CN109955237A - 二自由度超声波电机舵机及机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二自由度超声波电机舵机及机器人，其中，该二自由度超声波电机舵机包括：壳体；球形转子，所述球形转子位于壳体内；五个定子，分别为四个第一定子及一个第二定子，四个所述第一定子分别设置于壳体的四周壁的内侧且四个第一定子围成供球形转子旋转的转动空间，第二定子设置于壳体的底壁内侧且位于球形转子的下方；四个压电薄膜，四个所述压电薄膜分别设置于四个第一定子的表面；电机输出轴，所述电机输出轴的一端与球形转子连接，另一端伸出壳体。本发明结构紧凑，能够缩小装配空间，有利于实现产品小型化以及微型化的设计需求。

Description

二自由度超声波电机舵机及机器人
技术领域
本发明涉及多自由度舵机技术领域，尤其涉及一种二自由度超声波电机舵机及机器人。
背景技术
目前，市面上的工业舵机通常包括电动机及减速机，电动机与减速机串接在一起构成形成舵机结构。上述的舵机结构中，电动机与减速机的连接后势必会增加舵机的体积。另外，电动机与减速机串接组成的舵机只能实现单个方向的转动。为实现二自由度控制，通常采用二个工业舵机，也即，包括两个串接的电动机及减速机，如此，导致整个舵机的占空面积大，不利于小型化的设计。因此，如何简化整机结构，同时将整机结构进行微型化设计，成为业内亟待解决的技术问题。
有鉴于此，有必要对目前的二自由度工业舵机结构进行进一步的改进。
发明内容
为解决上述至少一技术问题，本发明的主要目的是提供一种二自由度超声波电机舵机及机器人。
为实现上述目的，本发明采用的一个技术方案为：提供一种二自由度超声波电机舵机，包括：
壳体；
球形转子，所述球形转子位于壳体内；
五个定子，分别为四个第一定子及一个第二定子，四个所述第一定子分别设置于壳体的四周壁的内侧且四个第一定子围成供球形转子旋转的转动空间，第二定子设置于壳体的底壁内侧且位于球形转子的下方；
四个压电薄膜，四个所述压电薄膜分别设置于四个第一定子的表面；
电机输出轴，所述电机输出轴的一端与球形转子连接，另一端伸出壳体；
绝对值磁环，所述绝对值磁环设置于球形转子表面；
读数器，所述读数器设置于壳体内侧，且靠近绝对值磁环位置设置。
其中，所述第一定子及第二定子均呈圆环状设置，且呈相对设置的两个第一定子的环心连线穿过球形转子的球心。
其中，所述电机输出轴包括X方向输出轴及Y方向输出轴，所述X方向输出轴与Y方向输出轴在同一平面内的轴线夹角为90°；
所述绝对值磁环有两个，一绝对值磁环位于球形转子与X方向输出轴相对一侧的表面且可绕X轴方向旋转，另一绝对值磁环位于球形转子与Y方向输出轴相对一侧的表面且可绕Y轴方向旋转。
其中，所述壳体包括座体及盖合于座体上的盖体，所述座体对应X方向输出轴的位置开设有第一孔位，所述座体对应Y方向输出轴的位置开设有第二孔位。
其中，所述电机输出轴为单根Z方向输出轴；
所述绝对值磁环有两个，两个绝对值磁环分别设置于与Z方向输出轴垂直的球形转子的两个安装表面，两个安装表面中心分别与球心连线的夹角为90°。
其中，所述壳体包括座体及盖合于座体上的盖体，所述盖体对应Z方向输出轴的位置开设有孔位。
其中，还包括端盖，所述座体上对应两个绝对值磁环的位置分别设有窗口，所述端盖罩盖于窗口上。
其中，还包括安装于盖板内侧且位于球形转子上方的第三定子，所述球形转子限位于第二定子与第三定子之间。
其中，还包括绝对值磁环及读数器，所述绝对值磁环设置于球形转子表面；所述读数器设置于壳体内侧，且靠近绝对值磁环位置设置并与绝对值磁环磁感应连接。
为实现上述目的，本发明采用的另一个技术方案为：提供一种机器人，包括上述的二自由度超声波电机舵机。
本发明的技术方案主要包括球形转子、五个定子及四个压电薄膜，五个定子分为四个第一定子和一个第二定子，四个第一定子围成供球形转子旋转的转动空间，四个压电薄膜设置于第一定子表面，压电薄膜及第一定子均可以施加电信号，当两个处于X方向的第一定子上的压电薄膜的电信号之间具有π/2相位差时，可以驱动球形转子绕X方向转动，进而带动电机输出轴转动；当两个处于Y方向的第一定子上的压电薄膜的电信号之间具有π/2相位差时，可以驱动球形转子绕Y方向转动，进而带动电机输出轴转动，如此可以实现舵机的二自由度输出。另外，本发明还具有结构紧凑，能够缩小装配空间，有利于实现产品小型化以及微型化的设计需求。
