CN203014619U - 仿生眼球用两自由度混合式步进电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种仿生眼球用两自由度混合式步进电机，包括内转子、内定子、外转子、外定子、底座，底座上设有支撑轴，内定子与支撑轴固定连接，内转子通过纵向端盖与外转子固定在一起，外定子中心设有输出轴，所述的电机内定子和外定子上分别放置两相的内定子绕组、外定子绕组；外定子安装在内转子上，连杆与横向轴承内孔配合，横向轴承外圈与不导磁横向端盖配合；所述外定子包括两段铁心；所述外转子包括弧形永磁体及其两侧的两段铁心；所述内转子包括环形永磁体，环形永磁体两侧分别设有一段铁心；所述内转子内部齿端部、外转子外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，两个圆柱面分别与内定子、外定子齿表面形成同心圆柱。

Description

仿生眼球用两自由度混合式步进电机

技术领域

本实用新型涉及一种两自由度混合式步进电机，尤其涉及一种适合于驱动仿生眼球在一定范围内运动的仿生眼球用两自由度混合式步进电机。

背景技术

多自由度电动机具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，提高系统的精度和动态性能，在机器人等具有多个运动自由度的系统中具有广泛的应用前景。80年代以来，随着机器人和空间技术的迅猛发展，多自由度电动机及其应用方面的研究日益受到重视，研究工作十分活跃，各种样机层出不穷。从现有资料看，国内外学者所研制的多自由度电动机大都采用球形结构，从结构原理上看球形结构较为合理，但存在着如结构复杂加工困难等缺点。

鉴于球形结构多自由度电动机结构复杂和加工困难，哈尔滨工业大学提出了一种非球形的正交圆柱结构双气隙共磁钢的两自由度电动机。图1是传统的正交圆柱结构两自由度电动机的结构分解图，图2和图3分别是该样机的两个自由度的结构原理示意图。该电动机由内定子Ⅰ28、内转子25、外转子Ⅰ24、支撑轴Ⅰ26、底座Ⅰ27、输出轴Ⅰ23、机壳33、一对永磁体Ⅰ31、一对横向轴承Ⅰ22、一个纵向轴承Ⅰ29组成。外转子24由硅钢片叠压而成，内侧圆周上均匀布置一些齿和槽，槽内设置外转子绕组30、内转子绕组32，输出轴23设置在外转子上方。内定子28由两段铁心组成，两段铁心上的小齿互错1/2齿距。内转子25由永磁体及其两侧的两段铁心组成，永磁体31纵向轴向充磁，两段铁心内侧齿上设置两相励磁绕组。内转子外部齿端部及内部齿端部分别加工成以横轴和纵轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，分别与外转子和内定子齿表面形成同心圆柱。内转子与机壳固定在一起，外转子通过横向轴承与机壳安装在一起，从而外转子可相对于机壳转动。支撑轴通过纵向轴承与机壳安装在一起，从而机壳可以相对于支撑轴转动。

传统的正交圆柱结构两自由度电动机的工作原理：当外转子的两相绕组按A-B-（-A）-（-B）的顺序通电时，磁通Φ1经永磁体→一段内转子铁心→气隙→外转子铁心→气隙→另一段内转子铁心→永磁体形成闭合回路，电机工作于永磁式步进电动机状态，外转子相对于内转子绕横轴转动，使输出轴实现俯仰运动；当内转子的两相绕组按A-B-（-A）-（-B）的顺序通电时，磁通Φ2经永磁体→一段内转子铁心→气隙→两段内定子铁心→气隙→另一段内转子铁心→永磁体形成闭合回路，电机工作于混合式步进电动机状态，内转子连同外转子相对于内定子绕纵轴转动，使输出轴随之自转（当输出轴处于竖直位置时）或侧摆（当输出轴处于偏转状态时）。磁通Φ1和Φ2都经过永磁体，两段气隙公用了一个永磁体，即双气隙共永磁体，因而该电动机利用一个永磁体、两组绕组实现了两个自由度的运动，电动机体积较小，具有较高的性能体积比。

尽管与球形结构电动机相比，传统的正交圆柱结构两自由度电动机在结构上更加简化，更容易加工制造，体积更小，但是其在实际运行时存在以下问题：

1.由于外转子工作于永磁式步进电动机状态，其步距角即为一个极距角，而实际中极距不能太小，否则绕组将无法放置，因而步距角较大，电动机定位精度较低，运动平滑性较差；实际运行中内转子连同外转子相对于内定子绕纵轴是不能单一方向持续转动的，否则将导致内转子和外转子的两相绕组无法放置。

