CN108494203A - 一种多自由度球形电机及其减速机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度球形电机及其减速机构，包括转子、永磁体、保持架、滚珠、输出壳体、标签、固定磁铁、定子支座和电磁铁；转子表面均匀镶嵌若干个标签；永磁体连接于转子的阶梯孔内；保持架嵌套在转子外侧；保持架的固定磁铁座中放置一个固定磁铁；输出壳体嵌套在保持架外侧；滚珠放置于保持架的滚珠通孔中，外表面分别与转子的外表面和输出壳体的内表面接触；定子支座的电磁铁座内部固定有电磁铁，相邻两个电磁铁的磁极方向相反，电磁铁与永磁体配合；定子支座内表面均匀布置若干个位置传感器，位置传感器与标签配合；定子支座的磁铁座中放置一个固定磁铁，与保持架中的固定磁铁相互配合。该电机结构简单紧凑，集成度高，通用性强。

Description

一种多自由度球形电机及其减速机构

技术领域

本发明涉及电机设计领域，具体为一种多自由度球形电机及其减速机构。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，机器人的应用显著提高了生产率，降低了劳动成本，然而在机器人等机械装置完成复杂的工作任务时，往往需要多自由度运动。为此，工程上普遍采用多个传统单自由度电机组合的形式，通过多个电机的协同驱动，实现装置的多自由度运动，以致装置不仅结构复杂、体积庞大，而且运动协调性低、负载能力小、运动空间局限、响应速度慢、动态性能及稳定性较差。球形电机理论上可实现三自由度任意方向运动，相比传统的多电机协同配合方案，在实现装置多自由度运动时，可显著简化装置整体结构，增大装置运动空间与运动灵活性，同时避免因末端自由度结构自重引发的负载急剧下降问题，具有传统方案所不具备的诸多优点。因此，球形电机已成为电机设计技术研究领域的热点。

针对球形电机及其减速机构，国内外开展了系统深入的研究工作，研发了多款典型电机及其减速机构。申请号为201710152429.6的文献公开了三自由度永磁球形电动机，采用万向滚珠支撑的三自由度永磁球形电动机，利用带有独立供电回路的36个定子线圈，驱动电机转子旋转，但由于该电机采用输出轴与法兰盘相连接的方式，电机难以实现三自由度整周旋转。申请号为201521075361.9的文献公开了基于球形电机驱动的齿轮变速机构，通过在球形电机的转子轴端设置由伞齿轮构成的转向机构，实现电机的减速增扭，但是该减速机构采用大量齿轮机构，不仅结构复杂，体积庞大，而且对制造成本和安装精度要求极高，更为关键的是该减速机不能顺应球形电机的三自由度驱动，只能从两个方向对转子轴进行调速。

综上所述，现有球形电机虽能够初步实现多自由度运动，但普遍存在结构复杂，运动范围局限，尚未配置相应位置反馈系统，无法进行精确位置伺服控制等诸多问题，更为关键的是，针对球形电机的减速机构，还没有能够实现三自由度任意方向的输出，根源上限制了球形电机的推广应用。因此，亟需研发一种结构紧凑、集成度高、可实现三自由度任意方向整周旋转驱动、具备高精度速度与位置闭环伺服控制功能、减速比范围较大且精确可调的球形电机及其减速机构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多自由度球形电机及其减速机构。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于该装置包括电机转子机构、减速机构和电机定子机构；

所述电机转子机构包括转子和永磁体；所述减速机构包括保持架、滚珠、输出壳体、标签和固定磁铁；所述电机定子机构包括定子支座和电磁铁；

所述转子为空心球体结构，转子表面均匀开设若干个阶梯孔；所述转子表面均匀镶嵌若干个标签；永磁体连接于转子的阶梯孔内；所述保持架为空心球体结构，嵌套在转子外侧；保持架的表面开设一个固定磁铁座，其中放置一个固定磁铁；保持架表面均匀开设若干个滚珠通孔；所述输出壳体为空心球体结构，嵌套在保持架外侧；所述滚珠放置于滚珠通孔中，外表面分别与转子的外表面和输出壳体的内表面接触；所述定子支座内表面均匀开设若干个电磁铁座，电磁铁座内部固定有电磁铁，相邻两个电磁铁的磁极方向相反，电磁铁与永磁体配合；所述定子支座内表面均匀布置若干个位置传感器，位置传感器与标签配合；所述定子支座开设一个磁铁座，其中放置一个固定磁铁，与保持架中的固定磁铁相互配合。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)采用电磁铁与永磁体相结合的驱动形式，相邻两个电磁铁的磁极方向相反，电磁铁与永磁体配合，通过控制电磁铁电流大小和方向来控制电磁铁的耦合磁场强度，永磁体在耦合磁场中产生磁场力，驱动转子转动，实现对转子的三自由度任意方向整周旋转驱动；

