CN115459530A - 用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机 - Google Patents

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CN115459530A CN202211252276.XA CN202211252276A CN115459530A CN 115459530 A CN115459530 A CN 115459530A CN 202211252276 A CN202211252276 A CN 202211252276A CN 115459530 A CN115459530 A CN 115459530A
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谈姚凯
邢孟江
杨圆圆
邢孟道
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Yangtze River Delta Research Institute of UESTC Huzhou
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Abstract

本发明公开一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，在空心转子球体上分布有依据近似等边球面划分原则分布的永磁体槽，槽内放置有永磁体。在位于转子球体外侧的定子内分布有按照一定空间规则分布的定子槽，槽内放置有铁磁线圈。输出轴与空心转子球壳固连，轴端带有法兰盘，法兰盘上固定有位置传感器。定子与转子之间通过轴承及轴承支架相连，上轴承上固定有三个位置传感器。本发明通过固定在法兰盘以及上轴承的位置传感器来对转子的位置进行检测，精确定位了转子的运动位置。通过对比定子线圈的输出电流和位置传感器的信息并反馈到控制端，实现精确控制。同时由于结构简化，转子运行角度增加，使得其更适用于机器人关节的仿真运动。

Description

用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机
技术领域
本发明涉及一种步进电机，特别涉及一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机。
背景技术
传统的机器人关节驱动方式常由复杂的机械传动机构和多个单自由度驱动元件组成，这样的系统虽然满足了对复杂系统的多维运动控制要求，但复杂的控制方案以及机械结构间的误差使得系统精度、效率等受到限制。
随着新型永磁材料的不断发展，电气控制以及传感技术的进步，结构简单的多自由度、高精度的永磁球形电机逐渐孕育而生。其基本原理是利用三个相互正交的脉振磁场共同作用，形成绕空间定点旋转的合成磁场，从而推动转子在空间的多自由度运动。
本发明是在上述基础上，为了弥补传统关节驱动方式的不足而提出的一种适用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机。实现了多自由度的运动，使得机器人关节更加拟人化，同时通过比较输入信号和位置传感器输出的信号之间的不同，反馈到运动控制端，使得转子的运动更加精确。并且结构相对简化，便于维护、安装。除开机器人关节电机之外，同样适用于云台、运输机构等领域。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，其采用的技术方案如下：
一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，包括采用非导磁材料的制成的空心转子球体，在所述空心转子球体上，根据近似等边球面划分原则分布有若干永磁体槽，所述永磁体槽内安装有多个沿径向分布的稀土永磁体，各个稀土永磁体的N极均指向球外；
位于所述空心转子球体外侧的圆柱形定子由非导磁材料制成，所述圆柱形定子设置一半球形的槽，槽的球心位于圆柱体表面圆心，用于放置所述空心转子球体，覆盖范围小于半个转子球面。半球形的槽内按照预设空间规则分布有若干定子槽，所述定子槽内分布有铁磁线圈；
还包括输出轴；所述输出轴上端贯穿所述空心转子球体并固定有法兰盘，所述输出轴下端同所述空心转子球体内表面相固连，所述法兰盘上固定有用于定位的位置传感器。
进一步地，所述圆柱形定子同第一轴承之间固连，所述第一轴承和第二轴承通过轴承支架固连；所述空心转子球体支撑与所述第二轴承和第一轴承之间，所述空心转子球体的球心与所述圆柱形定子的球心位于同一轴线。
进一步地，所述空心转子球体是由两个中空的半球壳合并而成。
进一步地，所述稀土永磁体上表面设置有矩形凹槽，下表面固连底座，所述底座与永磁体槽通过螺纹连接。
进一步地，所述圆柱形定子的定子槽中设置定子槽盖，所述铁磁线圈通过定子槽盖固定于定子槽中。
本发明的有益效果是：本发明通过固定在法兰盘以及上轴承的位置传感器来对转子的位置进行检测，精确定位了转子的运动位置。通过对比定子线圈的输出电流和位置传感器的信息并反馈到控制端，实现精确控制。同时由于结构简化，转子运行角度增加，使得其更适用于机器人关节的仿真运动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例的一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机的结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例的一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机的空心转子球体结构示意图。