2.同时，驱动仿生眼球时要求所用两自由度电动机的体积更小、质量更轻、定位精度更高、运行平滑性更好，而且能使眼球（输出轴末端）在给定范围内一定精度下沿任何轨迹运动（包括眼球连续地转动），而传统的正交圆柱结构两自由度电动机是不适合于驱动仿生眼球运动的。

发明内容

本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种仿生眼球用两自由度混合式步进电机；可以实现驱动仿生眼球在一定范围内一定精度下沿任何轨迹运动、包括眼球持续地转动，而且能够比传统的正交圆柱结构两自由度电动机体积更小、质量更轻、定位精度更高、运行平滑性更好。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种仿生眼球用两自由度混合式步进电机，包括内转子、内定子、外转子、外定子、底座，底座上设有支撑轴，内定子与支撑轴固定连接，支撑轴上下两端设有纵向轴承，纵向轴承与不导磁纵向端盖配合，内转子通过不导磁纵向端盖与外转子固定在一起，外定子中心设有输出轴，输出轴所在轴线与纵轴正交，所述的电机内定子和外定子上分别放置两相的内定子绕组、外定子绕组；输出轴上设有微型摄像机，摄像机轴线与输出轴轴线重合；外定子与不导磁连杆的一端连接，连杆的另一端与横向轴承的内孔配合，横向轴承的外圈与不导磁横向端盖配合，不导磁横向端盖与内转子连接，使得外定子与连杆构成的整体能够绕横轴转动；所述外定子包括两段铁心，沿铁心内侧圆周分布两对极，每个极上设有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组；所述外转子包括弧形永磁体及其两侧的两段铁心，铁心外侧均匀布置若干小齿，两段铁心上的小齿互错1/2齿距；所述内转子包括环形永磁体，环形永磁体两侧分别设有一段铁心，铁心沿圆周分布四对极，极间槽内设置两相励磁绕组，铁心内部均匀布置若干小齿，两侧铁心上的小齿互错1/2齿距；所述内转子内部齿端部、外转子外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，两个圆柱面分别与内定子、外定子齿表面形成同心圆柱。

外定子的两个圆弧端面分别与不导磁连杆的第二端面通过焊接连接；不导磁横向端盖两端的内圆弧面与内转子的外圆柱面通过焊接连接，使得外定子与连杆构成的整体能够绕横轴转动。所述输出轴上设有微型摄像机，摄像机轴线与输出轴轴线重合。

本实用新型工作原理：当内定子的两相绕组按A—B—（-A）—（-B）的顺序通电时，Φ1经环形永磁体→一段内转子铁心→气隙→两段内定子铁心→气隙→另一段内转子铁心→环形永磁体形成闭合回路，电机工作于两相混合式步进电动机状态，内转子连同外转子相对于内定子绕支撑轴转动，使输出轴实现水平摆动。当外定子的两相绕组按A—B—（-A）—（-B）的顺序通电时，Φ2经弧形永磁体→一段外转子铁心→气隙→两段外定子铁心→气隙→另一段外转子铁心→弧形永磁体形成闭合回路，电机同样是工作于两相混合式步进电动机状态，外定子相对于外转子绕横轴转动，使输出轴实现俯仰运动。

做个合适的比喻，电机两个自由度各自的运动使输出轴末端运行的轨迹分别类似地球仪上的经线和纬线。在实际当中，电机的两个自由度运动都是在一定极限转动角度范围之内的，即可认为电机输出轴能够在最大经度经线和最大维度纬线所围成的一段球面范围内以一定精度沿任意轨迹运动（包括持续转动，前提是不超出这一限定的球面范围）。因此，只要实际要求的仿生眼球的运动范围在上述最大经度线和最大纬度线所围成的一段球面范围之内，则本实用新型可驱动眼球（输出轴末端）在要求范围内以一定精度沿任意轨迹运动（包括持续转动）。

