CN115664151A - 一种电磁驱动高集成球型电机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种电磁驱动高集成球型电机及其控制方法，具体为一种只需要通过外部万向节单元与输出端同轴连接所构成随动机构内置径向磁化永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接驱动下实现侧摆、俯仰二自由度转动的机器人高集成球型电机装置。本发明的一种新型电磁驱动两自由度高集成球型电机的外部万向节的转动中心即为球型电机转动中心，可靠实现了电机两个自由度的运动解耦，侧摆、俯仰角度可单独测量与控制。电机结构紧凑、简单，转动灵活，不易干涉，运动稳定性好、定位精度高、制动稳固。由于电机采用了三轴正交组合线圈基础上的多层嵌套结构，电机磁场均匀区域大，结构紧凑，能量输出密度大。

Description

一种电磁驱动高集成球型电机及其控制方法

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种电磁驱动高集成球型电机及其控制方法，具体为一种只需要通过外部万向节单元与输出端同轴连接所构成随动机构内置径向磁化永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接驱动下实现侧摆、俯仰二自由度转动的高集成球型电机装置。

背景技术

由于机器人多自由度手腕机械系统结构复杂程度高，运动传动系统摩擦具有非线性特征，最终导致机械结构手腕动态性能差、控制精度低，机械效率低，可靠性差等问题。

为了克服上述机械传动手腕的弊端，使多自由度手腕传动系统结构简单轻便，并显著提高运动性能、传动效率、控制响应速度和定位精度，可采用电磁直接驱动多自由度电机代替复杂传动机械手腕。多自由度电机集成度高，传动链简单且无机械间隙，有效材料和控制系统元件的利用率高，特别是转动的自由度多，可显著简化机械系统结构，避免关节的非线性摩擦力，提高系统静态及动态性能。

球形电机是集现代电机设计理论、功率电子技术、自动控制理论于一体的高技术，球形电动机本身就是一种直接驱动的球形主动关节。按原理主要可分成以下几类：自整角机式、感应式、永磁式(含直流、步进、磁阻式、同步式)等。克服了线圈式球形电机的许多缺点，永磁式球形电机占用空间小、系统效率高、磁能积高，在机器人、多向传动机构、制造业等多维空间伺服控制系统领域应用前景良好。

目前，电磁球形电机在本体结构设计、电磁和转矩分析与控制等方面普遍存在以下问题：1)磁场计算困难。球形电机磁场为三维磁场，异常复杂，目前球形电机磁场计算均基于理想化假设模型，还不能对磁场进行精确建模和计算。2)电磁耦合问题。球形电机各自由度间电磁耦合和力学耦合关系复杂，如何根据磁场模型，定量分析这些耦合关系，实现精准解耦，是球形电机设计与精确控制研究中急需解决的问题。3)新型球形电机的结构参数优化。必须以球形电机的精确建模为基础，以提高其输出转矩、减小尺寸、提高响应灵敏度和定位精度为目标，对球形电机本体结构参数进行优化设计。

为了解决上述难题，必须进行电磁驱动球形关节原理方面的创新。新球形电机必须便于建立准确的力学模型和运动模型，找出合适路径规划算法，提高电机的动态性能和稳定性，是对球形电机进行精密控制的基础，也是球形电机能够应用于精密工业领域的必然要求。

为了实现电磁驱动球型关节原理方面的创新，首先要突破空间万向旋转磁场技术。由于空间万向旋转磁场是三轴正交亥姆霍兹线圈线性叠加产生的单一均匀旋转磁场，不存在磁场耦合问题，磁场控制精度高，也不存在磁力耦合问题，磁极只受纯电磁驱动力矩作用，便于建立准确的力学模型和运动模型，因此，采用空间万向旋转磁场技术优势明显，可望显著通过球型电机控制精度。为了实现球型电机万向控制，解决旋转磁场方位与旋转方向控制是关键。

为实现胶囊机器人在弯曲肠道环境中自由行走，国家发明专利“体内医疗微型机器人万向旋转磁场驱动控制方法”中(专利授权号：ZL 200810011110.2)，提出了旋转轴线可调的空间万向旋转磁场控制方法，并给出适用于空间第一象限的旋转磁场基本电流叠加公式。

为了实现旋转磁场轴线的万向可调，将基本电流叠加公式扩展到空间另七个象限，国家发明专利“空间万向叠加旋转磁场旋转轴线方位与旋向的控制方法”中(专利授权号：ZL 201210039753.4)中，通过以空间某一固定轴线三个方向角为输入变量的基本电流叠加公式中三相正弦电流信号的反相位电流的组合驱动方式与三轴正交嵌套亥姆霍兹线圈装置内叠加的空间万向均匀旋转磁场的旋转轴方位和旋向的变化规律为基础，实现了空间万向旋转磁场旋转轴线方位与旋向在空间坐标系各个象限内的唯一性控制，在理论上解决通过数字化控制实现空间万向旋转磁矢量方位、旋向、强度、转速的任意调整的问题，为实现机器人的姿态调整与定向驱动行走奠定了基础。

