CN212278140U - 一种球铰式多自由度行波型超声波球电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种球铰式多自由度行波型超声波球电机。包括内置球铰模块和外置自锁模块；球形转子顶部开设凹槽，球形转子底部中心开设有轴向通孔，球铰杆球体结构嵌装在球形转子的半球槽中，球形转子的凹槽中固定安装上顶盖并包覆球铰杆，球铰杆下端向下穿过球形转子轴向通孔后固定连接于底座；球铰杆顶端开设有盲孔，上顶盖开设贯通孔；输出杆底面开设安装孔并装锁死电机，锁死电机和自锁螺杆上端轴向活动连接，自锁螺杆上端螺纹套装在内衬套孔中，自锁螺杆下端穿过上顶盖贯通孔后插装到球铰杆球体结构顶端。本实用新型设有内置球铰模块可固定电机转子球心，球电机结构巧妙、模型简单，具有轴向强度高、自锁力矩大及方便控制等优点。

Description

一种球铰式多自由度行波型超声波球电机

技术领域

本实用新型涉及了一种超声波电机，尤其涉及了一种高强度小位移球铰式多自由度行波型超声波球电机。

背景技术

超声波电机利用压电材料的逆压电效应，将弹性材料的微观变形通过共振转换为动子的宏观运动，具有低速大力矩、断电自锁、响应快、分辨率高、功率密度高、无电磁干扰、结构紧凑、可直接驱动和运动实现多样化等特点，可在小功率(小于100W)应用场合下替代部分电磁型电机，具有广阔的应用前景。随着工业界对多自由度运动需求的增长，传统电磁型电机的劣势逐步显现。电磁型电机实现多自由度运动，所需结构普遍较复杂，难于制造和实施控制。相比电磁型电机，这种电机具有结构紧凑易装配、机械集成度高、驱动便捷、分辨率高和运动实现多样化等优势，可用于机器人关节、精密装配和微小型机器人等机电装置。

超声波电机利用定子与转子之间的摩擦力产生力矩，一般利用弹簧给定子施加预紧力使定、转子充分接触。对于多自由度球形超声波电机而言，柔性弹簧的使用大大降低了电机的强度，现有如201811110396.X专利的电机采用柔性弹簧施加预紧力，电机轴向拉压力直接通过定、转子传递给弹簧，而柔性弹簧受力有限，使得电机受到的大轴向力致使弹簧失效甚至电机解体。经过有限元仿真分析，201811110396.X专利的电机轴向受力极限约为300N，这大大限制了超声波电子在大冲击、大扰动场合的使用。

目前，多自由度超声波球电机由于结构设计缺陷，大多强度较低，特别是轴向抗拉压能力较弱，现有技术中缺少实现超声波球电机的高强度特性，实现超声波球电机结构稳定性的结构。

实用新型内容

针对当前多自由度超声波电机存在的强度低、模型复杂等问题，本实用新型的目的在于提供一种高强度小位移的新结构多自由度行波型超声波电机，实现电机结构的高强度，提高电机轴向抗拉压能力，简化了电机驱动模型。

本实用新型可免受外力直接耦合干扰，提高电机球转子抗外力的强度，另由于球心的固定，其三个驱动定子的驱动模型亦会相对简单。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括球电机本体、内置球铰模块及外置自锁模块。球电机本体主要包括定子部件、转子部件及附属部件，球电机本体主要实现电机三个自由度转动。

具体地，包括球电机本体，所述球电机本体包括三个定子部件、转子部件和附属部件，所述附属部件包括底座，所述转子部件包括输出杆、连接螺钉和球形转子，所述定子部件包括超声波定子、螺旋板簧和固定支架；三个固定支架沿圆周间隔120°均布地固定于附属部件的底座上表面，安装在每个固定支架上均通过螺旋板簧安装有超声波定子；球形转子为上部切去球缺的球结构，输出杆通过连接螺钉固定于球形转子的球缺面上，球形转子由三个超声波定子接触夹持。

