CN112968630B - 一种多功能多自由度球型驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能多自由度球型驱动器，包括转子和定子，定子包括定子背铁、第一永磁体和第二永磁体，定子背铁为空心球壳，第一、第二永磁体分别固定在空心球壳的北半球腔壁和南半球腔壁上，第一、第二永磁体均为径向充磁但两者充磁方向相反；转子包括动子球芯和绕组，动子球芯为具有中空通道的球体，绕组设有4组且分别嵌置在动子球芯的外表面并互成90度夹角，绕组的线圈在平行于动子球芯的南北极轴线的平面上缠绕；通电后的绕组在电磁力作用下驱动转子绕其球心做倾斜运动；中空通道内安装有旋转电机，其旋转轴自定子北极位置伸出。本发明能够实现多自由度解耦的倾斜运动和旋转运动，其结构简单、控制容易、运动精度高、能量损耗小。

Description

一种多功能多自由度球型驱动器

技术领域

本发明涉及驱动器技术领域，特别是涉及一种多功能多自由度球型驱动器。

背景技术

随着科技的进步，多自由度运动机构在机器人腕关节、航空器操纵杆、矢量推进等中的应用范围越来越广。传统的多自由度运动机构是由多台单自由度电机串联或并联方式实现的，整个系统结构庞大复杂、传动精度低、控制困难、且能量损耗大。

球型驱动器具有两个或三个旋转自由度，可绕过定点的多个空间轴线旋转。球型驱动器在需要多自由度运动的机械系统中，能够代替多台单自由度电机，简化系统结构，减小系统体积，消除由于齿隙带来的传动误差。传统构型的球型驱动器采用永磁铁与通电线圈依据同性相斥、异性相吸的相互作用的原理产生多自由度旋转运动，这种构型存在倾斜运动和自转运动的严重耦合和相互干扰的情况，限制了系统的输出转矩和工作效率。为了更好的满足多自由度运动的需求，开发新型多功能多自由度球型驱动器很具有必要性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能多自由度球型驱动器，能够实现多自由度解耦的倾斜运动和旋转运动，具有结构简单、控制容易、运动精度高、能量损耗小的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多功能多自由度球型驱动器，其包括机座、第一转子和第一定子，所述第一定子固定在机座上，所述第一转子与所述第一定子互不接触，且所述第一转子能相对所述第一定子转动；所述第一定子包括定子背铁、第一永磁体和第二永磁体，所述定子背铁为空心球壳，且所述定子背铁的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一永磁体形状匹配地固定在所述定子背铁的北半球腔壁上，所述第二永磁体形状匹配地固定在所述定子背铁的南半球腔壁上，所述第一永磁体和所述第二永磁体均沿所述定子背铁的径向充磁，所述第一永磁体的充磁方向与所述第二永磁体的充磁方向相反；所述第一转子包括动子球芯和第一绕组，所述动子球芯为具有中空通道的球体，所述中空通道的两端贯穿所述动子球芯的南北极位置，且所述动子球芯的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一绕组设有4组，每组所述第一绕组由一个或多个线圈构成，所述第一绕组嵌置在所述动子球芯的外表面，相邻的两组所述第一绕组互成90度夹角，4组所述第一绕组沿所述动子球芯的纬线方向呈一维阵列分布，且所述第一绕组的线圈在平行于动子球芯的南北极轴线的平面上缠绕；所述第一绕组通电后，所述第一绕组在电磁力作用下驱动所述第一转子绕其球心做倾斜运动；所述中空通道内安装有旋转电机，所述旋转电机的旋转轴末端伸出于所述定子背铁的北极位置上的镂空截面。

作为本发明的优选方案，所述动子球芯的外表面设有用于容置所述第一绕组的第一凹槽。

作为本发明的优选方案，所述第一永磁体设有4组，每组所述第一永磁体由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第一永磁体互成90度夹角，4组所述第一永磁体沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布；所述第二永磁体设有4组，每组所述第二永磁体由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第二永磁体互成90度夹角，4组所述第二永磁体沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布。

作为本发明的优选方案，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体或第二永磁体的充磁方向相同时，互成180度夹角的两组所述第一绕组的通电方向在所述第一转子的外侧正视下是相反的。

作为本发明的优选方案，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体或第二永磁体的充磁方向相反时，互成180度夹角的两组所述第一绕组的通电方向在所述第一转子的外侧正视下是相同的。

作为本发明的优选方案，所述第一定子与第一转子之间设有若干个牛眼轴承，若干个所述牛眼轴承沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布。

作为本发明的优选方案，所述机座的中心位置固设有沿所述第一定子的南北极轴线向所述中空通道一侧延伸的中心轴，所述中心轴的末端位于所述动子球芯的球心位置且通过球轴承与所述旋转电机转动连接。