在研究胶囊机器人姿态控制过程，发现在万向旋转磁场驱动下的径向磁化钕铁硼永磁体圆柱体轴线会发生旋转磁场同轴随动磁矩效应，即当钕铁硼圆柱体轴线与旋转磁场旋转轴线存在夹角时，旋转磁场的同轴随动磁矩将拉动钕铁硼圆柱体轴线向旋转磁场旋转轴线方向转动，直到重合为止。空间万向旋转磁场同轴随动磁矩可将永磁体轴线引导到空间任何方位，为胶囊机器人在胃肠道内的转弯控制奠定了基础。

为解决胶囊机器人在胃肠道中诊察时的姿态调整与转弯行走两种运动方式相互分离的问题，国家发明专利“一种主被动双半球形胶囊机器人及其姿态调整与转弯驱动控制方法”(专利授权号：ZL 201510262778.4)中，利用球形结构的灵活性与万向性，避免了调姿时球形机器人发生滚动运动，结合空间万向旋转磁场的同轴随动磁矩效应作用，径向磁化圆柱磁体在跟随空间万向旋转磁场旋转时，其轴线方向始终跟随并最终与旋转磁场法向量方向(磁场旋转轴线)保持一致，可实现主、被动双半球结构胶囊机器人在体内自由进行姿态调整与转弯行走，研究表明，空间万向旋转磁场的方位与末端圆形轨迹误差直接影响机器人的控制精度。

空间万向旋转磁场成功实现了对双半球胶囊姿态的有效控制，也为万向球型电机的研制奠定了基础。为了便于万向球型电机侧摆与俯仰姿态的万向控制与应用，国家发明专利“一种空间万向旋转磁场人机交互控制方法”(专利授权号：ZL 201610009285.4)中，提出经纬坐标系内以侧摆与俯仰角两个姿态角度为输入变量的电流形式的空间万向旋转磁场叠加公式，

其中

其中θ、δ为机器人轴线侧摆角与俯仰角，I₀为三组正交亥姆霍兹线圈中正弦电流的幅值，ω为施加正弦信号电流的角频率，施加正弦信号电流的频率为f＝2π/ω。将空间万向旋转磁场的三维叠加问题转化为平面内的两维叠加问题，并通过两个操纵杆分别将侧摆与俯仰角度分离控制，实现低维度可分离变量交互式控制。三轴正交亥姆霍兹线圈的驱动是产生机器人轴线的侧摆角和俯仰角的方位可分离变量的空间万向旋转磁场控制模式，完全可以实现新型手腕侧摆角和俯仰角的控制。

为了克服现有永磁电机存在畸变耦合磁场和控制过程复杂等局限性，必须实现电磁驱动球型关节原理方面的创新，还要解决均匀空间万向旋转磁场下更有效、快捷、准确的新型电磁驱动技术。空间万向旋转磁场同轴随动磁矩可将永磁体轴线引导到空间任何方位，为球型关节姿态转换的电磁驱动奠定了基础。

鉴于纯磁矩操纵优势，基于同轴随动磁矩效应，在大连理工大学所申请的发明专利“一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法”(专利授权ZL202010484343.5)中，提出了采用空间万向旋转磁场的耦合纯磁矩操控球型电机输出端位姿的动态平衡控制方案。在同轴随动磁矩效应作用下，径向磁化圆柱磁体在跟随空间万向旋转磁场旋转时，其轴线方向始终跟随并最终与旋转磁场法向量方向(磁场旋转轴线)保持一致，由于解决了以侧摆与俯仰角两个姿态角度为输入变量的空间万向旋转磁场控制技术(专利授权号：ZL201610009285.4)，便可实现球型电机输出端侧摆俯仰两自由度的万向控制，实现磁场与球型电机方位控制的统一。同轴随动磁矩效应为球型电机的驱动提供了新的探索途径。

如图1所示，国家发明专利“一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕及其控制方法”(专利授权号：ZL 202010484343.5)中所述的一种电磁驱动两自由度球型机器人手腕，即球型电机，包括三轴亥姆霍兹线圈组A和随动部分b；其中，三轴正交的亥姆霍兹线圈组A提供空间万向旋转磁场，随动部分b提供旋转磁场同轴随动磁矩驱动下侧摆和俯仰两个自由度转动。如图2所示，随动部分b包括内部十字万向节D、外部十字万向节c以及固定端e。

所述的三轴亥姆霍兹线圈组A包括大线圈组、小线圈组和中间线圈组，每组包括两个完全相同的线圈，对称布置；三组线圈的轴线相互垂直，且三组线圈相互固定，其中大线圈组的底部固定在固定端e上，且中间线圈组的轴线与固定端e的轴线重合；内部十字万向节D位于三组线圈中间的内部空间内，外部十字万向节c位于三组线圈外部；所述的外部十字万向节c、三轴亥姆霍兹线圈组a、内部十字万向节D在空间上形成三层嵌套结构。

