CN102009413B - 一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节，该球电机由定子组件、转子组件、被动球关节和基座组成。其被动球关节组件包括有上转台、下转台、十字轴、A吊板、B吊板、支撑板、双轴倾角传感器、编码器、Z向轴。支撑板通过A吊板和B吊板与上转台连接，十字轴通过四个滚珠轴承分别与上转台、下转台连接，双轴倾角传感器安装在支撑板上，编码器安装在Z向轴的另一端上。将具有姿态检测的被动球关节应用到球电机中，同时也将这样的球电机应用到机器人手臂的肩、腕关节中，能够使机器人手臂上的关节数目减少。在关节数目减少的条件下能够避免传动机构的弹性变形和运动死区造成运动精度低缺陷；也使得机器人手臂的结构得以简化、体积小、重量轻、响应速度快等。

Description

一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节

技术领域

本发明涉及一种被动球关节，更特别地说，是指一种具有姿态检测的三自由度被动球关节，同时该被动球关节也作为球电机的转子支撑。

背景技术

仿生学是机器人技术发展的重要基础之一。人的手臂具有七个自由度，即肩、腕是三自由度球关节，肘是单自由度旋转关节。人类手臂既有较大的工作空间、较好的承载能力，又有突出的灵活性。而球电机可以实现空间三自由度连续的旋转运动，因此，球电机的发展在机器人领域得到了广泛的重视。

常规的电机都是单轴运动的，因此机器人的各个关节也被单轴驱动。例如用三个单自由度关节组合的形式来模拟人的肩、腕关节的功能。虽然设计者可以在机构外形上设计出一个类似人腕或人肩的三自由度球关节，但究其内部驱动实现的本质来看，则仍然是三个独立的单轴电机通过传动机构的组合来模拟球关节的功能。这样组合而成的球关节和真正一体化的球关节在功能上并不等同，甚至大相径庭。一般说来，用组合单自由度电机形成多自由度关节的方案来实现多自由度的运动受到如下的局限：

第一，不可避免地存在传动机构的弹性变形和运动死区是造成运动精度降低的原因；

第二，组合电机及附件的质量和惯量较大导致高能量损耗，运动反应灵敏度和快速性欠佳使应用范围受限；

第三，在关节在运动过程中容易存在运动学奇异。

相对于传统上用几个单自由度马达串联或并联组成的多自由度旋转运动机构来说，球型电机具有显著的优点，如体积小、重量轻、响应速度快、没有空回以及在工作空间内没有奇异点等。但是，对于球电机转子姿态的检测，有基于视觉传感器、光学传感器或者霍尔传感器的非接触式姿态检测；也有采用编码器和滑动导轨组成的检测装置。但这些检测方法的精度和稳定性都因为各种原因无法得到保证。针对这种情况，本发明专利申请提出一种即可实现球电机转子的三维姿态检测、也能起到支撑球电机转子的三自由度被动球关节。

发明内容

本发明设计的具有姿态检测的三自由度被动球关节，该被动球关节采用电磁力驱动，球电机的转子的球心是被动球关节十字轴的中心。本发明的被动球关节可以支撑转子实现连续的三自由度旋转，同时，通过编码器实现球电机转子的z方向转角测量，利用双轴倾角传感器对转子的x和y方向的旋转角度进行测量，有效解决了球电机的转子的支撑和球电机的姿态检测问题。当球电机的转子受电磁力产生三维旋转运动时，将带动被动球关节作相应的三维旋转，通过从编码器和倾角传感器上读到相应的旋转角度，从而实现了球电机转子的三维姿态检测。

本发明的一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节，所述的球电机包括有被动球关节组件、球电机定子组件、球电机转子组件和基座；所述的被动球关节组件包括有上转台、下转台、十字轴、A吊板、B吊板、支撑板、双轴倾角传感器、编码器、Z向轴；

上转台的A侧板上设有A轴承孔，所述的A轴承孔用于放置C滚珠轴承；上转台的B侧板上设有B轴承孔，所述的B轴承孔用于放置E滚珠轴承，所述的B侧板的外侧上安装有A轴承端盖，该A轴承端盖用于阻止E滚珠轴承滑落；上转台的顶板上设有C轴承孔，所述的C轴承孔内从上至下放置有A滚珠轴承、B滚珠轴承；顶板的下方安装有C轴承端盖，该C轴承端盖用于阻止B滚珠轴承滑落；C轴承端盖的下方安装有编码器。