本实用新型的有益效果是：

1.电机两个自由度磁路上相互独立，实际是两个独立的电机通过机械机构组合在一起，因而可以按照对一个两相混合式步进电机进行分析的方法来对这两个自由度的电机分别独立进行分析，使分析方便；两个自由度的电机都工作于两相混合式步进电机状态，步距角是齿距角的1/4，并且实际当中内转子和外转子的齿距角是可以做得足够小的（而传统的正交圆柱结构两自由度电动机有一个自由度工作于永磁式步进电机状态，步距角为一个极距角，但是实际当中极距不能太小，否则将无法放置绕组），因而可提高电机定位精度以及改善运行平滑性；可以驱动仿生眼球在要求范围内以一定精度沿任意轨迹运动（包括持续转动）；体积小、重量轻、结构简单，更易于实现电机的微型化。

2.本实用新型的一个突出的优点定位精度高，运行平滑性好（相比于传统的正交圆柱结构两自由度电动机而言）。这是因为本实用新型两个自由度的电机都工作于两相混合式步进电机状态，则步距角为齿距角的1/4（对于两相混合式步进电机而言，步距角为齿距角的1/4，此乃本领域的公知常识，在此不再赘述），并且实际当中内转子和外转子的齿距角可以做得足够小；而传统的正交圆柱结构两自由度电动机中一个自由度电机工作于混合式步进电机状态，另一个自由度电机却是工作于永磁式步进电机状态，步距角即为一个极距角（对于两相永磁式步进电机而言，步距角为一个极距角，此乃本领域的公知常识，在此不再赘述），而实际当中极距不能太小，否则将无法放置绕组。

附图说明

图1为传统的正交圆柱结构两自由度电动机的结构分解图；

图2为传统的正交圆柱结构两自由度电动机第一个自由度的结构原理示意图；

图3为传统的正交圆柱结构两自由度电动机第二个自由度的结构原理示意图；

图4是本实用新型的整体结构图；

图5是本实用新型的结构分解图；

图6是本实用新型第一个自由度的结构原理示意图；

图7是本实用新型第二个自由度的结构原理示意图；

图8是在初始位置时仿生眼球的正视图；

图9是在初始位置时仿生眼球的侧视图；

图10是仰视角为40°时仿生眼球的侧视图；

图11是仿生眼球实际运行范围的经纬线法标记示意图；

图12是仰视角为40°时仿生眼球达到实际仰视运动极限的位置示意图；

图13是用本实用新型驱动仿生眼球（只取了一半）在初始位置时的原理示意图；

图14是用本实用新型驱动仿生眼球（只取了一半）在仰视角为40°时的原理示意图；

图15是用传统的正交圆柱结构两自由度电动机驱动仿生眼球时，眼球在给定范围内的运动精度示意图；

图16是用本实用新型驱动仿生眼球时，眼球在给定范围内的运动精度示意图。

图中，1、纵向轴承，2、不导磁纵向端盖，3、内转子，4、环形永磁体，5、不导磁横向端盖，6、横向轴承，7、不导磁连杆，8、内定子，9、外转子，10、弧形永磁体，11、外定子，12、输出轴，13、支撑轴，14、底座,15、内定子绕组，16、外定子绕组，22、横向轴承Ⅰ，23、输出轴Ⅰ，24、外转子Ⅰ，25、内转子，26、支撑轴Ⅰ，27、底座Ⅰ，28、内定子Ⅰ，29、纵向轴承Ⅰ，30、外转子绕组Ⅰ，31、永磁体Ⅰ，32、内转子绕组，33、机壳，41、眼皮，42、眼壳，43、眼球，44、摄像机，45、开孔区域，46、实际给定仿生眼球运行区域，47、东经40°经线，48、北纬40°纬线，49、西经40°经线，50、南纬40°纬线，51、仿生眼球用两自由度混合式步进电机，55、内圆弧面，71、第二端面，111、圆弧端面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