随动部分b包括内部十字万向节D(内安装有转子永磁体)、外部十字万向节c(安装有制动机构、阻尼机构、测量机构等)以及固定端e。内部十字万向节D和外部十字万向节c的转动中心相同，即手腕转动中心，构成球型腕，实现了两个自由度转动的解耦，可以实施侧摆角度和俯仰角度的单独测量与控制；内部十字万向节D和外部十字万向节c均采用空心结构，以增加内部可容纳空间。

外部十字万向节c所安装的制动机构、阻尼机构、测量机构，实现了手腕侧摆与俯仰运动的制动、测量、改变阻尼特性的功能。

尽管该发明提出一种通过同心内、外部万向节两个输出端(从动叉)同轴连接所构成随动机构内置径向磁化钕铁硼永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩引导下实现随动机构输出端侧摆、俯仰的二自由度机器人高集成主动球型手腕机构及变刚度控制方法。但在实施操作过程中存在如下问题：1)磁场发生装置采用的三轴嵌套亥姆霍兹线圈，结构复杂、不紧凑，磁场均匀区域太小，不仅直接影响手腕能量密度指标，还会给内、外部万向节机构的空间布置带来困难。2)转子随动部分包括的内部十字万向节、外部十字万向节均采用空心嵌套结构，结构复杂、刚度差；难以保证内部十字万向节和外部十字万向节的转动中心相同，如果两者转动中心不重合，会影响随动机构转动的灵活性，甚至是机械干涉；内部十字万向节还会占据转子永磁体空间，给永磁体的空间布置带来困难，永磁体体积小也会影响手腕的能量输出密度指标。3)外部十字万向节同时布置安装制动机构、阻尼机构、测量机构存在困难，由于外部十字万向节采用空心结构，存在刚度不足问题，以外部十字万向节为支撑单元进行制动会影响随动机构运动控制的稳定性和手腕的定位精度。

发明内容

针对上述电磁手腕所存在的机械结构复杂，结构不紧凑、刚度差、机电元件空间布置困难等局限性，本发明提供一种只需要通过外部单一万向节单元与输出端同轴连接所构成随动机构的内置径向磁化永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接引导驱动下实现侧摆、俯仰二自由度运动的高集成球型电机装置。具体方案主要的改进如下：

1)磁场发生装置采用的三轴正交组合线圈，包括两组鞍形线圈与一组亥姆霍兹线圈，结构紧凑，磁场均匀区域大，能量密度指标大，外部万向节空间布置便利。2)转子随动部分只包括外部十字万向节，不需要内部十字万向节，外部十字万向节转动中心即为随动机构转动中心，随动机构转动灵活，不会发生机械干涉问题；由于没有内部十字万向节，三轴正交组合线圈内为永磁体预留空间大，电机能量输出密度显著增加。3)外部十字万向节只需布置安装阻尼机构、测量机构，空间布置简单；随动机构与固定端机架锁定，以机架为支撑进行制动会显著增加随动机构刚度，随动机构运动稳定性好和定位精度高。

该球型电机能够进一步摆脱复杂的机械结构，采用关节电磁驱动直接实现变刚度的线性化控制，关节的柔顺控制动态性能将显著提高。

本发明的技术方案是：

一种电磁驱动高集成球型电机，包括三轴正交组合线圈a和随动部分b，三轴正交组合线圈a，包括两组鞍形线圈与一组亥姆霍兹线圈；其中，三轴正交组合线圈a提供空间万向旋转磁场，随动部分b提供旋转磁场同轴随动磁矩驱动下侧摆和俯仰两个自由度转动；具体结构如下：

所述的随动部分b包括外部十字万向节c、电磁制动装置d、以及固定端e；固定端e包括底座12和与底座12两端通过螺钉相连接的两个竖直的支撑架f。支撑架f上设有水平的通孔，用于安装外部十字万向节c；

