專利名稱：向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種工程中廣泛使用的具有支承驅動功能的關節(jié) 系統(tǒng)，屬于機電一體化技術領域。
背景技術：
球形關節(jié)在機器人及機械手，乃至多坐標機械加工中心、航大飛行器、 電動陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉臺、醫(yī)療器械、攝像操作臺、全景 攝影操作臺、攪拌機、移動機構的萬向輪、球形閥、球形泵等具有多個運 動自由度的設備中具有廣泛的應用前景。關節(jié)系統(tǒng)包括驅動器、傳動器和 控制器，屬于機器人的基礎部件，是整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán) 節(jié)，其結構、重量、尺寸對機器人性能有直接影響。關節(jié)的驅動方式主要 有1)由液動機、伺服閥、油泵及油箱等組成的液壓伺服驅動系統(tǒng)；2) 由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成的氣壓伺服驅動系統(tǒng)；3)采用伺服電機、 減速傳動裝置等組成的電氣伺服驅動系統(tǒng)。從機器人關節(jié)的應用現(xiàn)狀可知， 目前機器人關節(jié)通常采用電機加減速機構驅動方式。大多數(shù)關節(jié)為多自由 度關節(jié)，而多自由度關節(jié)的運動是通過幾個關節(jié)通過連桿連接利用平移和 旋轉運動協(xié)調(diào)運動產(chǎn)生的，往往需要采用多套單自由度的驅動機構以及復 雜的機械傳動機構來完成。這樣將導致結構復雜，體積龐大，關節(jié)摩擦面 磨損嚴重，效率低下，制造安裝非常困難，運動空間范圍小，響應遲緩， 動態(tài)性能較差。而且機械傳動系統(tǒng)誤差的累計導致整個控制系統(tǒng)的精度下 降，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是針對現(xiàn)有關節(jié)存在的上述問題，基于磁懸浮技術 和電機技術，提供一種機械集成度高、結構簡單、無摩擦、無磨損，精度高和動態(tài)性能好，具有可以繞球形轉子中心旋轉的二自由度或多自由度的 向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的，向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，其 特征是設有關節(jié)本體和檢測控制系統(tǒng)，關節(jié)本體設有關節(jié)的支承機體、凸
極定子、球形轉子、轉動臂，檢測控制系統(tǒng)設有DSP數(shù)字控制器、驅動電 路、開關功率放大器、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路； 支承機體為設有軸向通孔的柱體，在柱體側面均勻布有至少四個垂直于軸 向通孔的垂面通孔，軸向通孔的一端和至少二個垂面通孔內(nèi)通過端蓋安裝 有凸極定子，其余垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機構，柱體側面的凸極定子 和電磁鐵夾持機構相互間隔錯開，在安裝凸極定子的端蓋中心孔內(nèi)設有檢 測轉子位置、運動速度的傳感器，所有凸極定子的凸極表面構成一球形包 絡內(nèi)表面，球形轉子設置在球形包絡內(nèi)表面構成的球形空間內(nèi)，球形轉子 與轉動臂固定為一體，轉動臂通過支承機體軸向通孔另一端伸向外部。
所述的凸極定子由具有良好導磁性能的材料制成，內(nèi)表面開有/W可形 狀相同的凸極面，凸極之間的槽內(nèi)繞有三相或多相通電線圈繞組。
所述的關節(jié)球形轉子由具有良好導磁性能的材料制成，其球表面開有 相互垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的凸極面。 溝槽內(nèi)設有轉子繞組或電樞繞組的導線或導體。