仿生眼球用两自由度混合式步进电机，包括内转子3、内定子8、外转子9、外定子11、底座14，底座14上设有支撑轴13，内定子8与支撑轴13固定连接，支撑轴13上下两端设有纵向轴承1，纵向轴承1与不导磁纵向端盖2配合，内转子3通过纵向端盖2与外转子9固定在一起，外定子11中心设有输出轴12，输出轴12所在轴线与纵轴正交，所述的电机内定子8和外定子11上分别放置两相的内定子绕组15、外定子绕组16；输出轴12上设有微型摄像机，摄像机轴线与输出轴轴线重合；外定子11与不导磁连杆7的一端连接，连杆7的另一端与横向轴承6的内孔配合，横向轴承6的外圈与不导磁横向端盖5配合，不导磁横向端盖5与内转子3连接，使得外定子11与连杆7构成的整体能够绕横轴转动；所述外定子11包括两段铁心，沿铁心内侧圆周分布两对极，每个极上设有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组；所述外转子9包括弧形永磁体10及其两侧的两段铁心组成，铁心外侧均匀布置若干小齿，两段铁心上的小齿互错1/2齿距；所述内转子3包括环形永磁体4，环形永磁体4两侧分别设有一段铁心，铁心沿圆周分布四对极，极间槽内设置两相励磁绕组，铁心内部均匀布置若干小齿，两侧铁心上的小齿互错1/2齿距；所述内转子3内部齿端部、外转子9外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，两个圆柱面分别与内定子8、外定子11齿表面形成同心圆柱。当内定子的两相绕组按A-B-（-A）-（-B）的顺序通电时，Φ1经环形永磁体4→一段内转子3铁心→气隙→两段内定子8铁心→气隙→另一段内转子3铁心→环形永磁体4形成闭合回路，电机工作于两相混合式步进电动机状态，内转子3连同外转子9相对于内定子8绕支撑轴13转动，使输出轴12实现水平摆动。当外定子11的两相绕组按A-B-（-A）-（-B）的顺序通电时，Φ2经弧形永磁体10→一段外转子9铁心→气隙→两段外定子11铁心→气隙→另一段外转子9铁心→弧形永磁体10形成闭合回路，电机同样是工作于两相混合式步进电动机状态，外定子11相对于外转子9绕横轴转动，使输出轴12实现俯仰运动。

外定子11的两个圆弧端面111分别与不导磁连杆7的第二端面71通过焊接连接；不导磁横向端盖5两端的内圆弧面55与内转子3的外圆柱面通过焊接连接，使得外定子11与连杆7构成的整体能够绕横轴转动。

所述输出轴12上设有微型摄像机44，摄像机44轴线与输出轴12轴线重合。由图13可知，在实际用本实用新型驱动仿生眼球时，仿生眼球用两自由度混合式步进电机51大部分都放置于仿生眼球内部，本实用新型的输出轴上装有微型摄像机，且需将本实用新型的支撑轴做成如图所示的结构，并且只能从开孔区域45以内引出到仿生眼球外部以进行固定。

由图14所示，仿生眼球中的眼壳42、眼球43、摄像机44为转动部分，眼壳42、眼球43、摄像机44三者固定在一起，随本实用新型的输出轴12一起同步运动；仿生眼球中的眼皮41是固定不动的，与支撑轴13相对静止。由图10所示，当仿生眼球仰视角为40°（仅就本例而言）时，眼球的边缘恰好到达顶层眼皮处，而眼壳则运动到图示位置。一旦仿生眼球仰视角大于40°，则眼球的一部分就被眼皮遮住了，这是不允许的。根据球体的对称性可知，当眼球的边缘紧靠着眼皮边缘运动一周（即眼球运动的极限范围）时，眼壳的边缘运动一周的轨迹形成一个开孔区域45，如图10所示。由于此开孔区域是仿生眼球在限定的极限范围内运动时，眼壳所不能到达的区域，因此就可以将支撑轴和绕组的引线从该开孔区域穿出来。

就本例本实用新型而言，仿生眼球的中心点即摄像机镜头的中心处的给定极限运行范围如图11中的实际给定仿生眼球运行区域46所示。据此范围，本例设计了如图11所示的眼皮范围和眼球大小，使得当眼球43的中心点到达给定极限运行范围46时，眼球43的边缘恰好到达眼皮41边缘。由图12所示，当仿生眼球仰视角为40°时，眼球43的中心点恰好达到给定极限运行范围46的顶点，同时眼球43的边缘恰好达到眼皮41边缘的顶点。

用经纬线法来说明，实际给定仿生眼球运行区域46恰好包含在南纬40°纬线50，北纬40°纬线48，东经40°经线47和西经40°经线49所围成的球面区域范围之内，且是这一区域的内切球面，如图11所示。因此，只要将本实用新型中两个自由度步进电机的转动角度都设计为≧40°，就可以满足仿生眼球以一定精度在实际给定仿生眼球运行区域46之内运行的要求。