图4示出了根据本发明实施例的一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机的定子结构示意图。
图5示出了根据本发明实施例的一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机的永磁体槽及永磁体安装方式结构示意图。
图6示出了根据本发明实施例的一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机的轴承结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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。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。
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。
如图1至图5所示，本发明实施例提供一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，包括：
空心转子球体2以及固定在空心转子球体2上的稀土永磁体3；
圆柱形定子5以及固定在定子5上的铁磁线圈6。
空心转子球体2的球心同定子5内球形凹槽的球心位于同一轴线上。空心转子球体转子2和圆柱形定子5之间设置第一轴承9，用于支撑空心转子球体2，第一轴承9与第二轴承4之间通过轴承支架8固连；空心转子球体2能够绕球心作大角度任意运动。
如图5所示，对于空心转子球体2表面依据近似等边球面划分原则设置有永磁体槽11，共有80个，永磁体槽11的槽内设置有螺纹，底座13与永磁体槽11螺纹连接，同时稀土永磁体3同底座13固连。
对于圆柱形定子5内球形凹槽表面依据近似等边球面划分原则设置有定子槽12，共有16个。定子槽12内安装有铁磁线圈6，上方安装有定子槽盖14，用于固定铁磁线圈6。
圆柱形定子5的显著特征在于对于转子球体2的覆盖范围小于半个转子空心转子球体2，使得输出轴7受圆柱形定子5的包络限制更小，大大扩展了空心转子球体2的运动范围。
空心转子球体2中的稀土永磁体3对称分布于不同的铁磁线圈6，使得铁磁线圈6在通电后对附近的永磁体3产生转矩，从而改变转子2的运动方向。通过连接电路板来控制铁磁线圈6的通电，使得转子2作任意的空间运动。
为了实现精确控制，通过固定在法兰盘1和上轴承4上的位置传感器来检测转子2的位置，并将位置信息反馈至铁磁线圈6的电流控制点路，实现对转子2运动姿态的精确控制。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，其特征在于，包括采用非导磁材料的制成的空心转子球体(2)，在所述空心转子球体(2)上，根据近似等边球面划分原则分布有若干永磁体槽(11)，所述永磁体槽(11)内安装有多个沿径向分布的稀土永磁体(3)，各个稀土永磁体(3)的N极均指向球外；
位于所述空心转子球体(2)外侧的圆柱形定子(5)由非导磁材料制成，所述圆柱形定子(5)设置一半球形的槽，槽的球心位于圆柱体表面圆心，用于放置所述空心转子球体(2)，覆盖范围小于半个转子球面。半球形的槽内按照预设空间规则分布有若干定子槽(12)，所述定子槽(12)内分布有铁磁线圈(6)；
还包括输出轴(7)；所述输出轴(7)上端贯穿所述空心转子球体(2)并固定有法兰盘(1)，所述输出轴(7)下端同所述空心转子球体(2)内表面相固连，所述法兰盘(1)上固定有用于定位的位置传感器。
2.如权利要求1所述的用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，其特征在于，所述圆柱形定子(5)同第一轴承(9)之间固连，所述第一轴承(9)和第二轴承(4)通过轴承支架(8)固连；所述空心转子球体(2)支撑与所述第二轴承(4)和第一轴承(9)之间，所述空心转子球体(2)的球心与所述圆柱形定子(5)的球心位于同一轴线。
3.如权利要求1所述的用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，其特征在于，所述空心转子球体(2)是由两个中空的半球壳合并而成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，其特征在于，所述稀土永磁体(3)上表面设置有矩形凹槽，下表面固连底座(13)，所述底座(13)与永磁体槽(11)通过螺纹连接。
5.如权利要求1所述的用于机器人仿真关节的永磁球型步进电机，其特征在于，所述圆柱形定子(5)的定子槽(12)中设置定子槽盖(14)，所述铁磁线圈(6)通过定子槽盖(14)固定于定子槽(12)中。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115854217A (zh) * 2022-12-27 2023-03-28 重庆大学 一种应用电磁球铰的六自由度运动平台
CN116482650A (zh) * 2023-04-20 2023-07-25 中铁隧道集团一处有限公司 自吸式e型球全向测距反射模组

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