[发明专利]三自由度电磁机器的控制系统和方法

说明书

本发明涉及三自由度电磁机器控制系统和方法，更具体地涉及一种多自由度电磁机器，该电磁机器包括定子、电枢和控件。定子包括第一、第二和第三定子导体，这些定子导体遵循均不同的第一、第二和第三轨迹并且共同地形成表面的总体形状。电枢被设置成与定子相邻并且可相对于定子而运动并且包括多个间隔的电枢线圈。各电枢线圈构造成当被通电时产生磁场。控件联接到第一、第二和第三定子导体及电枢线圈，并且构造成：（i）给定子导体提供直流电并且（ii）给电枢线圈中的一个或多个提供直流电，由此产生与定子导体相互作用的一个或多个磁场且改变该一个或多个磁场相对于定子导体的取向。

技术领域

本发明总体上涉及电磁机器，更具体地涉及用于在三个自由度中控制电磁机器的系统和方法。

背景技术

众所周知，目前可获得的被设计用于使一个物体在多于一个的自由度（DoF）中运动的运动控制系统包括用于各自由度的独立的马达或致动器。更具体地，需要至少两个马达或致动器来执行2自由度的运动，需要至少三个马达或致动器来执行3自由度运动，依此类推。因而，牵涉到多于一个的自由度的机构往往是稍微大且笨重的，因此是低效率的。

虽然近年来电子学和传感器技术已显著地变得小型化，但机械运动技术并未及时跟上。这就是例如平移（pan）/倾斜机构的运动系统通常不被用在例如微型或小型UAV（无人驾驶飞行器）和小卫星的较小平台上的原因。依赖于多自由度运动控制的机器人系统必须完全容忍当前运动叠加（motion-on-motion）系统的固有的低效率。

在名称为“Global Pointing Actuator ”的美国专利第7,675,208号中公开了上述问题的一个解决方案。在该专利中所公开的致动器包括球形定子，该定子具有缠绕在其上的“纬度线圈”和“经度线圈”。然而，该致动器也表现出某些缺点。例如，虽然通过给一个或两个线圈提供直流电（DC）可以使其相关的电枢和因此联接到电枢的装置在两个自由度上运动，但该致动器不能在三个自由度中如此执行。

因此，对于与已知装置相比相对较小、较不笨重且更有效率并且/或者可以在三个自由度上同时地进行控制的多自由度的机电机器存在着需求。本发明满足了这些需求。

发明内容

本发明内容是用于以简化的方式来描述选择的概念，下面将在具体实施方式中对这些选择概念作进一步描述。本发明内容并非意图确定要求保护的主题的主要或基本特征，也并非意图用于帮助确定要求保护的主题的范围。

在一个实施例中，多自由度电磁机器包括：定子、电枢和控件。定子包括第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体。第一定子导体遵循第一总体轨迹（generaltrajectory），第二定子导体遵循不同于第一总体轨迹的第二总体轨迹，第三定子导体遵循不同于第一和第二总体轨迹的第三总体轨迹。第一定子导体、第二定子导体和第三定子导体共同地形成表面的总体形状（general shape）。电枢被设置成与定子相邻并且可相对于定子而运动。电枢包括多个间隔的电枢线圈。各电枢线圈构造成当被通电时产生磁场。控件联接到第一、第二和第三定子导体，并且联接到电枢线圈。控件构造成：（i）将直流电（DC）提供至第一、第二和第三定子导体，和（ii）将DC提供至电枢线圈的一个或多个，由此产生与定子导体相互作用的一个或多个磁场并且改变该一个或多个磁场相对于定子导体的取向，由此导致电枢围绕一个或多个垂直轴线相对于定子发生期望的旋转。