作为本发明的优选方案，所述旋转电机包括旋转轴以及设于所述中空通道内且自内而外依次同轴套装在所述旋转轴上的第二转子和第二定子，所述第二转子与所述第二定子互不接触，且所述第二转子能相对所述第二定子转动；所述第二转子包括转子铁芯和第三永磁体，所述转子铁芯固定套装在所述旋转轴上，所述第三永磁体设有多个，多个所述第三永磁体沿所述转子铁芯的圆周方向均匀布置；所述第二定子包括多个第二绕组，多个所述第二绕组嵌置在所述中空通道的内壁上且沿其圆周方向均布；所述第二绕组通电后，所述第三永磁体在电磁力作用下驱动所述第二转子绕其轴线做旋转运动。

作为本发明的优选方案，所述中空通道的内壁设有用于容置所述第二绕组的第二凹槽。

作为本发明的优选方案，所述动子球芯的北极位置的镂空截面上设有可拆卸端盖。

作为本发明的优选方案，所述可拆卸端盖上固设有与所述旋转电机的旋转轴连接的轴承。

实施本发明提供的一种多功能多自由度球型驱动器，与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过第一永磁体、第二永磁体和第一绕组所构成的电磁关系结构，当X轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组通电，且Y轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组断电时，通电的两组第一绕组在各自电磁力所产生的合力作用下，能够驱动第一转子绕Y轴做倾斜运动；当X轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组断电，且Y轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组通电时，通电的两组第一绕组在各自电磁力所产生的合力作用下，能够驱动第一转子绕X轴做倾斜运动；当四组第一绕组通电时，四组第一绕组在各自电磁力所产生的合力作用下，能够驱动第一转子绕XY平面直角坐标系的四个象限中过原点(即球心)的任一轴线做倾斜运动；同时，本发明还通过在第一转子上设置旋转电机，使其输出端在任意倾斜状态下做旋转运动；可见，本发明球型驱动器实现了多自由度解耦的倾斜运动和旋转运动，具有结构简单、控制容易、运动精度高、能量损耗小的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明提供的一种多功能多自由度球型驱动器的Z轴向剖视图；

图2是本发明提供的一种多功能多自由度球型驱动器的XY轴平面剖视图；

图3是本发明提供的一种多功能多自由度球型驱动器的立体图。

图4是于图3所示结构的仰视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图4所示，本发明优选实施例的一种多功能多自由度球型驱动器，其包括机座1、第一转子2和第一定子3，所述第一定子3固定在机座1上，所述第一转子2与所述第一定子3互不接触，且所述第一转子2能相对所述第一定子3转动；所述第一定子3包括定子背铁31、第一永磁体32和第二永磁体33，所述定子背铁31为空心球壳，且所述定子背铁31的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一永磁体32形状匹配地固定在所述定子背铁31的北半球腔壁上，所述第二永磁体33形状匹配地固定在所述定子背铁31的南半球腔壁上，所述第一永磁体32和所述第二永磁体33均沿所述定子背铁31的径向充磁(即充磁方向为指向球心或背向球心)，所述第一永磁体32的充磁方向与所述第二永磁体33的充磁方向相反；所述第一转子2包括动子球芯21和第一绕组22，所述动子球芯21为具有中空通道23的球体，所述中空通道23的两端贯穿所述动子球芯21的南北极位置，且所述动子球芯21的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一绕组22设有4组，每组所述第一绕组22由一个或多个线圈构成，所述第一绕组22嵌置在所述动子球芯21的外表面，相邻的两组所述第一绕组22互成90度夹角，4组所述第一绕组22沿所述动子球芯21的纬线方向呈一维阵列分布，且所述第一绕组22的线圈在平行于动子球芯21的南北极轴线的平面上缠绕；所述第一绕组22通电后，所述第一绕组22在电磁力作用下驱动所述第一转子2绕其球心做倾斜运动；所述中空通道23内安装有旋转电机4，所述旋转电机4的旋转轴末端伸出于所述定子背铁31的北极位置上的镂空截面。

实施本发明实施例提供的多功能多自由度球型驱动器，其通过上述第一永磁体32、第二永磁体33和第一绕组22所构成的电磁关系结构，当X轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组22通电，且Y轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组22断电时，通电的两组第一绕组22在各自电磁力所产生的合力作用下，能够驱动第一转子2绕Y轴做倾斜运动；当X轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组22断电，且Y轴方向上的互成180度夹角的两组第一绕组22通电时，通电的两组第一绕组22在各自电磁力所产生的合力作用下，能够驱动第一转子2绕X轴做倾斜运动；当四组第一绕组22通电时，四组第一绕组22在各自电磁力所产生的合力作用下，能够驱动第一转子2绕XY平面直角坐标系的四个象限中过原点(即球心)的任一轴线做倾斜运动；同时，本发明实施例还通过在第一转子2上设置旋转电机4，使其输出端在任意倾斜状态下做旋转运动；可见，本发明实施例提供的球型驱动器实现了多自由度解耦的倾斜运动和旋转运动，具有结构简单、控制容易、运动精度高、能量损耗小的优点。