所述的外部十字万向节c包括外部万向节内环34、外部万向节外环a22和外部万向节外环b36和径向磁化永磁体3，其中，外部万向节内环34作为十字轴支架，外部万向节内环34上对称设有四个水平的同轴通孔(十字轴孔)，外部万向节外环a22和b36作为从动叉；法兰轴a6和法兰轴b21通过法兰轴承a5和法兰轴承b20安装在支撑架f上的通孔中。法兰轴a6和法兰轴b21的内侧穿过外部万向节内环34的一对同轴通孔，并通过螺栓与外部万向节内环34连接，法兰轴a6的外侧通过联轴器a7与编码器a8的轴连接，编码器a8通过编码器连接架9连接到其中一个支撑架f上；法兰轴b21的外侧通过联轴器b19与阻尼器a18的轴连接，阻尼器a18通过阻尼器支架17与另一个支撑架f连接。外部万向节内环34上的另外两个同轴通孔用于安装深沟球轴承a29和深沟球轴承b33，深沟球轴承a29和深沟球轴承b33分别与旋转轴a28和旋转轴b33相配合。旋转轴a28外侧先与外部万向节外环a22配合，再与联轴器c26的一端配合连接，旋转轴a28内侧与圆形支座a25配合并用内六角螺钉进行周向固定。联轴器c26另一端与阻尼器b27的轴连接，阻尼器b27固定在外部万向节内环34上，在运动过程中提供阻尼，进而改善随动系统的稳定性。圆形支座a25固定在永磁体外壳4上，与旋转轴a28共同传递来自径向磁化永磁体3的转矩。旋转轴b33外侧先与外部万向节外环b36配合，再与联轴器d31一端配合连接，旋转轴b33内侧与圆形支座b30配合并用内六角螺钉进行周向定位。联轴器d29的另一端与编码器b30的轴连接，编码器b30与外部万向节内环34连接。圆形支座b30通过螺钉与永磁体外壳4连接，与旋转轴b33共同传递转矩。外部十字万向节c的输出端1与外部万向节外环a22、b36通过螺栓连接，输出端1再与输出轴2配合，其中，外部万向节外环a22、外部万向节外环b36对输出端1起到支撑作用，输出轴2对输出端1起导向作用。输出轴2一端与输出端1配合，另一端与圆形支座c23配合，圆形支座c23通过螺钉与永磁体外壳端盖24连接。永磁体外壳端盖24与永磁体外壳4配合，并用螺钉连接；永磁体外壳4为中空结构，永磁体外壳4顶端与永磁体外壳端盖24连接，永磁体外壳4底端则与摩擦片a10连接。编码器c16安装于摩擦片a10内部的孔中，用于测量径向磁化永磁体3的旋转角度，编码器c16的轴通过轴套37与径向磁化永磁体3连接。径向磁化永磁体3安装于永磁体外壳4的内部并可以自由转动。

所述的三轴正交组合线圈a，包括外鞍形线圈组39、内鞍形线圈组40和亥姆霍兹线圈组41，内鞍形线圈组40置于外鞍形线圈组39内部，亥姆霍兹线圈组41对称布置在外鞍形线圈组39的外表面，三者同轴，外鞍形线圈组39和内鞍形线圈组40的底部固定在底座12上；鞍形线圈组39产生均匀磁场的方向与其对称面垂直并沿着y轴，鞍形线圈组40产生均匀磁场的方向与其对称面垂直并沿着x轴，亥姆霍兹线圈41产生均匀磁场的方向与其对称面垂直并沿着z轴，z轴分别与x轴和y轴垂直，即三组线圈产生均匀磁场的方向相互垂直。三轴正交组合线圈a的中心与外部十字万向节c的转动中心重合。径向磁化永磁体3位于三轴正交组合线圈a的内部空间内，外部十字万向节c位于三轴正交组合线圈a外部；所述的外部十字万向节c、三轴正交组合线圈a、径向磁化永磁体3在空间上形成三层嵌套结构。

所述的电磁制动装置d由摩擦片a10、摩擦片b11、电磁铁15和直线导轨14构成。所述的直线导轨14和电磁铁15均固定在底座12上。摩擦片b11的中心为竖直向下的圆柱结构，摩擦片b11的圆柱端与直线导轨14的内孔同轴安装并可沿着轴向相对移动，摩擦片b11两侧的水平端上对称设有安装孔，电磁铁15上设有对应的通孔，螺栓依次通过摩擦片b11上的安装孔和电磁铁15上的通孔后，底端固定在底座12上，螺栓上套有弹簧42，弹簧42位于摩擦片b11的下表面和电磁铁(15)的上表面之间。电磁制动装置d断电时，电磁制动装置d断电时，摩擦片b11下的弹簧42推动摩擦片b11与摩擦片a10接触，产生摩擦力，实现对随动部分b两个方向的制动；当制动装置通电时，电磁铁15产生电磁吸力将摩擦片b11吸回，和永磁体外壳4连接的摩擦片a10可以继续运动，与摩擦片a10脱离接触并解除对随动部分b的制动。嵌有滚珠的直线导轨14可保证摩擦片b11上下直线移动灵活，并减小摩擦片b11移动的摩擦阻力。

底座12固定在支座13上，支座13只起支撑作用，底座12为机械接口可与其他部件进行对接。

本发明的效果和益处是：

本发明的一种新型电磁驱动两自由度高集成球型电机的外部万向节的转动中心即为球型电机转动中心，随动机构结构紧凑、简单，转动灵活，不会发生机械干涉问题，可靠实现了电机两个自由度的运动解耦，侧摆、俯仰角度可单独测量与控制。随动机构运动稳定性好、定位精度高、制动稳固。磁场发生装置采用三轴正交组合线圈，结构紧凑，磁场均匀区域大。