本實用新型結構合理、簡單、緊湊，綜合應用磁懸浮技術和電機技術， 實現(xiàn)球形關節(jié)的懸浮支承并驅動關節(jié)轉子轉動。關節(jié)工作過程中，由檢測 控制系統(tǒng)的傳感器不斷地檢測轉子的位置姿態(tài)(徑向位移和切向位移)，并 對其進行調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等信號處理，將處理后轉子位置姿態(tài)信 號由DSP數(shù)字控制器進行A/D轉換和控制算法的運算，并轉換為控制懸浮 和控制旋轉的兩組PWM脈沖控制信號，PWM懸浮控制信號控制開關功率 放大器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源電流隨PWM脈沖信號變化，調(diào)節(jié)關節(jié)定 子繞組產(chǎn)生的電磁懸浮磁力，以支承關節(jié)轉子懸浮于平衡位置。PWM旋轉 控制信號控制逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源電流隨PWM脈沖信號變化，節(jié)轉子按照所給定的角位移 或角速度指令旋轉，即在檢測控制系統(tǒng)的主動控制下，關節(jié)定子繞組將產(chǎn) 生懸浮磁力和磁力矩，支承球形轉子穩(wěn)定懸浮并驅動轉子按給定指令轉動。 球形轉子與關節(jié)定子之間實現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應速度快。

圖1是本實用新型關節(jié)的支承機體結構示意圖2是本實用新型沿圖1中A-A的剖面結構示意圖3是本實用新型沿圖1中B-B的剖面結構示意圖4是本實用新型的球形轉子表面結構示意圖5是圖4中C-C的剖面結構示意圖6是本實用新型的凸極定子的結構示意圖7是本實用新型的凸極定子的剖面結構示意圖； 圖8是圖6的俯視結構示意圖9是本實用新型的工作控制示意圖中l(wèi)球形轉子，2凸極定子，3端蓋，4傳感器，5傳感器定位塊， 6支承保護軸承，7凸極定子，8端蓋，9支承機體，IO電磁鐵夾持機構， ll轉動臂，12軸向通孔，13、 14、 15垂面通孔，16通電線圈繞組，17凸 極面，18凸極面，19溝槽。
具體實施方式
以下結合附圖進一步敘述本實用新型的實施案例。
向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，由關節(jié)的支承機體9、凸極定子2、球 形轉子1、轉動臂11和包括DSP數(shù)字控制器、驅動電路、開關功率放大器、 逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路的檢測控制系統(tǒng)等構成， 支承機體為設有軸向通孔12的柱體，在柱體側面均勻布有八個垂直于軸向
通孔的垂面通孔13、 14、 15，軸向通孔的一端和四個垂面通孔內(nèi)通過端蓋 3、 8安裝有凸極定子，其余四個垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機構10，柱體 側面的凸極定子和電磁鐵夾持機構相互間隔錯開布置，安裝凸極定子的端
5蓋上設置中心孔，在安裝凸極定子的端蓋中心孔內(nèi)傳感器定位塊5安裝檢 測轉子位置、運動速度的傳感器4。凸極定子由具有良好導磁性能的材料 制成，內(nèi)表面開有幾何形狀相同的凸極面17，凸極之間的槽內(nèi)繞有三相或 多相通電線圈繞組16。所有凸極定子的凸極面17構成一球形包絡內(nèi)表面， 球形轉子1設置在球形包絡內(nèi)表面構成的球形空間內(nèi)，球形轉子與轉動臂 11固定為一體，轉動臂通過支承機體軸向通孔另一端伸向外部。球形轉子 1由具有良好導磁性能的材料制成，其球表面開有相互垂直且連續(xù)的溝槽 19，溝槽將整個球表面分為若干幾何形狀相同的凸極面18，溝槽內(nèi)設置轉 子繞組或電樞繞組的導線或導體。
向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)的工作過程關節(jié)處于停機狀態(tài)時，由 電磁鐵夾持機構10中在彈簧力的作用下，將關節(jié)球形轉子1的姿態(tài)鎖定于 平衡位置。關節(jié)處于無轉懸浮時，向磁懸浮主動關節(jié)系統(tǒng)給定各方向的轉 子在平衡位置時的徑向懸浮指令信號和角位移指令信號，同時電磁鐵夾持 機構10銜鐵在電磁力的作用下，松開球形轉子l。