[发明专利]三自由度永磁球面运动发生器

说明书

本发明公开了一种三自由度永磁球面运动发生器，其包括有第一层转轴(5)、第二层转轴(6)、第三层转轴(7)、第一层驱动组件(1)、第二层驱动组件(2)、第三层驱动组件(3)、执行末端(4)；三层转轴为从外向内放置，三层驱动组件为从上至下重叠放置；第一层驱动组件(1)的上方是上端盖(11)，第三层驱动组件(3)的下方是下端盖(12)，三层驱动组件之间设有两个间隔件隔离。本发明球面运动发生器在三层驱动组件中给定相同电流或不同电流时，能够实现执行末端(4)的自旋运动或倾斜运动。本发明结合了球面并联机构和球电机的电磁驱动方式，能够适应于机器人、雷达驱动航空航天等多个领域。

技术领域

本发明涉及一种能够产生三自由度球面运动的机电一体化的机构，更特别地说，是指一种基于电磁驱动的三自由度永磁球面运动发生器。

背景技术

在现代化的工业生产中，为了最大限度地提高机器人的工作范围和工作效率，往往要求机构能在三维空间内实现多自由度的旋转运动，尤其是三自由度的球面运动。目前，三自由度球面运动发生器主要有两种形式：球面并联机构和球形电机。

球面并联机构的结构特点是由多个独立的支链连接着输出端，这样在输出端上的惯性力或者是受到的外力，都可以很好地由多个支链分担，增加了机构的承载能力、稳定性和刚度；在输入驱动确定的情况下，并联机构输出端的位置误差也将很大程度上缩小，在高精度机械加工有广阔的应用前景。但是，并联机构的驱动方式基本上是由电机通过齿轮传动完成。数量众多的电机以及连杆的自重给系统带来了额外的负担，使得总体尺寸庞大、运动笨拙，附加的齿轮等传动装置增加了回程误差的累计，并大大地增加了功率损耗。

球形电机是一种包含了欧几里得空间的三个全部旋转自由度的一体化电机，具有非常突出的优点：首先，由于无需各种复杂的连接机构和冗余部件，其结构十分紧凑，能获得优异的动态响应性能；其次，因为无需多层次的齿轮、齿条等传动机构，所以没有回程误差积累，能达到很高的运动精度。但由于其自身机械结构的限制，在很多情况下，球形电机的工作空间相对较小，无法满足应用的要求。

发明内容

本发明设计的三自由度永磁球面运动发生器，采用分层驱动、以及分层转轴的相对运动，并结合执行末端的球面并联机构，实现了高灵活性的工作空间，可以实现360度的自旋运动，以及倾斜角为1～60度的球面倾斜运动。本发明是基于电磁驱动的集成三自由度永磁球面运动发生器。

本发明的一种三自由度永磁球面运动发生器，其特征在于：三自由度永磁球面运动发生器包括有第一层转轴(5)、第二层转轴(6)、第三层转轴(7)、第一层驱动组件(1)、第二层驱动组件(2)、第三层驱动组件(3)、执行末端(4)、上端盖(11)、下端盖(12)、第一间隔件(13)和第二间隔件(14)；

第一层转轴(5)、第二层转轴(6)和第三层转轴(7)为从外向内放置；

第一层驱动组件(1)、第二层驱动组件(2)和第三层驱动组件(3)为从上至下重叠放置；

第一层驱动组件(1)的定子部分由第一层定子外壳(1A)和六个圆周布局的定子线圈构成；第一层定子外壳(1A)的中间是AA中心通孔(1A11)，第一层定子外壳(1A)上设有AA平台(1A7)、AB平台(1A8)、AC平台(1A9)、AG通孔(1A10)，以及用于安装AA定子线圈(101)的AA通孔(1A1)、AB定子线圈(102)的AB通孔(1A2)、AC定子线圈(103)的AC通孔(1A3)、AD定子线圈(104)的AD通孔(1A4)、AE定子线圈(105)的AE通孔(1A5)、AF定子线圈(106)的AF通孔(1A6)；AA平台(1A7)用于支撑上端盖(11)，且上端盖(11)通过螺钉固定在第一层定子外壳(1A)的上端；AB平台(1A8)用于支撑A编码器(1B)；AC平台(1A9)用于支撑第一间隔件(13)的上端；