总体上，本发明的电机采用多层嵌套紧凑结构，外部万向节和三轴正交组合线圈均采用空心结构，可显著增加内部可嵌套容纳永磁体体积，能量输出密度大。电机输出端连接的末端执行器侧摆、俯仰角度可控，但自转角度始终不发生偏转，可方便的调整末端执行器的法方向，完成定位。

附图说明

图1是现有的机器人手腕结构示意图。

图2是现有的机器人手腕转子随动部分示意图。

图3是本发明球型电机结构示意图。

图4是本发明球型电机转子随动部分示意图。

图5(A)是本发明球型电机俯仰传动机构截面示意图。

图5(B)是本发明球型电机传动机构截面示意图Ⅰ处局部放大图

图5(C)是本发明球型电机俯仰传动机构截面示意图Ⅱ处局部放大图。

图5(D)是本发明球型电机侧摆传动机构截面示意图。

图5(E)是本发明球型电机侧摆传动机构截面示意图Ⅲ处局部放大图。

图5(F)是本发明球型电机侧摆传动机构截面示意图Ⅳ处局部放大图。

图5(G)是本发明球型电机侧摆传动机构截面示意图Ⅴ处局部放大图。

图6是本发明球型电机三轴正交组合线圈拆解与整体组合示意图。

图7(A)是阻尼器连接架示意图。

图7(B)是编码器连接架示意图。

图中：A三轴亥姆霍兹线圈组；D内部十字万向节；a三轴正交组合线圈；b随动部分；c外部十字万向节；d电磁制动装置；e固定端；f支撑架。

1输出端；2输出轴；3径向磁化永磁体；4永磁体外壳；5法兰轴承a；6法兰轴a；7联轴器a；8编码器a；9编码器支架；10摩擦片a；11摩擦片b；12底座；13支座；14直线导轨；15电磁铁；16编码器c；17阻尼器支架；18阻尼器a；19联轴器b；20法兰轴承b；21法兰轴b；22外部万向节外环a；23圆形支座c；24永磁体端盖；25圆形支座a；26联轴器c；27阻尼器b；28旋转轴a；29深沟球轴承a；30圆形支座b；31联轴器d；32编码器b；33旋转轴b；34外部万向节内环；35深沟球轴承b；36外部万向节外环b；37轴套；38转差角支架；39外鞍形线圈组；40内鞍形线圈组；41亥姆霍兹线圈组；42弹簧；43薄壁轴承。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

如图3所示，本发明的两自由度球型电机，包括三轴正交组合线圈a和随动部分b。三轴正交组合线圈a提供空间万向旋转磁场，随动部分b提供旋转磁场同轴随动磁矩驱动下侧摆和俯仰两个自由度转动；工作原理采用空间万向旋转磁场同轴随动磁矩效应。

结合图4、5(A)～5(G)说明本发明的新型电磁驱动两自由度球型电机随动部分b的构成。

随动部分b包括外部十字万向节c(内安装有径向磁化永磁体3、阻尼器a18和阻尼器b27作为阻尼机构、编码器a8和编码器b32作为测量机构等)、电磁制动装置d、固定端e。外部万向节内环34两轴的转动中心相同，即电机转动中心，所以构成球型电机，实现了两个自由度转动的解耦，可以实施侧摆角度和俯仰角度的单独测量与控制；外部万向节内环34位于亥姆霍兹线圈之间，使整机结构更为紧凑。

随动部分b轴线即为电机转动轴线，随动部分b轴线可实现侧摆、俯仰两自由度定点(电机转动中心)旋转运动，径向磁化永磁体3安装在随动部分b内并可以随旋转磁场自由旋转，以外旋转磁场同轴随动磁矩为动力媒介驱动并实现电机侧摆与俯仰转向运动。

外部十字万向节c输出端1可连接末端执行器，其姿态是由随动部分b轴线的侧摆与俯仰角度决定，由于末端执行器和外部十字万向节c的输出端1连接，末端执行器自转角度也不发生偏转，可方便的调整电机末端执行器的法方向，完成电机定位。

见图5(A)～5(C)，支撑架f和外部万向节内环34可实现相对转动，法兰轴a6和法兰轴b21的装配过程是：法兰轴a6通过螺栓和外部万向节内环34固连，并通过法兰轴承a5与其中一个支撑架f连接，轴端和联轴器a7固连；法兰轴b21通过螺栓和外部万向节内环34固连，并通过法兰轴承b20与另一个支撑架f连接，轴端和联轴器b19固连。

