[发明专利]仿生眼球用正交圆柱结构两自由度步进电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种两自由度电动机，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正交圆柱结构两自由度步进电机。

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，国内外学者的研究工作十分活跃，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：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。

同时，由于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），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

本发明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正交圆柱结构两自由度步进电机；实现驱动仿生眼球在一定范围内一定精度下沿任何轨迹、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，本发明采用如下技术方案：