下转台的A立板上设有D轴承孔，D轴承孔用于放置F滚珠轴承，A立板的外侧安装有B轴承端盖，该B轴承端盖用于阻止F滚珠轴承滑落；下转台的B立板上设有E轴承孔，E轴承孔用于放置D滚珠轴承；下转台的横板的两端设有A螺纹孔、B螺纹孔、C螺纹孔、D螺纹孔；A螺纹孔内安装有A支撑杆的另一端，A支撑杆的一端穿过A沉头孔后套接有一螺母；B螺纹孔内安装有B支撑杆的另一端，B支撑杆的一端穿过B沉头孔后套接有一螺母；C螺纹孔内安装有C支撑杆的另一端，C支撑杆的一端穿过C沉头孔后套接有一螺母；D螺纹孔内安装有D支撑杆的另一端，D支撑杆的一端穿过D沉头孔后套接的一螺母。

十字轴的X向轴的一端套接在C滚珠轴承上，X向轴的另一端套接在E滚珠轴承上；十字轴的Y向轴的一端套接在D滚珠轴承上，Y向轴的另一端套接在F滚珠轴承上；

A吊板的一端安装在支撑板的一侧上，A吊板的另一端安装在上转台的B侧板的底部。

B吊板的一端安装在支撑板的另一侧上，B吊板的另一端安装在上转台的A侧板的底部。

支撑板上方安装有双轴倾角传感器。

编码器安装在C轴承端盖的下方，且编码器的敏感端与Z向轴的另一端连接。

Z向轴为一阶梯轴结构，Z向轴的A轴承段上套接有A滚珠轴承，Z向轴的B轴承段上套接有B滚珠轴承，Z向轴的一端与输出杆的另一端连接，输出杆的一端用来连接负载，Z向轴的另一端连接有编码器的敏感端。

本发明的具有姿态检测的三自由度被动球关节的优点在于：

①通过在被动球关节中安装编码器和双轴倾角传感器，实现了球电机转子姿态的检测。实时的、准确的获得球电机转子姿态信息，从而通过在引入反馈和借助各种控制规律来实现球电机的闭环控制。

②利用被动球关节支撑球电机转子，减少了其它支撑方法中定子和转子间摩擦力过大的问题。将球电机转子的三维旋转分解为被动球关节的三轴旋转，三轴的旋转由滚动轴承嵌入的钢珠滚动实现，这样定子和转子间的摩擦力也非常小。