见图5(D)、(E)、(G)，永磁体外壳4和外部万向节内环34可实现相对转动，旋转轴a28和旋转轴b33的装配过程是：旋转轴a28先通过深沟球轴承a29与外部万向节内环34连接，其内侧轴端与圆形支座a25配合并用内六角螺钉进行周向定位，旋转轴a28外侧先与外部万向节外环a22配合，轴端再与联轴器c26配合连接，联轴器c26另一端与阻尼器b27的轴连接，阻尼器b27通过阻尼器连接架(见图7(A))固定在万向节内环34上。旋转轴b33先通过深沟球轴承b33与万向节内环34连接，内侧轴端与圆形支座b30配合并用内六角螺钉进行周向定位，其外侧先与外部万向节外环b36配合，再与联轴器d31一端连接。

见图5(F)，编码器c16与径向磁化永磁体3同步转动，其装配过程是：编码器c16的底部与摩擦片a10中的孔配合，再与转差角支架38连接，转差角支架38则固定在摩擦片a10上；编码器c16的轴与轴套35的孔配合并用螺钉进行周向定位，最后轴套37与径向磁化永磁体3连接。

见图6，三轴正交组合线圈a包括外鞍形线圈组39、内鞍形线圈组40和亥姆霍兹线圈组41，对称布置；三组线圈组的磁场方向相互垂直，且三组线圈相互固定，且外鞍形线圈组39和内鞍形线圈组40固定在底座12上。

随动部分b通过外部十字万向节c和电磁制动装置d构成的特征是：外部万向节内环34的转动中心即电机转动中心，因此构成球型电机，实现了两个自由度转动的解耦，进而，可以实施侧摆角度和俯仰角度的单独测量与控制，外部万向节内环34和永磁体外壳4的同轴连接过程是：圆形支座a25和圆形支座b30分别和永磁体外壳4固结，圆形支座a25和圆形支座b30分别和旋转轴a28、旋转轴b33连接。径向磁化永磁体3通过薄壁轴承43安装于永磁体外壳4内，径向磁化永磁体3可实现相对随动部分b的同轴自转。

电机输出端姿态的检测与控制方法如下：

随动部分b只存在一个固定点(电机转动中心)，还需要对随动部分b转轴方位进行控制。具体通过对外部万向节内环34相对运动的检测与控制实现电机轴线方位的控制。外部万向节内环34由支撑架f，旋转轴a28和旋转轴b33相对运动实现电机轴线的万向转动。由于外部万向节内环34为圆周均匀分布四个孔(十字轴孔)的整体环形结构，因此，可以连接如下：

在支撑架f上安装编码器支架9，编码器a8安装于编码器支架9上，并通过联轴器a7与法兰轴a6连接，这样编码器a8可测量外部万向节内环34和支撑架f之间的相对转角，即为电机俯仰角度。在外部万向节内环34另一个轴线方向安装编码器连接架(见图7(B))，将编码器b32安装在编码器连接架(见图7(B))上，并通过联轴器d31和旋转轴b33连接，则编码器b32可测量万向节内环34和旋转轴b33之间的相对角度，即为电机输出端侧摆角度。安装外部万向节内环34旋转轴处的绝对编码器b32和安装在支撑架f旋转轴处的绝对编码器a8，可实现对侧摆与俯仰转角的实时测量，并传输给控制系统，以实现对侧摆与俯仰角度的准确控制。

电磁制动装置d实现对电机俯仰与侧摆两个自由度的锁定，当电机静止时，电磁制动装置d实现对外部十字万向节c的锁定，以固定随动部分b方位，防止随意摆动发生意外事故；当电机旋转时，电磁制动装置d解除对外部十字万向节c的锁定，以实现随动部分b与万向旋转磁场的随动，即实现侧摆与俯仰转动的驱动。

阻尼器a18和阻尼器b27分别安装于支撑架f外端和外部万向节内环34旋转轴关节处(侧摆转轴)，为电机的俯仰、侧摆转动提供阻尼，以便减缓侧摆与俯仰姿态调整过程中电机输出端的振动，维持工作过程的稳定。

结合图3、4说明新型电磁驱动两自由度球型电机的工作过程。

作业前姿态零点标定过程是：通过三轴正交组合线圈a产生旋转轴线垂直的空间万向旋转磁场，在同轴随动磁矩驱动下，随动部分b的外部万向节内环34的两条轴线均处于水平位置，此时，俯仰转角的编码器a8和侧摆转角的编码器b26相对转角为零，然后分别给编码器a8和编码器b26上电，存储并记忆两自由度电机的零点位置；当两自由度电机定位时，驱动侧摆与俯仰使两自由度电机处于主动工作模式，利用外部同轴随动磁矩控制系统与编码器a8和编码器b26构成转角位置闭环控制，通过实时感知与记忆两自由度电机的侧摆、俯仰位置，提高控制精度。