还需要说明的是，4组第一绕组22的通电方式可以是独立通电，也可以是以互成180度夹角的两组第一绕组22为一对进行同步通电。同时，还可以通过控制各个第一绕组22的电流大小及方向，实现输出力矩可调以及倾斜运动方向的切换。

示例性的，如图2所示，所述动子球芯21的外表面设有第一凹槽24。由此，通过第一凹槽24的设置，一方面能够支撑及容置第一绕组22，另一方面能够增大第一转子2与第一定子3间的磁通密度。

示例性的，为方便加工及装配，所述第一永磁体32设有4组，每组所述第一永磁体32由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第一永磁体32互成90度夹角，4组所述第一永磁体32沿所述定子背铁31的纬线方向呈一维阵列分布；所述第二永磁体33设有4组，每组所述第二永磁体33由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第二永磁体33互成90度夹角，4组所述第二永磁体33沿所述定子背铁31的纬线方向呈一维阵列分布。

示例性的，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体32或第二永磁体33的充磁方向相同(即同时指向球心或同时背向球心)时，互成180度夹角的两组所述第一绕组22的通电方向在所述第一转子2的外侧正视下是相反的。也即，在图1所示结构中，当左侧的第一绕组在其外侧正视下的电流方向为逆时针时，右侧的第一绕组在其外侧正视下的电流方向为顺时针，反之亦言。由此，当互成180度夹角的两组第一绕组22通电时，由于互成180度夹角的两组第一永磁体32或第二永磁体33的充磁方向相同，故左侧第一绕组受到的电磁力与右侧第一绕组受到的电磁力方向相反，从而在两侧电磁力的合力作用下使得第一转子2至少具有双倍的力矩，大大地提升了球型驱动器的输出转矩。

示例性的，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体32或第二永磁体33的充磁方向相反(即其中一组第一永磁体32或第二永磁体33的充磁方向为指向球心，另一组第一永磁体32或第二永磁体33的充磁方向为背向球心)时，互成180度夹角的两组所述第一绕组22的通电方向在所述第一转子2的外侧正视下是相同的。也即，在图1所示结构中，当左侧的第一绕组在其外侧正视下的电流方向为顺时针时，右侧的第一绕组在其外侧正视下的电流方向也为顺时针，反之亦言。由此，当互成180度夹角的两组第一绕组22通电时，由于互成180度夹角的两组第一永磁体或第二永磁体的充磁方向相反，故左侧第一绕组受到的电磁力与右侧第一绕组受到的电磁力方向相反，从而在两侧电磁力的合力作用下使得第一转子2至少具有双倍的力矩，大大地提升了球型驱动器的输出转矩。

示例性的，如图3和图4所示，所述第一定子3与第一转子2之间设有若干个牛眼轴承5，若干个所述牛眼轴承5沿所述定子背铁31的纬线方向呈一维阵列分布。由此，通过牛眼轴承5的设置，能够起到支撑的作用，使得第一转子2和第一定子3之间的气隙更加均匀，同时保证了第一转子2和第一定子3的同心度。进一步地，所述牛眼轴承5通过螺纹结构安装在定子背铁31上，以实现径向可调，有利于同心度的调整。优选地，该牛眼轴承5采用非铁磁材料，如尼龙，有利于降低铁损。

示例性的，如图1所示，所述机座1的中心位置固设有沿所述第一定子3的南北极轴线向所述中空通道23一侧延伸的中心轴6，所述中心轴6的末端位于所述动子球芯21的球心位置且通过球轴承7与所述旋转电机4转动连接。由此，通过中心轴6和球轴承7的设置，能够进一步保证第一转子2和第一定子3之间的同心度及气隙的均匀性。优选地，该球轴承7采用非铁磁材料，有利于降低铁损。

示例性的，如图1和图2所示，所述旋转电机4包括旋转轴41以及设于所述中空通道23内且自内而外依次同轴套装在所述旋转轴41上的第二转子和第二定子，所述第二转子与所述第二定子互不接触，且所述第二转子能相对所述第二定子转动；所述第二转子包括转子铁芯42和第三永磁体43，所述转子铁芯42固定套装在所述旋转轴41上，所述第三永磁体43设有多个，多个所述第三永磁体43沿所述转子铁芯42的圆周方向均匀布置；所述第二定子包括多个第二绕组44，多个所述第二绕组44嵌置在所述中空通道23的内壁上且沿其圆周方向均布；所述第二绕组44通电后，所述第三永磁体43在电磁力作用下驱动所述第二转子绕其轴线做旋转运动。其工作原理与现有的旋转电机4相同，在此不再赘述。但需要说明的是，上述旋转电机4的安装结构使生成倾斜运动的转子结构(即第一转子2)与生成旋转运动的定子结构(即第二定子)连接成一个整体，使得结构更加紧凑，有利于小型化设计。

