[发明专利]一种多自由度球形电机及其减速机构

说明书

本发明公开了一种多自由度球形电机及其减速机构，包括转子、永磁体、保持架、滚珠、输出壳体、标签、固定磁铁、定子支座和电磁铁；转子表面均匀镶嵌若干个标签；永磁体连接于转子的阶梯孔内；保持架嵌套在转子外侧；保持架的固定磁铁座中放置一个固定磁铁；输出壳体嵌套在保持架外侧；滚珠放置于保持架的滚珠通孔中，外表面分别与转子的外表面和输出壳体的内表面接触；定子支座的电磁铁座内部固定有电磁铁，相邻两个电磁铁的磁极方向相反，电磁铁与永磁体配合；定子支座内表面均匀布置若干个位置传感器，位置传感器与标签配合；定子支座的磁铁座中放置一个固定磁铁，与保持架中的固定磁铁相互配合。该电机结构简单紧凑，集成度高，通用性强。

技术领域

本发明涉及电机设计领域，具体为一种多自由度球形电机及其减速机构。

背景技术

随着现代工业技术的高速发展，机器人的应用显著提高了生产率，降低了劳动成本，然而在机器人等机械装置完成复杂的工作任务时，往往需要多自由度运动。为此，工程上普遍采用多个传统单自由度电机组合的形式，通过多个电机的协同驱动，实现装置的多自由度运动，以致装置不仅结构复杂、体积庞大，而且运动协调性低、负载能力小、运动空间局限、响应速度慢、动态性能及稳定性较差。球形电机理论上可实现三自由度任意方向运动，相比传统的多电机协同配合方案，在实现装置多自由度运动时，可显著简化装置整体结构，增大装置运动空间与运动灵活性，同时避免因末端自由度结构自重引发的负载急剧下降问题，具有传统方案所不具备的诸多优点。因此，球形电机已成为电机设计技术研究领域的热点。

针对球形电机及其减速机构，国内外开展了系统深入的研究工作，研发了多款典型电机及其减速机构。申请号为201710152429.6的文献公开了三自由度永磁球形电动机，采用万向滚珠支撑的三自由度永磁球形电动机，利用带有独立供电回路的36个定子线圈，驱动电机转子旋转，但由于该电机采用输出轴与法兰盘相连接的方式，电机难以实现三自由度整周旋转。申请号为201521075361.9的文献公开了基于球形电机驱动的齿轮变速机构，通过在球形电机的转子轴端设置由伞齿轮构成的转向机构，实现电机的减速增扭，但是该减速机构采用大量齿轮机构，不仅结构复杂，体积庞大，而且对制造成本和安装精度要求极高，更为关键的是该减速机不能顺应球形电机的三自由度驱动，只能从两个方向对转子轴进行调速。

综上所述，现有球形电机虽能够初步实现多自由度运动，但普遍存在结构复杂，运动范围局限，尚未配置相应位置反馈系统，无法进行精确位置伺服控制等诸多问题，更为关键的是，针对球形电机的减速机构，还没有能够实现三自由度任意方向的输出，根源上限制了球形电机的推广应用。因此，亟需研发一种结构紧凑、集成度高、可实现三自由度任意方向整周旋转驱动、具备高精度速度与位置闭环伺服控制功能、减速比范围较大且精确可调的球形电机及其减速机构。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种多自由度球形电机及其减速机构。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种多自由度球形电机及其减速机构，其特征在于该装置包括电机转子机构、减速机构和电机定子机构；

所述电机转子机构包括转子和永磁体；所述减速机构包括保持架、滚珠、输出壳体、标签和固定磁铁；所述电机定子机构包括定子支座和电磁铁；

所述转子为空心球体结构，转子表面均匀开设若干个阶梯孔；所述转子表面均匀镶嵌若干个标签；永磁体连接于转子的阶梯孔内；所述保持架为空心球体结构，嵌套在转子外侧；保持架的表面开设一个固定磁铁座，其中放置一个固定磁铁；保持架表面均匀开设若干个滚珠通孔；所述输出壳体为空心球体结构，嵌套在保持架外侧；所述滚珠放置于滚珠通孔中，外表面分别与转子的外表面和输出壳体的内表面接触；所述定子支座内表面均匀开设若干个电磁铁座，电磁铁座内部固定有电磁铁，相邻两个电磁铁的磁极方向相反，电磁铁与永磁体配合；所述定子支座内表面均匀布置若干个位置传感器，位置传感器与标签配合；所述定子支座开设一个磁铁座，其中放置一个固定磁铁，与保持架中的固定磁铁相互配合。