(2)位置传感器与转子外表面均匀布置的若干个包含位置信息的标签相配合，各个标签可唯一表征该标签所处转子位置的信息，利用位置传感器检测到的转子上的标签位置信息，可实时精确解算转子当前位置，以用于电机位置反馈，可实现电机高精度速度与位置闭环伺服控制；

(3保持架上均匀布置若干个滚珠，通过滚珠与转子外表面以及输出壳体内表面之间的摩擦力，可实现转子对输出壳体三自由度任意方向整周旋转驱动，同时可以通过改变滚珠的半径大小调节减速机构的减速比，实现转矩的大范围精准输出，减速比范围较大且精确可调；

(4)结构简单紧凑，集成度高，运动范围大，通用性强：将球形电机与减速机构集成一体，减速机构采用滚珠摩擦传动代替齿轮传动，使得电机整体结构紧凑，输出壳体与负载间运动范围较大，对安装精度要求不高，减少了制造成本。

附图说明

图1为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的整体结构剖视示意图；

图3为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的电机转子机构结构示意图；

图4为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的保持架结构示意图；

图5为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的保持架安装示意图；

图6为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的固定磁铁剖视示意图；

图7为本发明多自由度球形电机及其减速机构一种实施例的定子支座和电磁铁安装示意图；

(图中，1转子、11阶梯孔、2永磁体、3保持架、31固定磁铁座、32滚珠通孔、4滚珠、5输出壳体、6标签、7固定磁铁、71绝缘框架、72磁铁、8定子支座、81电磁铁座、82位置传感器、83磁铁座、9电磁铁)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种多自由度球形电机及其减速机构(参见图1-7，简称装置)，其特征在于该装置包括电机转子机构、减速机构和电机定子机构；

所述电机转子机构包括转子1和永磁体2；所述减速机构包括保持架3、滚珠4、输出壳体5、标签6和固定磁铁7；所述电机定子机构包括定子支座8和电磁铁9；

所述转子1为空心球体结构，转子1表面均匀开设若干个(本实施例为14个)阶梯孔11，阶梯孔11内有螺纹；所述转子1表面均匀镶嵌若干个(本实施例为14个)标签6；所述永磁体2为圆柱体结构，永磁体2靠近转子1球心的一端开设螺柱，永磁体2通过螺纹连接于转子1的阶梯孔11内；所述永磁体2远离转子1球心的一端面的形状为与转子1外表面的形状相对应的弧形，具体是与转子1外表面圆球面半径相同的圆球面，使永磁体2能够与转子1组成一个完整的圆球面，实现永磁体2和转子1的紧密贴合，方便滚珠4在转子1表面的平稳滚动；

所述保持架3为空心球体结构，嵌套在转子1外侧；保持架3的表面开设一个固定磁铁座31，其中放置一个固定磁铁7；保持架3表面均匀开设若干个(本实施例为14个)与滚珠4直径相同的滚珠通孔32，用于放置滚珠4，防止滚珠4在转子1外表面窜动；

所述输出壳体5为空心球体结构，嵌套在保持架3外侧；所述滚珠4为球体结构，滚珠4放置于滚珠通孔32中，外表面分别与转子1的外表面和输出壳体5的内表面接触，用于通过摩擦实现滚珠4随转子1的转动以及输出壳体5随滚珠4的转动，进而实现减速增距；

所述定子支座8为半球壳体，所述定子支座8的底部通过螺纹连接于其他机构(如机架)上；所述定子支座8内表面均匀开设若干个(本实施例为17个)电磁铁座81，电磁铁座81为圆柱空腔，内部固定有电磁铁9，相邻两个电磁铁9的磁极方向相反，电磁铁9与永磁体2配合，通过控制电磁铁9电流大小和方向来控制电磁铁9的耦合磁场强度，永磁体2在耦合磁场中产生磁场力，驱动转子1转动，实现对转子1的三自由度任意方向整周旋转驱动；所述定子支座8内表面均匀布置若干个位置传感器82(本实施例为3个)，位置传感器82与标签6配合，通过记录标签6的位置信息得到转子1旋转的位置信息，实现电机驱动的位置反馈，构成位置闭环检测；所述定子支座8的水平位置开设一个磁铁座83，其中放置一个固定磁铁7，通过与保持架3中的固定磁铁7的相互配合(吸引力，两个磁铁72磁极相反布置)实现保持架3在磁场力的作用下的空间固定。