示例性的，如图2所示，所述中空通道23的内壁设有用于容置所述第二绕组44的第二凹槽45。由此，通过第二凹槽45的设置，一方面能够支撑及容置第二绕组44，另一方面能够增大第二转子与第二定子间的磁通密度。

示例性的，如图1所示，所述动子球芯21的北极位置的镂空截面上设有可拆卸端盖8，以方便装配旋转电机4，提升球型驱动器的结构一体性。

示例性的，如图1所示，所述可拆卸端盖8上固设有轴承9，该轴承能够与所述旋转电机4的旋转轴41连接，以支承旋转轴转动，减少摩擦。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，包括机座、第一转子和第一定子，所述第一定子固定在机座上，所述第一转子与所述第一定子互不接触，且所述第一转子能相对所述第一定子转动；

所述第一定子包括定子背铁、第一永磁体和第二永磁体，所述定子背铁为空心球壳，且所述定子背铁的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一永磁体形状匹配地固定在所述定子背铁的北半球腔壁上，所述第二永磁体形状匹配地固定在所述定子背铁的南半球腔壁上，所述第一永磁体和所述第二永磁体均沿所述定子背铁的径向充磁，所述第一永磁体的充磁方向与所述第二永磁体的充磁方向相反；

所述第一转子包括动子球芯和第一绕组，所述动子球芯为具有中空通道的球体，所述中空通道的两端贯穿所述动子球芯的南北极位置，且所述动子球芯的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一绕组设有4组，每组所述第一绕组由一个或多个线圈构成，所述第一绕组嵌置在所述动子球芯的外表面，相邻的两组所述第一绕组互成90度夹角，4组所述第一绕组沿所述动子球芯的纬线方向呈一维阵列分布，且所述第一绕组的线圈在平行于动子球芯的南北极轴线的平面上缠绕；所述第一绕组通电后，所述第一绕组在电磁力作用下驱动所述第一转子绕其球心做倾斜运动；

所述中空通道内安装有旋转电机，所述旋转电机的旋转轴末端伸出于所述定子背铁的北极位置上的镂空截面。

2.根据权利要求1所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述动子球芯的外表面设有用于容置所述第一绕组的第一凹槽。

3.根据权利要求1所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述第一永磁体设有4组，每组所述第一永磁体由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第一永磁体互成90度夹角，4组所述第一永磁体沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布；所述第二永磁体设有4组，每组所述第二永磁体由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第二永磁体互成90度夹角，4组所述第二永磁体沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布。

4.根据权利要求3所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体或第二永磁体的充磁方向相同时，互成180度夹角的两组所述第一绕组的通电方向在所述第一转子的外侧正视下是相反的。

5.根据权利要求3所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体或第二永磁体的充磁方向相反时，互成180度夹角的两组所述第一绕组的通电方向在所述第一转子的外侧正视下是相同的。

6.根据权利要求1所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述第一定子与第一转子之间设有若干个牛眼轴承，若干个所述牛眼轴承沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布。

7.根据权利要求1所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述机座的中心位置固设有沿所述第一定子的南北极轴线向所述中空通道一侧延伸的中心轴，所述中心轴的末端位于所述动子球芯的球心位置且通过球轴承与所述旋转电机转动连接。

8.根据权利要求1至7任一项所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述旋转电机包括旋转轴以及设于所述中空通道内且自内而外依次同轴套装在所述旋转轴上的第二转子和第二定子，所述第二转子与所述第二定子互不接触，且所述第二转子能相对所述第二定子转动；

所述第二转子包括转子铁芯和第三永磁体，所述转子铁芯固定套装在所述旋转轴上，所述第三永磁体设有多个，多个所述第三永磁体沿所述转子铁芯的圆周方向均匀布置；

所述第二定子包括多个第二绕组，多个所述第二绕组嵌置在所述中空通道的内壁上且沿其圆周方向均布；所述第二绕组通电后，所述第三永磁体在电磁力作用下驱动所述第二转子绕其轴线做旋转运动。

9.根据权利要求8所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述中空通道的内壁设有用于容置所述第二绕组的第二凹槽。

10.根据权利要求8所述的多功能多自由度球型驱动器，其特征在于，所述动子球芯的北极位置的镂空截面上设有可拆卸端盖，所述可拆卸端盖上固设有与所述旋转电机的旋转轴连接的轴承。

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