工作过程是：

第一步，通电前，电磁制动装置d一直锁定随动部分b，无法进行侧摆、俯仰运动。

第二步，根据目标空间方位，确定应该施加空间万向旋转磁场的旋转轴线方向，向三轴正交组合线圈a通入三组等频交流电，产生相应方位的空间旋转磁场。

第三步，径向磁化永磁体3在旋转磁场的作用开始进行自转并产生同轴随动磁矩，但由于电磁制动装置d对随动部分b的锁定，随动部分b无法进行侧摆、俯仰运动。

第四步，电磁制动装置d通电解除对随动部分b的锁定，径向磁化永磁体3在旋转磁场的同轴随动磁矩作用下，随动部分b轴线追随旋转磁场轴线进行侧摆、俯仰运动，俯仰转角通过编码器a8测量，侧摆偏转角度通过编码器b26测量，运动过程由阻尼器a18与阻尼器b27提供阻尼，减小可能发生的振动。

第五步，通过编码器a8与编码器b26实时反馈俯仰、侧摆角度信息；根据反馈的角度信息，对同轴随动磁矩进行反馈控制，直到满足精度为止，电机到达目标位置，实现两自由度运动的控制。

第六步，三轴正交组合线圈a断电，电磁制动装置d断电，再次对随动部分b锁定，以固定电机方位。

Claims (2)

1.一种电磁驱动高集成球型电机，其特征在于，所述的电磁驱动高集成球型电机包括三轴正交组合线圈(a)和随动部分(b)；其中，三轴正交组合线圈(a)提供空间万向旋转磁场，随动部分(b)提供旋转磁场同轴随动磁矩驱动下侧摆和俯仰两个自由度转动；电磁驱动两自由度球型高集成电机的具体结构如下：

所述的随动部分(b)包括外部十字万向节(c)、电磁制动装置(d)、以及固定端(e)；固定端(e)包括底座(12)和与底座(12)两端通过螺钉相连接的两个竖直的支撑架(f)；支撑架(f)上设有水平的通孔，用于安装外部十字万向节(c)；

所述的外部十字万向节(c)包括外部万向节内环(34)、外部万向节外环a(22)和外部万向节外环b(36)和径向磁化永磁体(3)，其中，外部万向节内环(34)作为十字轴支架，外部万向节内环(34)上对称设有四个水平的同轴通孔，外部万向节外环a(22)和外部万向节外环b(36)作为从动叉；法兰轴a(6)和法兰轴b(21)通过法兰轴承a(5)和法兰轴承b(20)分别安装在两个支撑架(f)上的通孔中；法兰轴a(6)和法兰轴b(21)的内侧穿过外部万向节内环(34)的一对同轴通孔，并通过螺栓与外部万向节内环(34)连接，法兰轴a(6)的外侧通过联轴器a(7)与编码器a(8)的轴连接，编码器a(8)通过编码器支架(9)连接到其中一个支撑架(f)上；法兰轴b(21)的外侧通过联轴器b(19)与阻尼器a(18)的轴连接，阻尼器a(18)通过阻尼器支架(17)与另一个支撑架(f)连接；外部万向节内环(34)上的另外两个通孔用于安装深沟球轴承a(29)和深沟球轴承b(33)，深沟球轴承a(29)和深沟球轴承b(33)分别与旋转轴a(28)和旋转轴b(33)相配合；旋转轴a(28)外侧先与外部万向节外环a(22)配合，再与联轴器c(26)的一端配合连接，旋转轴a(28)内侧与圆形支座a(25)配合并用内六角螺钉进行周向定位；联轴器c(26)另一端与阻尼器b(27)的轴连接，阻尼器b(27)通过阻尼器连接架固定在外部万向节内环(34)上，起到在运动周提供阻尼的作用；圆形支座a(25)固定在永磁体外壳(4)上，与旋转轴a(28)共同传递来自径向磁化永磁体(3)的转矩；旋转轴b(33)外侧先与外部万向节外环b(36)配合，再与联轴器d(31)一端配合连接，旋转轴b(33)内侧与圆形支座b(30)配合并用内六角螺钉进行周向定位；联轴器d(29)的另一端与编码器b(30)的轴连接，编码器b(30)通过编码器连接架与外部万向节内环(34)连接；圆形支座b(30)通过螺钉与永磁体外壳(4)连接，与旋转轴b(33)共同传递转矩；外部十字万向节(c)的输出端(1)与外部万向节外环a(22)、外部万向节外环b(36)通过螺栓连接，再与输出轴(2)配合，其中，外部万向节外环a(22)、外部万向节外环b(36)对输出端(1)起到支撑作用，输出轴(2)对输出端(1)起导向作用；输出轴(2)一端与输出端(1)配合，另一端与圆形支座c(23)配合，圆形支座c(23)通过螺钉与永磁体外壳端盖(24)连接；永磁体外壳端盖(24)与永磁体外壳(4)配合，并用螺钉连接；永磁体外壳(4)为中空结构，顶端与永磁体外壳端盖(24)连接，底端则与摩擦片a(10)连接；编码器c(16)安装于摩擦片a(10)内部的孔中，用于测量径向磁化永磁体(3)的旋转角度，编码器c(16)的轴通过轴套(37)与径向磁化永磁体(3)连接；径向磁化永磁体(3)位于永磁体外壳(4)内，可以自由转动；

