[发明专利]一种多自由度电机

说明书

本发明提供了一种多自由度电机，属于运动系统及机器人领域，包括一级框架、二级框架、三级框架、末端转子、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、永磁体和电磁线圈；一级框架内表面设置有电磁线圈；在一级框架的顶部两侧对称通过第一转动轴连接二级框架；三级框架非机械接触的设置在二级框架的内部；末端转子与三级框架间通过第三转动轴连接；在末端转子靠近一级框架一侧设置有永磁体；二级框架与三级框架间通过第二转动轴连接；第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴相互垂直；工作时在电磁线圈中通入电流，电磁线圈和永磁体之间产生电磁力；末端转子在电磁力、第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴的作用下，实现末端转子三个垂直方向的旋转。

技术领域

本发明属于运动系统及机器人领域，更具体地，涉及一种多自由度电机。

背景技术

在航空、军事、工业自动化与智能机器人等应用场合下，如果要实现多自由度运动，例如多自由度机器人的运动、多轴数控机床加工平台的运动等，只能通过对多个单自由度电机通过复杂的连接机构串联或者并联等机械组合来完成，驱动时需要分别对各个单自由度电机进行单独控制，以达到整体多自由度旋转运动，但是在这种传统的驱动系统中，多个单自由度电机控制误差的累计会导致整个控制系统的精度下降，也会在一定程度上影响系统的稳定性。此外，这种驱动系统通常具有非常复杂的结构，动力学性能不太良好，不仅增大了电机整体的体积，而且会产生很强的耦合效应，给电机的控制带来很大的困难，难以实现快速、精确的末端姿态控制。

现有多自由度电机的出现解决了上述问题，但是现有的多自由度电机只能进行自转或者旋转运动，在自动化工厂或者机器人控制等领域往往要求单个电机可以实现多自由度的运动，如自转、偏转及自线等复合运动，以此来简化系统结构、提高系统的稳态性能。因此，提供一种结构简单、体积小、功耗低、响应迅速、易于实现精确的多自由度位置控制的多自由度电机是非常必要的。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种多自由度电机，旨在解决现有的采用多个单轴电机驱动运动系统整体多自由度旋转运动时，多个电机无法同步控制导致控制运动系统的末端位置精确度较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种多自由度电机，包括一级框架、二级框架、三级框架、末端转子、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、永磁体和电磁线圈；

一级框架内表面设置有电磁线圈；在一级框架的两侧对称通过第一转动轴连接二级框架；三级框架通过第二转动轴设置在二级框架的内侧；末端转子与三级框架间通过第三转动轴连接；三级框架与一级框架均关于末端转子轴对称；在末端转子靠近一级框架一侧设置有永磁体；第一转动轴、第二转动轴和第三转动轴相互垂直，且三者交点位于末端转子的对称轴上或延长线上；交点为转动中心；

一级框架作为定子，；工作时在电磁线圈中通入电流，电磁线圈和永磁体之间产生电磁力；末端转子在电磁力的作用下，实现在第一转动轴轴线、第二转动轴轴线和第三转动轴轴线的三个相互垂直方向上的旋转。优选地，一级框架的内表面和末端转子的外表面呈球面结构，便于永磁体与电磁线圈的对称排布。

优选地，电磁线圈均匀分布在一级框架内而非末端转子表面，可以避免在转动过程中电磁线圈的导线发生缠绕。

优选地，电磁线圈与永磁体分别均匀分布在一级框架的内表面和末端转子靠近一级框架一侧的表面，且各个线圈与永磁体距离转动中心的距离相等，利于驱动电流的解算。

优选地，电磁线圈与永磁体两者的轴线均通过转动中心，利于驱动电流的解算。

优选地，电磁线圈与永磁体两者的轴线在初始位置不重合，可以避免多自由度球形电机在初始位置启动时所需的驱动电流过大。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：