③双轴倾角传感器可以同时实现X向轴、Y向轴旋转角度的测量，相当于取代了两个编码器的功能。这样的设计不仅使球电机转子的检测更为简单，而且节省了转子内部空间。

④被动球关节运用仿生学原理，以仿人臂的肩、腕关节运动来实现三自由度运动。被动球关节的十字轴的轴心与球电机转子同心。

⑤被动球关节中以十字轴的X向轴为被动球关节的X轴，以十字轴的Y向轴为被动球关节的Y轴，以球电机转子的输出杆(Z向轴连接在输出杆的一端上)为被球关节的Z轴。

附图说明

图1是本发明球电机的外部结构图。

图1A是本发明球电机的分解图。

图1B是未装配定子组件的球电机的结构图。

图2是本发明球电机的定子的结构图。

图3是本发明球电机的转子的结构图。

图4是本发明被动球关节组件的结构图。

图4A是本发明被动球关节组件的分解图。

图4B是本发明被动球关节组件的另一视角结构图。

图中：               1.被动球关节组件    11.上转台      111.A侧板      112.A轴承孔

113.B侧板            114.B轴承孔         115.顶板       116.C轴承孔    11A.C轴承端盖

12.下转台            12A.A支撑杆         12B.B支撑杆    12C.C支撑杆    12D.D支撑杆

121.A立板            122.B立板           123.D轴承孔    124.E轴承孔    125.A螺纹孔

126.B螺纹孔          127.C螺纹孔         128.D螺纹孔    129.横板

13.十字轴            13A.X向轴           13B.Y向轴      13C.A轴承端盖  13D.B轴承端盖

14.A吊板             15.B吊板            16.支撑板      17.双轴倾角传感器

18.编码器            19.Z向轴            191.A轴承段    192.B轴承段    10A.A滚珠轴承

10B.B滚珠轴承        10C.C滚珠轴承       10D.D滚珠轴承  10E.E滚珠轴承  10F.F滚珠轴承

2.球电机定子组件     21.A组沉头孔        22.B组沉头孔   23.环体

24.定子底部          25.螺纹孔           2A.定子线圈    2B.定子

3.球电机转子组件     31.半球体           32.E沉头孔     33.空腔

3A.转子磁极          3B.输出杆           3C.转子

4.基座               401.定位外环        402.定位内环   403.凹腔       404.A螺纹孔

451.A沉头孔          452.B沉头孔         453.C沉头孔    454.D沉头孔

411.第一个L形连接件  412.第二个L形连接件 413.第三个L形连接件  414.第四个L形连接件

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种球电机，包括有包括有被动球关节组件1、球电机定子组件2、球电机转子组件3和基座4；安装有本发明设计的具有姿态检测的三自由度的被动球关节1的球电机，该球电机能够实现空间三自由度连续旋转。被动球关节组件1安装在基座4的定位内环402上，球电机定子组件2的定子2B的底部安装在基座4的定位内环402的四个L形连接件上，球电机转子组件3安装在被动球关节组件1上。

一、基座4

参见图1A所示，基座4的定位外环401上设有A螺纹孔404，所述的A螺纹孔404用于实现将球电机与外部的、需要驱动的连接件连接，实现将本发明的球电机安装在所需的关节处。

基座4的定位内环402上设有A沉头孔451、B沉头孔452、C沉头孔453、D沉头孔454；A沉头孔451内用于放置A支撑杆12A的一端，B沉头孔452内用于放置B支撑杆12B的一端，C沉头孔453内用于放置C支撑杆12C的一端，D沉头孔454内用于放置D支撑杆12D的一端。

基座4的定位内环402的中部是凹腔403，该凹腔403可以减轻基座4的重量；

基座4的定位内环402的边缘上设有第一个L形连接件411、第二个L形连接件412、第三个L形连接件413、第四个L形连接件414，且每个L形连接件上设有一通孔；所述的通孔与球电机定子组件2的定子2B底部的四个螺纹孔25相配合，使用螺钉实现将定子2B底部安装在基座4的定位内环402上。

二、定子组件2

参见图1、图1A、图2所示，定子组件2包括有定子2B和定子线圈2A。

定子2B的底部24设有四个螺纹孔25，该四个螺纹孔25分别与基座4上的四个L形连接件上的通孔相配合。

定子2B的环体23上开有A组沉头孔21和B组沉头孔22。

A组沉头孔21由结构相同的12个沉头孔组成，该12个沉头孔均匀分布在环体23上。

B组沉头孔22由结构相同的12个沉头孔组成，该12个沉头孔均匀分布在环体23上。

定子2B的环体23上的所述24个沉头孔内分别安装有24个定子线圈2A。

在本发明中，定子线圈2A是在线圈骨架上缠绕铜线构成，为市售产品，规格为AWG24。当按照一定的控制策略给定子线圈2A通以电流时，与转子磁极3A相互作用，实现球电机的运动。

三、转子组件3

参见图1A、图3所示，转子组件3包括有转子3C、转子磁极3A、输出杆3B，输出杆3B的另一端安装在转子3的半球体31顶部，且输出杆3B另一端的底部连接有Z向轴19的一端，输出杆3B的一端用来连接负载(即需要运动的关节)装置。转子磁极3A置于转子3C的空腔33内，且转子磁极3A的每一个极端伸出转子3C上的每一个E沉头孔32。

所述转子3的半球体31上开有结构相同的8个E沉头孔32，该8个E沉头孔32用于放置转子磁极3A的每一个极端。

在本发明中，转子磁极3A选用N35UH钕铁硼稀土永磁体，它可以为球电机提供强磁场，通过转子磁极3A与定子线圈2A之间的相互作用，实现球电机的运动。

四、被动球关节组件1

参见图1A、图4、图4A、图4B所示，被动球关节组件1包括有上转台11、下转台12、十字轴13、A吊板14、B吊板15、支撑板16、双轴倾角传感器17、编码器18、Z向轴19。

上转台11的A侧板111上设有A轴承孔112，所述的A轴承孔112用于放置C滚珠轴承10C；

上转台11的B侧板113上设有B轴承孔114，所述的B轴承孔114用于放置E滚珠轴承10E，所述的B侧板113的外侧上安装有A轴承端盖13C，该A轴承端盖13C用于阻止E滚珠轴承10E滑落；

上转台11的顶板115上设有C轴承孔116，所述的C轴承孔116内从上至下放置有A滚珠轴承10A、B滚珠轴承10B；顶板115的下方安装有C轴承端盖11A，该C轴承端盖11A用于阻止B滚珠轴承10B滑落；C轴承端盖11A的下方安装有编码器18。

下转台12的A立板121上设有D轴承孔123，D轴承孔123用于放置F滚珠轴承10F，A立板121的外侧安装有B轴承端盖13D，该B轴承端盖13D用于阻止F滚珠轴承10F滑落；