附图说明
图1为本发明一实施例二自由度超声波电机舵机的立体结构示意图；
图2为图1的侧视图；
图3为图2中A-A处的剖视图；
图4为图1的分解结构示意图；
图5为本发明另一实施例二自由度超声波电机舵机的立体结构示意图；
图6为图5的分解结构示意图
图7为图2中B-B处的剖视图；
图8为本发明又一实施例二自由度超声波电机舵机的立体结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
请参照图1至图4，图1为本发明一实施例二自由度超声波电机舵机的立体结构示意图；图2为图1的侧视图；图3为图2中A-A处的剖视图；图4为图1的分解结构示意图。在本发明实施例中，该二自由度超声波电机舵机，包括：
壳体(11，12)；
球形转子50，所述球形转子50位于壳体(11，12)内；
五个定子，包括四个第一定子31及一个第二定子32，四个所述第一定子31分别设置于壳体(11，12)的四周壁的内侧且四个第一定子31围成供球形转子50旋转的转动空间，第二定子32设置于壳体(11，12)的底壁内侧且位于球形转子50的下方；
四个压电薄膜40，四个所述压电薄膜40分别设置于四个第一定子31的表面；
电机输出轴，所述电机输出轴的一端与球形转子50连接，另一端伸出壳体(11，12)；
绝对值磁环60，所述绝对值磁环60设置于球形转子50表面；
读数器70，所述读数器70设置于壳体(11，12)内侧，且靠近绝对值磁环60位置设置并与绝对值磁环60磁感应连接。
本实施例中，上述的壳体(11，12)内形成有容置空间，整个壳体(11，12)的形状优选为柱体。可以理解的，壳体(11，12)还可以根据需要求设计呈其他形状。壳体(11，12)内壁固定有五个定子，分别为四个第一定子31与一个第二定子32。第一定子31与第二定子32的形状大小均相同。四个第一定子31位于壳体(11，12)四周侧的内壁，四个第一定子31可以分成相对的两对，第一定子31的表面设有压电薄膜40。第二定子32位于壳体(11，12)底部，用以支撑球形转子50。另外，本方案还包括有绝对值磁环60及读数器70，绝对值磁环60随球形转子50转动而旋转，绝对值磁环60的数据通过读数器70读出，有利于读出球形转子50的转数，可以提升整机精度。
具体工作时，当需要驱动球形转子50绕X轴进行正向转动时：先对X方向的一个第一定子31和其上的压电薄膜40分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得第一定子31表面的压电薄膜40上的电信号具有π相位差；然后对X方向的另一个第一定子31和其上压电薄膜40均施加相同的电信号，并使得该电信号与第一定子31表面压电薄膜40上施加的电信号具有π/2相位差；当需要驱动球形转子50绕X轴进行反向转动时：先对X方向的一个第一定子31和其上的压电薄膜40分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得第一定子31表面的压电薄膜40上的电信号具有-π相位差；然后对X方向的另一个第一定子31和其上的压电薄膜40均施加相同的电信号，并使得该电信号与第一定子31表面压电薄膜40上施加的电信号具有-π/2相位差。当需要驱动球形转子50绕Y轴进行正向转动时：先对Y方向的一个第一定子31和其上的压电薄膜40分别施加两相具有π相位差的电信号，并且使得第一定子31表面的压电薄膜40上的电信号具有π相位差；然后对Y方向的另一个第一定子31和其上压电薄膜40均施加相同的电信号，并使得该电信号与第一定子31表面压电薄膜40上施加的电信号具有π/2相位差；当需要驱动球形转子50绕Y轴进行反向转动时：先对Y方向的一个第一定子31和其上的压电薄膜40分别施加两相具有-π相位差的电信号，并且使得第一定子31表面的压电薄膜40上的电信号具有-π相位差；然后对Y方向的另一个第一定子31和其上的压电薄膜40均施加相同的电信号，并使得该电信号与第一定子31表面压电薄膜40上施加的电信号具有-π/2相位差。当对调第一定子31的工作模态，球形转子50可实现绕Y轴或X轴方向旋转，因此可实现二自由度运动。