具体地，还包括内置球铰模块和外置自锁模块；所述的内置球铰模块包括上顶盖、球铰杆与球铰杆螺母；球形转子顶部中心开设有凹槽，球形转子底部中心开设有轴向通孔，凹槽和轴向通孔之间设有半球槽，球铰杆的上端为球体结构，下端为轴杆结构；球铰杆上端的球体结构下半部分嵌装在球形转子的半球槽中，球形转子的凹槽中固定安装上顶盖，上顶盖包覆在球铰杆球体结构的上半部分，球铰杆下端的轴杆结构向下穿过球形转子底部的轴向通孔后通过球铰杆螺母固定连接于底座中心；球铰杆球体结构的顶端中心开设有盲孔，上顶盖的中心开设贯通孔；所述的外置自锁模块包括锁死电机、传动销、自锁螺杆和内衬套；输出杆底面开设安装孔，锁死电机内置于输出杆安装孔的内侧，并固定在内衬套上端，内衬套固定套装在输出杆安装孔的外侧，锁死电机的输出轴经传动销和自锁螺杆上端可轴向活动但周向同步地连接，自锁螺杆上端套装在内衬套的轴向内孔中且螺纹配合，自锁螺杆下端用于穿过上顶盖的贯通孔后紧配地插装到球铰杆球体结构顶端的盲孔中。

所述的自锁螺杆分为上部和下部，上部的直径大于下部的直径，上部的外壁设有与内衬套轴向内孔耦合的外螺纹，内衬套轴向内孔设有与外螺纹配合的内螺纹；自锁螺杆下部为光轴，和球铰杆球体结构顶端的盲孔紧配套装。

所述的固定支架带有斜安装面，斜安装面沿朝向底座中心径向布畳且向外倾斜，超声波定子通迂螺旋板簧安装在固定支架的斜安装面。

所述的三个固定支架通过底座螺钉与底座固连。

通过控制球铰杆下端的轴杆结构与球形转子下部的轴向通孔的径向尺寸差值实现电机的输出位移上下限调整。

本实用新型在内置球铰模块固定电机转子球心，可实现球电机的高强度及简化电机模型，结构巧妙、模型简单，具有轴向强度高、自锁力矩大及方便控制等优点。

本实用新型具有的有益效果是：

1、本实用新型的电机具有通电转动与断电自锁两种状态。

2、本实用新型在球形转子内部内置球铰杆，电机在大拉压力状态下，受力主要由球铰承担，而非定子部件，从而大大提高了电机轴向强度。

3、本实用新型通过球铰杆将电机球形转子球心固定，简化了电机模型，具有控制简单的优点。

附图说明

图1是本实用新型的剖视图。

图2是本实用新型的俯视图。

图3是本实用新型的侧视图。

图中：a、超声波定子部件，b、转子部件，c、附属部件，1、输出杆，2、固连螺钉，3、球形转子，4、锁死电机，5、传动销，6、自锁螺杆，7、内衬套， 8、上顶盖，9、超声波定子，10、板簧，11、定子支架，12、球铰杆，13、电机底座，14、球铰螺母，15、底座螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1-图3所示，本实用新型具体实施包括球电机本体和内置球铰模块和外置自锁模块。

如图1和图2所示，球电机本体包括三个定子部件a、转子部件b和附属部件c，附属部件c包括底座13和底座螺钉15，转子部件b包括输出杆1、连接螺钉2和球形转子3，定子部件a包括超声波定子9、柔性螺旋板簧10和固定支架11；三个固定支架11沿圆周间隔120°均布地固定于附属部件c的底座13 上表面，三个固定支架11通过底座螺钉15与底座固连。

固定支架11带有斜安装面，斜安装面沿朝向底座13中心径向布畳且向外倾斜，超声波定子9通迂螺旋板簧4安装在固定支架11的斜安装面。安装在每个固定支架11的倾斜安装面上均通过螺旋板簧10安装有超声波定子9，螺旋板簧10为柔性螺旋板簧。螺旋板簧10可为超声波定子9与球形转子1的接触保证轴向预紧力外，也能产生轴向变形和偏转变形，能自适应地调整因超声波定子9轴线微偏移产生的影响，使超声波定子9能自适应地调整姿态以使内缘紧贴球形转子3的表面，和球形转子1做到自动对心。

