[发明专利]一种用于机器人关节的球形电机

说明书

本发明涉及一种用于机器人关节的球形电机，包括定子模块、转子模块和控制模块；定子模块包括支撑轴、姿态传感器一、定子球壳和电磁铁；转子模块包括转子轴、转子内球、转子铁块、转子上外壳、转子下外壳和姿态传感器二；控制模块包括工控机、PLC、模拟量输出模块；定子球壳内表面呈M层N列布置电磁铁，转子内球的外表面呈P层Q列布置转子铁块，工控机接收两个姿态传感器反馈的三维角度，模拟量输出模块用于给某个或某几个电磁铁提供可变模拟量电压，吸引最近的转子铁块使转子模块转动一定角度。本发明实现A向360度连续旋转，可以与支撑轴进行B向与C向正负20度的偏转，可以在三个旋转自由度组合运动。

技术领域

本发明属于球形电机技术领域，特别是涉及一种用于机器人关节的球形电机。

背景技术

机器人应用需求广泛，机器人关节的发展关系到机器人的推广速度和应用领域。机器人需要在有限的空间内完成多自由度组合运动，尤其是三自由度旋转运动的实现较为复杂。目前的机器人关节大多采用伺服电机配合减速机模式，该种模式制造复杂、体积庞大、控制繁琐。目前虽然有研究采用球形电机的驱动模式，但还不成熟，尤其是在精密传动、精确控制等方面还处于方案试验阶段，尚没有完整的可行的解决方法；具体存在的问题为：一是定子与转子定位困难，不易形成稳定的球面轴承；二是全闭环反馈还不易实现。因此，亟需开发一种制造简单、体积小、精密控制且控制简单、运动灵活的机器人关节。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于机器人关节的球形电机，该球形电机制造简单、体积小、控制简单灵活，能够实现A向360度连续旋转，可以与支撑轴进行B向与C向正负20度的偏转，可以在三个旋转自由度组合运动，能够实现角度闭环控制，能够有效解决目前机器人关节存在的问题。本发明是这样实现的，一种用于机器人关节的球形电机，包括定子模块、转子模块和控制模块；

所述定子模块包括支撑轴、姿态传感器一、定子球壳和电磁铁；所述支撑轴用于将球形电机固定在机器人其它基础支撑机构上，所述姿态传感器一安装在支撑轴上，所述定子球壳的底部固定安装在支撑轴上；所述定子球壳内表面呈M层N列布置安装电磁铁，各层电磁铁均沿纬度方向布置，每层均匀布设有N个电磁铁，各层电磁铁的数量相等，各列电磁铁均沿经度方向布置，且各个电磁铁均指向定子球壳球心；

所述转子模块包括转子轴、转子内球、转子铁块、转子上外壳、转子下外壳和姿态传感器二；所述转子内球固定安装在转子轴的下部，所述转子内球的外表面呈P层Q列布置安装转子铁块，各层转子铁块均沿纬度方向布置，每层均匀布设有Q个转子铁块，各层转子铁块的数量相等，各列转子铁块均沿经度方向布置，且各个转子铁块均指向转子内球球心，所述转子内球球心与定子球壳球心重合于一点，所述转子铁块外端面与转子内球上转子铁块槽的槽口平齐，所述转子内球外表面与各个电磁铁相适配，转子内球外表面与电磁铁端面之间设置有微小间隙；在纬度方向所述转子铁块的层数大于电磁铁的层数，每层的转子铁块的数量大于每层的电磁铁的数量；所述转子上外壳套设在转子轴上，且转子上外壳顶部与转子轴配合，转子上外壳底部与转子下外壳通过螺栓和销钉连接，转子上外壳和转子下外壳构成的球形内表面与定子球壳外表面接触，使转子模块可在定子模块内转动，且转子模块不会脱离定子模块；所述姿态传感器二安装在转子轴上；

控制模块包括工控机、PLC、模拟量输出模块，所述工控机分别与姿态传感器一、姿态传感器二连接，接收两个姿态传感器反馈的三维角度，所述工控机与PLC连接，所述PLC与模拟量输出模块连接，所述模拟量输出模块用于给某个或某几个电磁铁提供可变模拟量电压，所有电磁铁指向转子铁块侧的磁极相同，吸引最近的转子铁块使转子模块转动一定角度。

在上述技术方案中，优选的，各列转子铁块中相邻两个转子铁块在球面上的距离均相等，各列电磁铁中相邻两个电磁铁在球面上的距离均相等；各列转子铁块中相邻两个转子铁块与球心连线的夹角为α，各列电磁铁中相邻两个电磁铁与球心连线的夹角为β，α与β的关系为β/2＜α＜β。