指令信號與各個傳感器 4檢測的轉子姿態(tài)位置信號由DSP數(shù)字控制器進行比較和控制算法的運 算，并轉換為控制懸浮和控制旋轉的兩組PWM脈沖控制信號，PWM懸浮 控制信號控制逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源提供給定子通電線圈繞組的 電流，隨PWM脈沖信號變化而調(diào)節(jié)支承球形轉子1的懸浮磁力，PWM旋 轉控制信號控制逆變器，使經(jīng)過穩(wěn)壓整流的電源提供給定子通電線圈繞組 的電流隨PWM脈沖信號變化而調(diào)節(jié)球形轉子的磁力矩，在懸浮磁力和磁 力矩綜合作用下將球形轉子1控制在夾持狀態(tài)時的姿態(tài)，以達到球形轉子 不旋轉的穩(wěn)定懸浮。關節(jié)懸浮轉動時，關節(jié)在不旋轉的穩(wěn)定懸浮基礎上， 輸入沿某個轉動自由度方向的角位移和轉速指令信號，經(jīng)數(shù)字控制器進行 信號調(diào)節(jié)后輸出PWM旋轉控制信號，去調(diào)節(jié)控制逆變器的各功率晶體管， 使經(jīng)過穩(wěn)壓整流電路整流的直流電源由逆變器按照PWM脈沖控制信號規(guī) 律向關節(jié)繞組供電，以產(chǎn)生電磁轉矩驅動轉子按所給指令要求旋轉。
權利要求1、一種向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，其特征是設有關節(jié)本體和檢測控制系統(tǒng)，關節(jié)本體設有關節(jié)的支承機體、凸極定子、球形轉子、轉動臂，檢測控制系統(tǒng)設有DSP數(shù)字控制器、驅動電路、開關功率放大器、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路；支承機體為設有軸向通孔的柱體，在柱體側面均勻布有至少四個垂直于軸向通孔的垂面通孔，軸向通孔的一端和至少二個垂面通孔內(nèi)通過端蓋安裝有凸極定子，其余垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機構，柱體側面的凸極定子和電磁鐵夾持機構相互間隔錯開，在安裝凸極定子的端蓋中心孔內(nèi)設有檢測轉子位置、運動速度的傳感器，所有凸極定子的凸極表面構成一球形包絡內(nèi)表面，球形轉子設置在球形包絡內(nèi)表面構成的球形空間內(nèi)，球形轉子與轉動臂固定為一體，轉動臂通過支承機體軸向通孔另一端伸向外部。
2、 根據(jù)權利要求l所述的向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，其特征是 所述的凸極定子由具有良好導磁性能的材料制成，內(nèi)表面開有幾何形狀相 同的凸極面，凸極之間的槽內(nèi)繞有三相或多相通電線圈繞組。
3、 根據(jù)權利要求l所述的向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，其特征是 所述的關節(jié)球形轉子由具有良好導磁性能的材料制成，其球表面開有相互 垂直且連續(xù)的溝槽，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的凸極面。
4、 根據(jù)權利要求3所述的向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，其特征是 所述的溝槽內(nèi)設有轉子繞組或電樞繞組的導線或導體。
專利摘要向心拉力磁懸浮球形主動關節(jié)，屬于機電一體化技術領域。設有關節(jié)的支承機體、凸極定子、球形轉子、轉動臂和包括DSP數(shù)字控制器、驅動電路、開關功率放大器、逆變器、整流穩(wěn)壓電路、傳感器、信號處理電路的檢測控制系統(tǒng)。支承機體為設有軸向通孔的柱體，在柱體側面均勻布有至少四個垂直于軸向通孔的垂面通孔，軸向通孔的一端和至少二個垂面通孔內(nèi)裝有凸極定子，其余垂面通孔內(nèi)安裝電磁鐵夾持機構，端蓋中心孔內(nèi)設有傳感器，球形轉子設置在凸極定子的球形空間內(nèi)，球形轉子與轉動臂固定為一體，轉動臂通過軸向通孔另一端伸向外部。本實用新型結構合理簡單、緊湊，實現(xiàn)無摩擦、無磨損，動態(tài)性能好，響應速度快。
文檔編號B25J17/00GK201380492SQ20092003903
公開日2010年1月13日 申請日期2009年5月5日 優(yōu)先權日2009年5月5日
發(fā)明者姜明明, 丹 張, 勵 曾 申請人:揚州大學