[发明专利]一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节

说明书

技术领域

本发明涉及一种被动球关节，更特别地说，是指一种具有姿态检测的三自由度被动球关节，同时该被动球关节也作为球电机的转子支撑。

背景技术

仿生学是机器人技术发展的重要基础之一。人的手臂具有七个自由度，即肩、腕是三自由度球关节，肘是单自由度旋转关节。人类手臂既有较大的工作空间、较好的承载能力，又有突出的灵活性。而球电机可以实现空间三自由度连续的旋转运动，因此，球电机的发展在机器人领域得到了广泛的重视。

常规的电机都是单轴运动的，因此机器人的各个关节也被单轴驱动。例如用三个单自由度关节组合的形式来模拟人的肩、腕关节的功能。虽然设计者可以在机构外形上设计出一个类似人腕或人肩的三自由度球关节，但究其内部驱动实现的本质来看，则仍然是三个独立的单轴电机通过传动机构的组合来模拟球关节的功能。这样组合而成的球关节和真正一体化的球关节在功能上并不等同，甚至大相径庭。一般说来，用组合单自由度电机形成多自由度关节的方案来实现多自由度的运动受到如下的局限：

第一，不可避免地存在传动机构的弹性变形和运动死区是造成运动精度降低的原因；

第二，组合电机及附件的质量和惯量较大导致高能量损耗，运动反应灵敏度和快速性欠佳使应用范围受限；

第三，在关节在运动过程中容易存在运动学奇异。

相对于传统上用几个单自由度马达串联或并联组成的多自由度旋转运动机构来说，球型电机具有显著的优点，如体积小、重量轻、响应速度快、没有空回以及在工作空间内没有奇异点等。但是，对于球电机转子姿态的检测，有基于视觉传感器、光学传感器或者霍尔传感器的非接触式姿态检测；也有采用编码器和滑动导轨组成的检测装置。但这些检测方法的精度和稳定性都因为各种原因无法得到保证。针对这种情况，本发明专利申请提出一种即可实现球电机转子的三维姿态检测、也能起到支撑球电机转子的三自由度被动球关节。

发明内容

本发明设计的具有姿态检测的三自由度被动球关节，该被动球关节采用电磁力驱动，球电机的转子的球心是被动球关节十字轴的中心。本发明的被动球关节可以支撑转子实现连续的三自由度旋转，同时，通过编码器实现球电机转子的z方向转角测量，利用双轴倾角传感器对转子的x和y方向的旋转角度进行测量，有效解决了球电机的转子的支撑和球电机的姿态检测问题。当球电机的转子受电磁力产生三维旋转运动时，将带动被动球关节作相应的三维旋转，通过从编码器和倾角传感器上读到相应的旋转角度，从而实现了球电机转子的三维姿态检测。

本发明的一种适用于球电机的具有姿态检测的三自由度被动球关节，所述的球电机包括有被动球关节组件、球电机定子组件、球电机转子组件和基座；所述的被动球关节组件包括有上转台、下转台、十字轴、A吊板、B吊板、支撑板、双轴倾角传感器、编码器、Z向轴；

上转台的A侧板上设有A轴承孔，所述的A轴承孔用于放置C滚珠轴承；上转台的B侧板上设有B轴承孔，所述的B轴承孔用于放置E滚珠轴承，所述的B侧板的外侧上安装有A轴承端盖，该A轴承端盖用于阻止E滚珠轴承滑落；上转台的顶板上设有C轴承孔，所述的C轴承孔内从上至下放置有A滚珠轴承、B滚珠轴承；顶板的下方安装有C轴承端盖，该C轴承端盖用于阻止B滚珠轴承滑落；C轴承端盖的下方安装有编码器。

下转台的A立板上设有D轴承孔，D轴承孔用于放置F滚珠轴承，A立板的外侧安装有B轴承端盖，该B轴承端盖用于阻止F滚珠轴承滑落；下转台的B立板上设有E轴承孔，E轴承孔用于放置D滚珠轴承；下转台的横板的两端设有A螺纹孔、B螺纹孔、C螺纹孔、D螺纹孔；A螺纹孔内安装有A支撑杆的另一端，A支撑杆的一端穿过A沉头孔后套接有一螺母；B螺纹孔内安装有B支撑杆的另一端，B支撑杆的一端穿过B沉头孔后套接有一螺母；C螺纹孔内安装有C支撑杆的另一端，C支撑杆的一端穿过C沉头孔后套接有一螺母；D螺纹孔内安装有D支撑杆的另一端，D支撑杆的一端穿过D沉头孔后套接的一螺母。

十字轴的X向轴的一端套接在C滚珠轴承上，X向轴的另一端套接在E滚珠轴承上；十字轴的Y向轴的一端套接在D滚珠轴承上，Y向轴的另一端套接在F滚珠轴承上；

A吊板的一端安装在支撑板的一侧上，A吊板的另一端安装在上转台的B侧板的底部。

B吊板的一端安装在支撑板的另一侧上，B吊板的另一端安装在上转台的A侧板的底部。

支撑板上方安装有双轴倾角传感器。

编码器安装在C轴承端盖的下方，且编码器的敏感端与Z向轴的另一端连接。