于：所述的两根连杆(1.7)与调心轴承均安装在同一平面内。

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