为了对本实用新型定位精度高，运行平滑性好的优点作进一步说明，将用本实用新型驱动仿生眼球时的定位精度与用传统的正交圆柱结构两自由度电动机驱动仿生眼球时的定位精度进行了比较（在此特别说明，实际中是不能用传统的正交圆柱结构两自由度电动机来驱动仿生眼的，正如前面讨论过的，原因是实际中存在绕组无法放置的问题，而本实用新型则不存在这一问题，因而这里的比较仅是从理论上进行比较），如图15，图16所示。具体如下：假设本实用新型的内转子齿数与传统的正交圆柱结构两自由度电动机的内定子齿数相同，则两者第一自由度的齿距角相等，同时由于两者均不需放置绕组，则齿距角可以做得足够小，这里假设齿距角为7.2°；同时假设本实用新型的外转子齿数与内转子齿数相等，则本实用新型的第二自由度的齿距角也是7.2°；由于传统的正交圆柱结构两自由度电动机外转子齿上需放置绕组，极距不能太小，在此假设其外转子的齿距角（极距角）为12°。由于本实用新型和传统的正交圆柱结构两自由度电动机第一自由度的电机均工作于两相混合式步进电机状态，则步距角为齿距角的1/4，即1.8°。本实用新型的第二自由度电机同样是工作于两相混合式步进电机状态，则步距角为齿距角的1/4，即1.8°；而传统的正交圆柱结构两自由度电动机的第二自由度电机却是工作于两相永磁式步进电机状态，则步距角与极距角相等，即12°。

由图15可见，对于用传统的正交圆柱结构两自由度电动机驱动仿生眼球运动的情况（仅在理论上）而言，在上述假设条件下，仿生眼球中心点所能达到的位置就是图15中所示的实际给定仿生眼球运行区域46（包括46边界）以内的圆周与线段的交点在球面上的对应位置。可见，仿生眼球的定位精度在给定的运行区域之内是不断变化的，越靠近给定运行区域中心处，定位精度越高；反之，越是远离给定运行区域的中心处，定位精度越低。同时，由于其第二自由度的步距角较大，加重了仿生眼球的定位精度分布的不均匀性。因而，用传统的正交圆柱结构两自由度电动机驱动仿生眼球在整个给定运行区域内运动时，平滑性较差。

由图16可见，对于用本实用新型驱动仿生眼球运动的情况而言，在上述假设条件下，仿生眼球中心点所能达到的位置就是图16中所示实际给定仿生眼球运行区域46（包括46边界）以内的经线与纬线的交点在球面上的对应位置。可见，仿生眼球的定位精度在给定的运行区域之内是均匀不变的，而且本实用新型的两个自由度电机的步距角都很小。因而，用本实用新型驱动仿生眼球在整个给定运行区域内运动时，平滑性较好。

上述虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种仿生眼球用两自由度混合式步进电机，包括内转子、内定子、外转子、外定子、底座，底座上设有支撑轴，内定子与支撑轴固定连接，支撑轴上端设有纵向轴承，纵向轴承与不导磁纵向端盖配合，内转子通过纵向端盖与外转子固定在一起，外定子中心设有输出轴，输出轴所在轴线与纵轴正交，所述的电机内定子和外定子上分别放置两相的内定子绕组、外定子绕组；外定子与不导磁连杆的一端连接，连杆的另一端与横向轴承的内孔配合，横向轴承的外圈与不导磁横向端盖配合，不导磁横向端盖与内转子连接；所述外定子包括两段铁心，沿铁心内侧圆周分布两对极，每个极上设有若干小齿，极间槽内设置两相励磁绕组；所述外转子包括弧形永磁体及其两侧的两段铁心，铁心外侧均匀布置若干小齿，两段铁心上的小齿互错1/2齿距；所述内转子包括环形永磁体，环形永磁体两侧分别设有一段铁心，铁心沿圆周分布四对极，极间槽内设置两相励磁绕组，铁心内部均匀布置若干小齿，两侧铁心上的小齿互错1/2齿距；所述内转子内部齿端部、外转子外部齿端部分别加工成以纵轴、横轴为轴线的两个相互正交的圆柱面，两个圆柱面分别与内定子、外定子齿表面形成同心圆柱。

2.如权利要求1所述的仿生眼球用两自由度混合式步进电机，其特征是，所述外定子的两个圆弧端面分别与不导磁连杆的第二端面通过焊接连接；不导磁横向端盖两端的内圆弧面与内转子的外圆柱面通过焊接连接。

3.如权利要求1所述的仿生眼球用两自由度混合式步进电机，其特征是，所述输出轴上设有微型摄像机，摄像机轴线与输出轴轴线重合。

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