球形转子3为上部切去球缺的球结构，输出杆1通过三个连接螺钉2固定于球形转子3的球缺面上，球形转子1由三个超声波定子9接触夹持。

如图1所示，内置球铰模块包括上顶盖8、球铰杆12与球铰杆螺母14；球形转子3顶部中心开设有凹槽，球形转子3底部中心开设有轴向通孔，凹槽和轴向通孔之间设有半球槽，凹槽和轴向通孔之间通过半球槽连通，球铰杆12的上端为球体结构，下端为轴杆结构，球体结构的外径大于轴杆结构的外径；球铰杆12上端的球体结构下半部分活动嵌装在球形转子3的半球槽中，球形转子 3的凹槽中固定安装上顶盖8，上顶盖8包覆在球铰杆12球体结构的上半部分，球铰杆12下端的轴杆结构向下活动穿过球形转子3底部的轴向通孔后通过球铰杆螺母14固定连接于底座13中心，进而通过球铰杆螺母14实现轴向固定；这样，球体结构的下半球面与球形转子3内部半球槽的球面配合，球体结构的上半球面与上端盖8底部的半球面槽配合；球铰杆12球体结构的顶端中心开设有盲孔，上顶盖8的中心开设贯通孔。

外置自锁模块包括锁死电机4、传动销5、自锁螺杆6和内衬套7；输出杆 1底面开设安装孔，锁死电机4内置于输出杆1安装孔的内侧，并固定在内衬套 7上端，内衬套7固定套装在输出杆1安装孔的外侧，锁死电机4的输出轴经传动销5和自锁螺杆6上端可轴向活动但周向同步地连接，自锁螺杆6上端套装在内衬套7的轴向内孔中且螺纹配合，自锁螺杆6下端用于穿过上顶盖8的贯通孔后紧配地插装到球铰杆12球体结构顶端的盲孔中，自锁螺杆6分为上部和下部，上部的直径大于下部的直径，上部的外壁设有与内衬套7轴向内孔耦合的外螺纹，内衬套7轴向内孔设有与外螺纹配合的内螺纹；自锁螺杆6下部为光轴，和球铰杆12球体结构顶端的盲孔紧配套装。

锁死电机4运行，经传动销5带动自锁螺杆6在内衬套7轴向内孔内旋转运动，自锁螺杆6边旋转边沿着内衬套7轴向上下运动，进而带动自锁螺杆6 下端是否插装入球铰杆12中，实现锁死控制。当需要锁死时，由锁死电机4带动自锁螺杆6下行，插入球铰杆12顶端的盲孔实现锁死；当需要解锁时，锁死电机4做相反运动即可。

通过控制球铰杆12下端的轴杆结构与球形转子3下部的轴向通孔的径向尺寸差值实现电机的输出位移上下限调整。

电机正常工作时，超声波定子9通过弹簧预紧力与球形转子3充分接触，定子在通电情况下产生高频振动，三个定子相互配合产生驱动力矩，球形转子在力矩作用下绕着球铰杆12上部的球状结构做定心旋转，球转子3动力学方程较为简单，电机驱动控制也相对简单。当电机输出杆1轴向受到大拉力时，拉力通过固连螺钉2传递给球形转子9，球形转子9通过内部的半球槽将力传递给球铰杆12的球头的下半球，最终通过球铰螺母14传递到电机底座13。当电机输出杆1轴向受到大压力时，压力通过上顶盖8传递到球铰杆12的球头的上半球，最终通过球铰螺母14传递到电机底座13。由上可以看出电机正常工作时，驱动力由定转子产生，当收到轴向大拉压力时，受力由球形转子通过球铰杆传递给底座，即轴向受力传递过程为：球转子-球铰杆-电机底座，从而大大提高了电机轴向强度。