下转台12的B立板122上设有E轴承孔124，E轴承孔124用于放置D滚珠轴承10D；

下转台12的横板129的两端设有A螺纹孔125、B螺纹孔126、C螺纹孔127、D螺纹孔128；A螺纹孔125与B螺纹孔126在同一端，C螺纹孔127与D螺纹孔128在另一端；A螺纹孔125内安装有A支撑杆12A的另一端，A支撑杆12A的一端穿过A沉头孔451后套接有一螺母；B螺纹孔126内安装有B支撑杆12B的另一端，B支撑杆12B的一端穿过B沉头孔452后套接有一螺母；C螺纹孔127内安装有C支撑杆12C的另一端，C支撑杆12C的一端穿过C沉头孔453后套接有一螺母；D螺纹孔128内安装有D支撑杆12D的另一端，D支撑杆12D的一端穿过D沉头孔454后套接的一螺母。

十字轴13的X向轴13A的一端套接在C滚珠轴承10C上，X向轴13A的另一端套接在E滚珠轴承10E上；

十字轴13的Y向轴13B的一端套接在D滚珠轴承10D上，Y向轴13B的另一端套接在F滚珠轴承10F上；

由于C滚珠轴承10C和E滚珠轴承10E分别安装在上转台11的A轴承孔112和B轴承孔114中，从而实现了十字轴13的X向轴13A连接在上转台11上；

由于D滚珠轴承10D和F滚珠轴承10F分别安装在下转台12的E轴承孔124和D轴承孔123中，从而实现了十字轴13的Y向轴13B连接在下转台12上。

A吊板14的一端安装在支撑板16的一侧上，A吊板14的另一端安装在上转台11的B侧板113的底部。

B吊板15的一端安装在支撑板16的另一侧上，B吊板15的另一端安装在上转台11的A侧板111的底部。

支撑板16上方安装有双轴倾角传感器17。在本发明中，选用双轴倾角传感器的型号为SANG 1000-D030B。

编码器18安装在C轴承端盖11A的下方，且编码器18的敏感端与Z向轴19的另一端连接。在本发明中，选用编码器18的型号为NEMiCON的OME-500-2MCA-205。

Z向轴19为一阶梯轴结构，Z向轴19的A轴承段191上套接有A滚珠轴承10A，Z向轴19的B轴承段192上套接有B滚珠轴承10B，Z向轴19的一端与输出杆3B的另一端连接，输出杆3B的一端用来连接负载，Z向轴19的另一端连接有编码器18的敏感端。

本发明的具有姿态检测的三自由度被动球关节是一种采用电磁力驱动的。球电机的转子3C的球心是被动球关节组件1中的十字轴13的中心。

在本发明中，球电机的输出杆3B和Z向轴19固定，Z向轴19的轴线通过球电机的转子3C的球心。通过与Z向轴19连接的编码器18能够读到Z向轴19的旋转角度，这样就得到了转子3C和输出杆3B的自旋角度。

在本发明中，被动球关节组件1的上转台11上设有的C轴承孔116，该C轴承孔116内安装有上下两个滚动轴承(A滚珠轴承10A、B滚珠轴承10B)，在滚动轴承的内圈与z向轴19固定，这样当转子3C受到电磁力产生倾斜运动时，就将带动z向轴19和被动球关节中的上转台11产生相应的倾斜运动。A滚珠轴承10A是为了保证输出杆3B在承担负载时的工作稳定性，防止输出杆3B被拉出；B滚珠轴承10B通过C轴承端盖11A将承受的力(包括球电机转子和输出杆所带负载传递的力)传递到被动球关节的上转台11。双轴倾角传感器17安装在支撑板16上，支撑板16所在的平面与十字轴13所在的平面平行，支撑板16通过A吊板14和B吊板15的固联，使得支撑板16与上转台11形成一体，这样上转台11的倾斜角度就可以由安装在支撑板16上的双轴倾角传感器17得到，同时也就得到了球电机转子的倾斜角度。

根据一定的控制策略给球电机的定子线圈通电后，定子线圈与转子永磁体相互作用产生电磁力，驱动球电机转子实现三自由度旋转运动，在此运动下，带动被动球关节X向轴、Y向轴和Z向轴产生相应的旋转运动。