本发明主要包括球形转子50、五个定子、四个压电薄膜40、绝对磁环及读数器70，五个定子分为四个第一定子31和一个第二定子32，四个第一定子31围成供球形转子50旋转的转动空间，四个压电薄膜40设置于第一定子31表面，压电薄膜40及第一定子31均可以施加电信号，当两个处于X方向的第一定子31上的压电薄膜40的电信号之间具有π/2相位差时，可以驱动球形转子50绕X方向转动，进而带动电机输出轴转动；当两个处于Y方向的第一定子31上的压电薄膜40的电信号之间具有π/2相位差时，可以驱动球形转子50绕Y方向转动，进而带动电机输出轴转动，如此可以实现舵机的二自由度输出。
在一具体的实施例中，所述第一定子31及第二定子32均呈圆环状设置，且呈相对设置的两个第一定子31的环心连线穿过球形转子50的球心。四个第一定子31及一个第二定子32的形状结构均相同。相对设置的两个第一定子31位于球形转子50的球心对称。
请参照图3和图4，图3为图2中A-A处的剖视图；图4为图1的分解结构示意图。本实施例为具有双输出轴的超声波电机舵机。其中，电机输出轴包括X方向输出轴21及Y方向输出轴22，所述X方向输出轴21与Y方向输出轴22在同一平面内的轴线夹角为90°；
所述绝对值磁环60有两个，一绝对值磁环60位于球形转子50与X方向输出轴21相对一侧的表面且可绕X轴方向旋转，另一绝对值磁环60位于球形转子50与Y方向输出轴22相对一侧的表面且可绕Y轴方向旋转。
本实施例中，电机输出轴有两根，分别X方向输出轴21及Y方向输出轴22。当球形转子50沿X轴方向转动时，球形转子50带动X方向输出轴21运动；当球形转子50沿Y轴方向转动时，球形转子50带动Y方向输出轴22运动，通过X方向输出轴21及Y方向输出轴22实现舵机的二自由度运动。
进一步的，所述壳体(11，12)包括座体11及盖合于座体11上的盖体12，所述座体11对应X方向输出轴21的位置开设有第一孔位，所述座体11对应Y方向输出轴22的位置开设有第二孔位。本实施例中，X方向输出轴21穿过并伸出第一孔位；Y方向输出轴22穿过并伸出第二孔位，以实现X方向输出轴21及Y方向输出轴22与外部器件的连接。
请参照图5和图6，图5为本发明另一实施例二自由度超声波电机舵机的立体结构示意图；图6为图5的分解结构示意图。本实施例为具有单输出轴的超声波电机舵机。其中，电机输出轴为单根Z方向输出轴20；
所述绝对值磁环60有两个，两个绝对值磁环60分别设置于与Z方向输出轴20垂直的球形转子50的两个安装表面，两个安装表面中心分别与球心连线的夹角为90°。
本实施例中，电机输出轴为单根Z方向输出轴20，定子及球形转子50的结构及位置不变，当球形转子50沿X轴方向转动时，球形转子50带动Z方向输出轴20沿XOZ平面转动；当球形转子50沿Y轴方向转动时，球形转子50带动Z方向输出轴20沿YOZ平面运动，如此可以实现舵机的二自由度运动。
请参照图7和图8，图7为图2中B-B处的剖视图；图8为本发明又一实施例二自由度超声波电机舵机的立体结构示意图。在一具体的实施例中，还包括安装于盖板11内侧且位于球形转子50上方的第三定子33，所述球形转子50限位于第二定子与第三定子33之间。考虑到对球形转子50位置的限位，本实施例中，通过在球形转子50的上方及下方分别设置第三定子33及第二定子32，第二定子32可以支撑球形转子50，第三定子33与第二定子32配合可以将球形转子50限位于两者之间，以保证球形转子50工作的稳定性。具体的，第二定子32通过磁场力支撑球形转子50，第二定子32与球形转子50之间形成有间距，以避免第二定子32阻碍球形转子50的转动。对应的，第三定子33与球形转子50之间也形成有间距，同样可以避免第三定子33阻碍球形转子50的转动。