如201811110396.X专利的电机，正常工作时，负载会导致三个定子受力不均的情况，从而使得求转子的球形发生变化，导致转子动力学方程较为复杂，从而使得电机驱动控制也较为复杂。轴向受力传递为球转子-超声波定子-柔性板簧-定子支架-电机底座，由于柔性板簧承力有限，使得电机整体轴向强度较低。

对电机结构受力进行有限元受力分析可知，本实用新型的电机轴向最大可承受的最大拉压力约为10000N，201811110396.X专利的电机轴向最大可承受的最大拉压力约为300N。

Claims (5)

1.一种球铰式多自由度行波型超声波球电机，包括球电机本体，所述球电机本体包括三个定子部件(a)、转子部件(b)和附属部件(c)，所述附属部件(c)包括底座(13)，所述转子部件(b)包括输出杆(1)、连接螺钉(2)和球形转子(3)，所述定子部件(a)包括超声波定子(9)、螺旋板簧(10)和固定支架(11)；三个固定支架(11)沿圆周间隔120°均布地固定于附属部件(c)的底座(13)上表面，安装在每个固定支架(11)上均通过螺旋板簧(10)安装有超声波定子(9)；球形转子(3)为上部切去球缺的球结构，输出杆(1)通过连接螺钉(2)固定于球形转子(3)的球缺面上，球形转子(3)由三个超声波定子(9)接触夹持；其特征在于：还包括内置球铰模块和外置自锁模块；所述的内置球铰模块包括上顶盖(8)、球铰杆(12)与球铰杆螺母(14)；球形转子(3)顶部中心开设有凹槽，球形转子(3)底部中心开设有轴向通孔，凹槽和轴向通孔之间设有半球槽，球铰杆(12)的上端为球体结构，下端为轴杆结构；球铰杆(12)上端的球体结构下半部分嵌装在球形转子(3)的半球槽中，球形转子(3)的凹槽中固定安装上顶盖(8)，上顶盖(8)包覆在球铰杆(12)球体结构的上半部分，球铰杆(12)下端的轴杆结构向下穿过球形转子(3)底部的轴向通孔后通过球铰杆螺母(14)固定连接于底座(13)中心；球铰杆(12)球体结构的顶端中心开设有盲孔，上顶盖(8)的中心开设贯通孔；

所述的外置自锁模块包括锁死电机(4)、传动销(5)、自锁螺杆(6)和内衬套(7)；输出杆(1)底面开设安装孔，锁死电机(4)内置于输出杆(1)安装孔的内侧，并固定在内衬套(7)上端，内衬套(7)固定套装在输出杆(1)安装孔的外侧，锁死电机(4)的输出轴经传动销(5)和自锁螺杆(6)上端可轴向活动但周向同步地连接，自锁螺杆(6)上端套装在内衬套(7)的轴向内孔中且螺纹配合，自锁螺杆(6)下端用于穿过上顶盖(8)的贯通孔后紧配地插装到球铰杆(12)球体结构顶端的盲孔中。

2.根据权利要求1所述的一种球铰式多自由度行波型超声波球电机，其特征在于：所述的自锁螺杆(6)分为上部和下部，上部的直径大于下部的直径，上部的外壁设有与内衬套(7)轴向内孔耦合的外螺纹，内衬套(7)轴向内孔设有与外螺纹配合的内螺纹；自锁螺杆(6)下部为光轴，和球铰杆(12)球体结构顶端的盲孔紧配套装。

3.根据权利要求1所述的一种球铰式多自由度行波型超声波球电机，其特征在于：所述的固定支架(11)带有斜安装面，斜安装面沿朝向底座(13)中心径向布畳且向外倾斜，超声波定子(9)通迂螺旋板簧(10)安装在固定支架(11)的斜安装面。

4.根据权利要求1所述的一种球铰式多自由度行波型超声波球电机，其特征在于：所述的三个固定支架(11)通过底座螺钉(15)与底座固连。

5.根据权利要求1所述的一种球铰式多自由度行波型超声波球电机，其特征在于：通过控制球铰杆(12)下端的轴杆结构与球形转子(3)下部的轴向通孔的径向尺寸差值实现电机的输出位移上下限调整。

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