所述标签6为圆柱体结构；本实施例为RFID标签；所述标签6放置于相邻两个永磁体2之间；

所述固定磁铁7为圆柱体结构；所述固定磁铁7包括绝缘框架71和磁铁72；所述绝缘框架71为圆柱壳体，绝缘框架71外柱面与固定磁铁座31配合，用于将固定磁铁7固定于固定磁铁座31上；所述磁铁72为圆柱体永磁体；磁铁72位于绝缘框架71内部，通过绝缘框架71将磁铁72产生的磁场锁定于绝缘框架71框住的范围内，实现保持架3的空间固定，同时消除了磁铁72对转子1上镶嵌的永磁体2磁场的干扰；

所述位置传感器82为RFID位置传感器；

所述电磁铁9为圆柱体形线圈中心嵌套一个永磁体的结构，相邻两个电磁铁9的永磁体的磁极方向相反；

所述阶梯孔11的数量和永磁体2的数量相同；所述滚珠4的数量和滚珠通孔32的数量相同；

本实施例中定子支座8的厚度与转子1的厚度均为12mm，保持架3的厚度为3mm，输出壳体5的厚度为5mm。

本发明多自由度球形电机及其减速机构的工作原理和工作过程是：

电机定子机构通过定子支座8安装于机架上，电机转子机构通过电磁铁9和永磁体2的磁场力作用悬浮于电机定子机构上方，减速机构通过两个固定磁铁7的磁场力作用实现保持架3与定子支座8的空间位置固定，输出壳体5通过嵌套安装在保持架3外与电机转子机构同轴心固定在电机定子机构上方。

电机运行过程中，转子1绕球心转动，定子支座8内表面设置的三个位置传感器82检测到安装于转子1表面的标签6中三个标签的位置信息，实时精确解算转子1当前位置，可实现电机高精度的速度与位置闭环伺服控制。通过控制安装于定子支座8上的电磁铁9中线圈的电流的大小和方向，改变电磁铁9中永磁体的耦合磁场强度，永磁体2在耦合磁场中产生磁场力，驱动转子1转动，实现对转子1的三自由度任意方向整周旋转驱动；转子1转动过程中，利用摩擦力带动与定子支座8保持固定的保持架3中滚珠4旋转，通过滚珠4与输出壳体5内表面之间的摩擦作用力，驱动输出壳体5三自由度任意方向整周旋转，实现减速机构的减速增扭，同时通过改变滚珠4半径的大小精确调节减速机构的减速比。输出壳体5外接需要动力的设备。

需要补充说明的是，本发明所述的“前、后；左、右；上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义，一般情况下，以定子支座连接平台所在的一端为下，以转子所在的一端为上，并作为其他方位词的基准。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于该装置包括电机转子机构、减速机构和电机定子机构；

所述电机转子机构包括转子和永磁体；所述减速机构包括保持架、滚珠、输出壳体、标签和固定磁铁；所述电机定子机构包括定子支座和电磁铁；

所述转子为空心球体结构，转子表面均匀开设若干个阶梯孔；所述转子表面均匀镶嵌若干个标签；永磁体连接于转子的阶梯孔内；所述保持架为空心球体结构，嵌套在转子外侧；保持架的表面开设一个固定磁铁座，其中放置一个固定磁铁；保持架表面均匀开设若干个滚珠通孔；所述输出壳体为空心球体结构，嵌套在保持架外侧；所述滚珠放置于滚珠通孔中，外表面分别与转子的外表面和输出壳体的内表面接触；所述定子支座内表面均匀开设若干个电磁铁座，电磁铁座内部固定有电磁铁，相邻两个电磁铁的磁极方向相反，电磁铁与永磁体配合；所述定子支座内表面均匀布置若干个位置传感器，位置传感器与标签配合；所述定子支座开设一个磁铁座，其中放置一个固定磁铁，与保持架中的固定磁铁相互配合。

2.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述永磁体远离转子球心的一端面的形状为与转子外表面的形状相对应的弧形，使永磁体能够与转子组成一个完整的圆球面。

3.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于定子支座为半球壳体。

4.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述定子支座的底部连接于机架上。

5.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述标签为圆柱体结构，RFID标签；所述标签放置于相邻两个永磁体之间。

6.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述固定磁铁为圆柱体结构；所述固定磁铁包括绝缘框架和磁铁；所述绝缘框架为圆柱壳体，绝缘框架外柱面与固定磁铁座配合；所述磁铁为圆柱体永磁体，磁铁位于绝缘框架内部。

7.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述位置传感器为RFID位置传感器。

8.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述电磁铁为圆柱体形线圈中心嵌套一个永磁体的结构，相邻两个电磁铁的永磁体的磁极方向相反。

9.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于所述阶梯孔的数量和永磁体的数量相同；所述滚珠的数量和滚珠通孔的数量相同。

10.根据权利要求1所述的多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于定子支座的厚度与转子的厚度均为12mm，保持架的厚度为3mm，输出壳体的厚度为5mm。