将本发明设计的具有姿态检测的球电机应用到机器人手臂的肩、腕关节中，能够使机器人手臂上的关节数目减少。在一个七自由度拟人臂机械装置中，若用传统单轴电机驱动则需要七个电机组合来实现，而应用本发明的球电机则只需三个电机。在关节数目减少的条件下能够避免传动机构的弹性变形和运动死区造成运动精度低缺陷；也使得机器人手臂的结构得以简化、体积小、重量轻、响应速度快等。

Claims (3)

1.一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节，所述的球电机包括有被动球关节组件(1)、球电机定子组件(2)、球电机转子组件(3)和基座(4)；其特征在于：被动球关节组件(1)包括有上转台(11)、下转台(12)、十字轴(13)、A吊板(14)、B吊板(15)、支撑板(16)、双轴倾角传感器(17)、编码器(18)、Z向轴(19)；

上转台(11)的A侧板(111)上设有A轴承孔(112)，所述的A轴承孔(112)用于放置C滚珠轴承(10C)；

上转台(11)的B侧板(113)上设有B轴承孔(114)，所述的B轴承孔(114)用于放置E滚珠轴承(10E)，所述的B侧板(113)的外侧上安装有A轴承端盖(13C)，该A轴承端盖(13C)用于阻止E滚珠轴承(10E)滑落；

上转台(11)的顶板(115)上设有C轴承孔(116)，所述的C轴承孔(116)内从上至下放置有A滚珠轴承(10A)、B滚珠轴承(10B)；顶板(115)的下方安装有C轴承端盖(11A)，该C轴承端盖(11A)用于阻止B滚珠轴承(10B)滑落；C轴承端盖(11A)的下方安装有编码器(18)；

下转台(12)的A立板(121)上设有D轴承孔(123)，D轴承孔(123)用于放置F滚珠轴承(10F)，A立板(121)的外侧安装有B轴承端盖(13D)，该B轴承端盖(13D)用于阻止F滚珠轴承(10F)滑落；

下转台(12)的B立板(122)上设有E轴承孔(124)，E轴承孔(124)用于放置D滚珠轴承(10D)；

下转台(12)的横板(129)的两端设有A螺纹孔(125)、B螺纹孔(126)、C螺纹孔(127)、D螺纹孔(128)；

A螺纹孔(125)内安装有A支撑杆(12A)的另一端，A支撑杆(12A)的一端穿过A沉头孔(451)后套接有一螺母；

B螺纹孔(126)内安装有B支撑杆(12B)的另一端，B支撑杆(12B)的一端穿过B沉头孔(452)后套接有一螺母；

C螺纹孔(127)内安装有C支撑杆(12C)的另一端，C支撑杆(12C)的一端穿过C沉头孔(453)后套接有一螺母；

D螺纹孔(128)内安装有D支撑杆(12D)的另一端，D支撑杆(12D)的一端穿过D沉头孔(454)后套接的一螺母；

十字轴(13)的X向轴(13A)的一端套接在C滚珠轴承(10C)上，X向轴(13A)的另一端套接在E滚珠轴承(10E)上；

十字轴(13)的Y向轴(13B)的一端套接在D滚珠轴承(10D)上，Y向轴(13B)的另一端套接在F滚珠轴承(10F)上；

A吊板(14)的一端安装在支撑板(16)的一侧上，A吊板(14)的另一端安装在上转台(11)的B侧板(113)的底部；

B吊板(15)的一端安装在支撑板(16)的另一侧上，B吊板(15)的另一端安装在上转台(11)的A侧板(111)的底部；

支撑板(16)上方安装有双轴倾角传感器(17)；

编码器(18)安装在C轴承端盖(11A)的下方，且编码器(18)的敏感端与Z向轴(19)的另一端连接；

Z向轴(19)为一阶梯轴结构，Z向轴(19)的A轴承段(191)上套接有A滚珠轴承(10A)，Z向轴(19)的B轴承段(192)上套接有B滚珠轴承(10B)，Z向轴(19)的一端与输出杆(3B)的另一端连接，输出杆(3B)的一端用来连接负载，Z向轴(19)的另一端连接有编码器(18)的敏感端。

2.根据权利要求1所述的适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节，其特征在于：球电机的转子(3C)的球心是被动球关节组件(1)中的十字轴(13)的中心。

3.根据权利要求1所述的适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节，其特征在于：双轴倾角传感器(17)安装在支撑板(16)上，支撑板(16)所在的平面与十字轴(13)所在的平面平行，支撑板(16)通过A吊板(14)和B吊板(15)的固联，使得支撑板(16)与上转台(11)形成一体，这样上转台(11)的倾斜角度就可以由安装在支撑板(16)上的双轴倾角传感器(17)得到，同时也就得到了球电机转子的倾斜角度。

Images