所述的三轴正交组合线圈(a)，包括外鞍形线圈组(39)、内鞍形线圈组(40)和亥姆霍兹线圈组(41)，内鞍形线圈组(40)置于外鞍形线圈组(39)内部，亥姆霍兹线圈组(41)对称布置在外鞍形线圈组(39)的外表面，三者同轴，外鞍形线圈组(39)和内鞍形线圈组(40)的底部固定在底座(12)上；鞍形线圈组(39)产生均匀磁场的方向与其对称面垂直并沿着y轴，鞍形线圈组(40)产生均匀磁场的方向与其对称面垂直并沿着x轴，亥姆霍兹线圈(41)产生均匀磁场的方向与其对称面垂直并沿着z轴，三组线圈产生均匀磁场的方向相互垂直；三轴正交组合线圈(a)的中心与外部十字万向节(c)的转动中心重合；径向磁化永磁体(3)位于三轴正交组合线圈(a)的内部空间内，外部十字万向节(c)位于三轴正交组合线圈(a)外部；所述的外部十字万向节(c)、三轴正交组合线圈(a)、径向磁化永磁体(3)在空间上形成三层嵌套结构；

所述的电磁制动装置(d)由摩擦片a(10)、摩擦片b(11)、电磁铁(15)和直线导轨(14)构成；直线导轨(14)和电磁铁(15)均固定在底座(12)上；摩擦片b(11)的中心为竖直向下的圆柱结构，摩擦片b(11)的圆柱端与直线导轨(14)的内孔同轴安装并可沿着轴向相对移动，摩擦片b(11)两侧的水平端上对称设有安装孔，电磁铁(15)上设有对应的通孔，螺栓依次通过摩擦片b(11)上的安装孔和电磁铁(15)上的通孔后，底端固定在底座(12)上，螺栓上套有弹簧(42)，弹簧(42)位于摩擦片b(11)的下表面和电磁铁(15)的上表面之间；电磁制动装置(d)断电时，摩擦片b(11)下的弹簧(42)的弹力推动摩擦片a(10)和摩擦片b(11)接触，产生摩擦力，实现对随动部分(b)两个方向的制动；当电磁制动装置(d)通电时，电磁铁(15)产生电磁吸力将摩擦片b(11)吸回，和永磁体外壳(4)连接的摩擦片a(10)继续运动，与摩擦片a(10)脱离接触并解除对随动部分(b)的制动；

底座(12)固定在支座(13)上，支座(13)只起支撑作用，底座(12)还可与其他部件进行对接。

2.权利要求1所述的一种电磁驱动高集成球型电机的控制方法，其特征在于，具体控制过程如下：

(1)作业前姿态零点标定过程是：通过三轴正交组合线圈(a)产生旋转轴线垂直的空间万向旋转磁场，在同轴随动磁矩驱动下，随动部分(b)的外部万向节内环(34)的两条轴线均处于水平位置，此时，俯仰转角的编码器a(8)和侧摆转角的编码器b(26)相对转角为零，然后分别给编码器a(8)和编码器b(26)上电，边存储并记忆两自由度电机的零点位置；当两自由度电机定位时，驱动侧摆与俯仰使两自由度电机处于工作模式，根据外部同轴随动磁矩控制系统与编码器a(8)和编码器b(26)构成转角位置闭环控制，通过实时感知与记忆两自由度电机的侧摆、俯仰位置；

(2)工作过程是：

第一步，通电前，电磁制动装置(d)一直锁定随动部分(b)，无法进行侧摆、俯仰运动；

第二步，根据目标空间方位，确定应该施加空间万向旋转磁场的旋转轴线方向，向三轴正交组合线圈(a)通入三组等频交流电，产生相应方位的空间旋转磁场；

第三步，径向磁化永磁体(3)在旋转磁场的作用开始进行自转，产生同轴随动磁矩，但由于电磁制动装置(d)对随动部分(b)的锁定，随动部分(b)无法进行侧摆、俯仰运动；

第四步，电磁制动装置(d)通电解除对随动部分(b)的锁定，径向磁化永磁体(3)在旋转磁场的同轴随动磁矩作用下，随动部分(b)轴线追随旋转磁场轴线进行侧摆、俯仰运动，俯仰转角通过编码器a(8)测量，侧摆偏转角度通过编码器b(26)测量，运动过程由阻尼器a(18)与阻尼器b(27)提供阻尼，减小可能发生的振动；

第五步，通过编码器a(8)与编码器b(26)实时反馈俯仰、侧摆角度信息；根据反馈的角度信息，对同轴随动磁矩进行反馈控制，直到满足精度为止，电机到达目标位置，实现两自由度运动的控制；

第六步，三轴正交组合线圈(a)断电，电磁制动装置(d)断电，再次对随动部分(b)锁定，以固定电机方位。

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