CN113300513A - 一种多自由度电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多自由度电机，属于运动系统及机器人领域，包括一级框架、二级框架、三级框架、末端转子、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、永磁体和电磁线圈；一级框架内表面设置有电磁线圈；在一级框架的顶部两侧对称通过第一转动轴连接二级框架；三级框架非机械接触的设置在二级框架的内部；末端转子与三级框架间通过第三转动轴连接；在末端转子靠近一级框架一侧设置有永磁体；二级框架与三级框架间通过第二转动轴连接；第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴相互垂直；工作时在电磁线圈中通入电流，电磁线圈和永磁体之间产生电磁力；末端转子在电磁力、第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴的作用下，实现末端转子三个垂直方向的旋转。

Description

一种多自由度电机
技术领域
本发明属于运动系统及机器人领域，更具体地，涉及一种多自由度电机。
背景技术
在航空、军事、工业自动化与智能机器人等应用场合下，如果要实现多自由度运动，例如多自由度机器人的运动、多轴数控机床加工平台的运动等，只能通过对多个单自由度电机通过复杂的连接机构串联或者并联等机械组合来完成，驱动时需要分别对各个单自由度电机进行单独控制，以达到整体多自由度旋转运动，但是在这种传统的驱动系统中，多个单自由度电机控制误差的累计会导致整个控制系统的精度下降，也会在一定程度上影响系统的稳定性。此外，这种驱动系统通常具有非常复杂的结构，动力学性能不太良好，不仅增大了电机整体的体积，而且会产生很强的耦合效应，给电机的控制带来很大的困难，难以实现快速、精确的末端姿态控制。
现有多自由度电机的出现解决了上述问题，但是现有的多自由度电机只能进行自转或者旋转运动，在自动化工厂或者机器人控制等领域往往要求单个电机可以实现多自由度的运动，如自转、偏转及自线等复合运动，以此来简化系统结构、提高系统的稳态性能。因此，提供一种结构简单、体积小、功耗低、响应迅速、易于实现精确的多自由度位置控制的多自由度电机是非常必要的。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多自由度电机，旨在解决现有的采用多个单轴电机驱动运动系统整体多自由度旋转运动时，多个电机无法同步控制导致控制运动系统的末端位置精确度较差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种多自由度电机，包括一级框架、二级框架、三级框架、末端转子、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、永磁体和电磁线圈；
一级框架内表面设置有电磁线圈；在一级框架的两侧对称通过第一转动轴连接二级框架；三级框架通过第二转动轴设置在二级框架的内侧；末端转子与三级框架间通过第三转动轴连接；三级框架与一级框架均关于末端转子轴对称；在末端转子靠近一级框架一侧设置有永磁体；第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴相互垂直，且三者交点位于末端转子的对称轴上或延长线上；交点为转动中心；
一级框架作为定子，；工作时在电磁线圈中通入电流，电磁线圈和永磁体之间产生电磁力；末端转子在电磁力的作用下，实现在第一转动轴轴线、第二转动轴轴线和第三转动轴轴线的三个相互垂直方向上的旋转。优选地，一级框架的内表面和末端转子的外表面呈球面结构，便于永磁体与电磁线圈的对称排布。
优选地，电磁线圈均匀分布在一级框架内而非末端转子表面，可以避免在转动过程中电磁线圈的导线发生缠绕。
优选地，电磁线圈与永磁体分别均匀分布在一级框架的内表面和末端转子靠近一级框架一侧的表面，且各个线圈与永磁体距离转动中心的距离相等，利于驱动电流的解算。
优选地，电磁线圈与永磁体两者的轴线均通过转动中心，利于驱动电流的解算。
优选地，电磁线圈与永磁体两者的轴线在初始位置不重合，可以避免多自由度球形电机在初始位置启动时所需的驱动电流过大。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明通过多框架的三自由度旋转结构与球面分布的电磁单元(电磁线圈和永磁铁)，通过多个永磁体与电磁线圈之间的作用，对转子末端(末级转子及输出轴)以直驱的方式实现多自由度旋转控制。与传统的旋转系统相比，本发明这种驱动方式的结构更加简单、紧凑，易于实现快速精准的多自由度位置控制。多自由度的框架结构易于制造，分布式电磁单元可以实现多自由度整体同步控制，可解决传统系统由于多个电机不同步造成的控制精度较差的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多自由度球形电机剖面图；