在一具体的实施例中，所述壳体(11，12)包括座体11及盖合于座体11上的盖体12，所述盖体12对应Z方向输出轴20的位置开设有孔位。该孔位远大于Z方向输出轴20，以方便Z方向输出轴20在孔位内运动。
进一步的，还包括端盖13，所述座体11上对应两个绝对值磁环60的位置分别设有窗口，所述端盖13罩盖于窗口上。通过端盖13可以方便绝对磁环及第一定子31的安装。
本发明的实施例中，该机器人，包括上述的二自由度超声波电机舵机。二自由度超声波电机舵机的具体结构请参照上述的实施例。由于本方案的机器人应用了二自由度超声波电机舵机，故具有二自由度超声波电机舵机的所有优点和效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种二自由度超声波电机舵机，其特征在于，所述二自由度超声波电机舵机包括：
壳体；
球形转子，所述球形转子位于壳体内；
五个定子，分别为四个第一定子及一个第二定子，四个所述第一定子分别设置于壳体的四周壁的内侧且四个第一定子围成供球形转子旋转的转动空间，第二定子设置于壳体的底壁内侧且位于球形转子的下方；
四个压电薄膜，四个所述压电薄膜分别设置于四个第一定子的表面；
电机输出轴，所述电机输出轴的一端与球形转子连接，另一端伸出壳体。
2.如权利要求1所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，所述第一定子及第二定子均呈圆环状设置，且呈相对设置的两个第一定子的环心连线穿过球形转子的球心。
3.如权利要求2所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，所述电机输出轴包括X方向输出轴及Y方向输出轴，所述X方向输出轴与Y方向输出轴在同一平面内的轴线夹角为90°；
所述绝对值磁环有两个，一绝对值磁环位于球形转子与X方向输出轴相对一侧的表面且可绕X轴方向旋转，另一绝对值磁环位于球形转子与Y方向输出轴相对一侧的表面且可绕Y轴方向旋转。
4.如权利要求3所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，所述壳体包括座体及盖合于座体上的盖体，所述座体对应X方向输出轴的位置开设有第一孔位，所述座体对应Y方向输出轴的位置开设有第二孔位。
5.如权利要求2所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，所述电机输出轴为单根Z方向输出轴；
所述绝对值磁环有两个，两个绝对值磁环分别设置于与Z方向输出轴垂直的球形转子的两个安装表面，两个安装表面中心分别与球心连线的夹角为90°。
6.如权利要求5所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，所述壳体包括座体及盖合于座体上的盖体，所述盖体对应Z方向输出轴的位置开设有孔位。
7.如权利要求4或6所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，还包括端盖，所述座体上对应两个绝对值磁环的位置分别设有窗口，所述端盖罩盖于窗口上。
8.如权利要求7所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，还包括安装于盖板内侧且位于球形转子上方的第三定子，所述球形转子限位于第二定子与第三定子之间。
9.如权利要求8所述的二自由度超声波电机舵机，其特征在于，还包括绝对值磁环及读数器，所述绝对值磁环设置于球形转子表面；所述读数器设置于壳体内侧，且靠近绝对值磁环位置设置并与绝对值磁环磁感应连接。
10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括如权利要求1至7任一项所述的二自由度超声波电机舵机。
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