[发明专利]一种多功能多自由度球型驱动器

说明书

本发明公开了一种多功能多自由度球型驱动器，包括转子和定子，定子包括定子背铁、第一永磁体和第二永磁体，定子背铁为空心球壳，第一、第二永磁体分别固定在空心球壳的北半球腔壁和南半球腔壁上，第一、第二永磁体均为径向充磁但两者充磁方向相反；转子包括动子球芯和绕组，动子球芯为具有中空通道的球体，绕组设有4组且分别嵌置在动子球芯的外表面并互成90度夹角，绕组的线圈在平行于动子球芯的南北极轴线的平面上缠绕；通电后的绕组在电磁力作用下驱动转子绕其球心做倾斜运动；中空通道内安装有旋转电机，其旋转轴自定子北极位置伸出。本发明能够实现多自由度解耦的倾斜运动和旋转运动，其结构简单、控制容易、运动精度高、能量损耗小。

技术领域

本发明涉及驱动器技术领域，特别是涉及一种多功能多自由度球型驱动器。

背景技术

随着科技的进步，多自由度运动机构在机器人腕关节、航空器操纵杆、矢量推进等中的应用范围越来越广。传统的多自由度运动机构是由多台单自由度电机串联或并联方式实现的，整个系统结构庞大复杂、传动精度低、控制困难、且能量损耗大。

球型驱动器具有两个或三个旋转自由度，可绕过定点的多个空间轴线旋转。球型驱动器在需要多自由度运动的机械系统中，能够代替多台单自由度电机，简化系统结构，减小系统体积，消除由于齿隙带来的传动误差。传统构型的球型驱动器采用永磁铁与通电线圈依据同性相斥、异性相吸的相互作用的原理产生多自由度旋转运动，这种构型存在倾斜运动和自转运动的严重耦合和相互干扰的情况，限制了系统的输出转矩和工作效率。为了更好的满足多自由度运动的需求，开发新型多功能多自由度球型驱动器很具有必要性。

发明内容

本发明的目的是提供一种多功能多自由度球型驱动器，能够实现多自由度解耦的倾斜运动和旋转运动，具有结构简单、控制容易、运动精度高、能量损耗小的优点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多功能多自由度球型驱动器，其包括机座、第一转子和第一定子，所述第一定子固定在机座上，所述第一转子与所述第一定子互不接触，且所述第一转子能相对所述第一定子转动；所述第一定子包括定子背铁、第一永磁体和第二永磁体，所述定子背铁为空心球壳，且所述定子背铁的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一永磁体形状匹配地固定在所述定子背铁的北半球腔壁上，所述第二永磁体形状匹配地固定在所述定子背铁的南半球腔壁上，所述第一永磁体和所述第二永磁体均沿所述定子背铁的径向充磁，所述第一永磁体的充磁方向与所述第二永磁体的充磁方向相反；所述第一转子包括动子球芯和第一绕组，所述动子球芯为具有中空通道的球体，所述中空通道的两端贯穿所述动子球芯的南北极位置，且所述动子球芯的南北极位置各有一个镂空截面，所述第一绕组设有4组，每组所述第一绕组由一个或多个线圈构成，所述第一绕组嵌置在所述动子球芯的外表面，相邻的两组所述第一绕组互成90度夹角，4组所述第一绕组沿所述动子球芯的纬线方向呈一维阵列分布，且所述第一绕组的线圈在平行于动子球芯的南北极轴线的平面上缠绕；所述第一绕组通电后，所述第一绕组在电磁力作用下驱动所述第一转子绕其球心做倾斜运动；所述中空通道内安装有旋转电机，所述旋转电机的旋转轴末端伸出于所述定子背铁的北极位置上的镂空截面。

作为本发明的优选方案，所述动子球芯的外表面设有用于容置所述第一绕组的第一凹槽。

作为本发明的优选方案，所述第一永磁体设有4组，每组所述第一永磁体由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第一永磁体互成90度夹角，4组所述第一永磁体沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布；所述第二永磁体设有4组，每组所述第二永磁体由一个或多个磁体单元构成，相邻的两组所述第二永磁体互成90度夹角，4组所述第二永磁体沿所述定子背铁的纬线方向呈一维阵列分布。

作为本发明的优选方案，当互成180度夹角的两组所述第一永磁体或第二永磁体的充磁方向相同时，互成180度夹角的两组所述第一绕组的通电方向在所述第一转子的外侧正视下是相反的。