图2是本发明实施例提供的多自由度球形外形示意图；
附图标记说明：
1-旋转系统的一级框架；2-旋转系统的二级框架；3-转子系统的三级框架；4-末端转子；5-第一转动轴；6-第三转动轴；7-永磁体；8-电磁线圈；9-第二转动轴。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
图1为多自由度球形电机的剖面图，如图1所示，球形电机的旋转系统包括多级旋转框架与末级转子构成；旋转系统的一级框架1的内表面和末端转子4的外表面呈球面结构；旋转系统的一级框架1内表面设置有电磁线圈8；在旋转系统的一级框架1的两侧对称通过第一转动轴5连接旋转系统的二级框架2；转子系统的三级框架3通过第二转动轴9设置在旋转系统的二级框架2的内侧；末端转子4与转子系统的三级框架3间通过第三转动轴6连接；转子系统的三级框架3与旋转系统的一级框架1均关于末端转子4轴对称；在末端转子4靠近旋转系统的一级框架1一侧设置有永磁体7；第一转动轴5、第二转动轴9和第三转动轴6相互垂直，且三者交点为转动中心，位于末端转子4的对称轴上或延长线上；在实际应用中，末端转子4作为工作平台，或者结合输出轴，共同构成工作平台。
其中，各个框架之间由相互垂直的转动轴连接，转动轴的对称轴延长线交于球心，以保证末级转子可相对于最外部的一级框架进行三个自由度方向上的旋转运动；此外，旋转系统的一级框架1及末端转子上分别装配了电磁线圈8及永磁体7；电磁线圈8的中心轴指向球心；工作时电磁线圈8中通入一定的电流时，通过旋转系统的一级框架1上的电磁线圈8及末端转子上的永磁体7之间的电磁力作用，末端转子上的永磁体7受到一定的电磁力矩作用，因为永磁体7与末端转子固连，末端转子就会受到一定的力矩作用，又由于末端转子只能沿着第一转动轴5、第二转动轴9和第三转动轴6的轴线旋转，因此末端转子在电磁力矩的作用下可绕球心进行三个相互垂直的自由度方向上的转动，即可实现球形电机旋转系统的转子相对框架进行一定的旋转。
框架与转动轴之间的连接关系如下：末端转子与转子系统的三级框架间通过第三转动轴6连接；旋转系统的二级框架2与转子系统的三级框架3间通过第二转动轴9连接；在旋转系统的一级框架1的顶部两侧对称通过第一转动轴5连接旋转系统的二级框架2；
图2为多自由度球形电机的外形示意图。如图2所示，旋转系统的末端转子可相对于最外层旋转系统的一级框架1进行三个不同方向的转动，这三个转动方向的轴线分别为第一转动轴5、第二转动轴9和第三转动轴6的轴线，相互垂直且交于球心；即相比较于由多个单自由度串联构成的传统旋转系统，这种多框架的三自由度球形旋转结构在简化了整体机构的前提下，可通过直驱的方式控制旋转系统实现三自由度的旋转。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多自由度电机，其特征在于，包括：一级框架、二级框架、三级框架、末端转子、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、永磁体和电磁线圈；
所述一级框架内表面设置有所述电磁线圈；在所述一级框架的两侧对称通过所述第一转动轴连接所述二级框架；所述三级框架通过所述第二转动轴设置在所述二级框架的内侧；所述末端转子与三级框架间通过所述第三转动轴连接；所述三级框架与所述一级框架均关于末端转子轴对称；在所述末端转子靠近一级框架一侧设置有永磁体；第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴相互垂直，且三者交点为转动中心，位于末端转子的对称轴上或延长线上；
所述一级框架作为定子；工作时在所述电磁线圈中通入电流，电磁线圈和永磁体之间产生电磁力；所述末端转子在电磁力的作用下，实现在第一转动轴轴线、第二转动轴轴线和第三转动轴轴线的三个相互垂直方向上的旋转。
2.根据权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，所述一级框架的内表面和末端转子的外表面呈球面结构。
3.根据权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，所述电磁线圈均匀分布在一级框架的内表面，且各个线圈距离转动中心的距离相等。
4.根据权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，所述永磁体均匀分布在末端转子靠近一级框架一侧的表面，且各个永磁体距离转动中心的距离相等。
5.根据权利要求1至4任一所述的多自由度电机，其特征在于，所述电磁线圈与永磁体两者的轴线均通过转动中心。
6.根据权利要求1所述的多自由度电机，其特征在于，所述电磁线圈与永磁体的轴线在初始位置不重合。
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