球形關(guān)節(jié)電動機概述
范承志 (浙江大學(xué)杭州310027)
【摘 要】介紹球形二維運動關(guān)節(jié)電機的發(fā)展概況，簡述各類關(guān)節(jié)電機的結(jié)構(gòu)、原理及其特
點，提出框架式二維步進型關(guān)節(jié)電機的結(jié)構(gòu)型式和驅(qū)動特點，并給出了實物模型的試驗結(jié)果。
1 引 言
球形二維運動電機是關(guān)節(jié)驅(qū)動所需的關(guān)鍵部件。在機器人的一些關(guān)節(jié)驅(qū)動中，往往要求驅(qū)動器具有二個或二個以上的活動自由度，以達到簡化結(jié)構(gòu)，模擬人體動作的功能。例如對于腕關(guān)節(jié)驅(qū)動而言，由于它是連接手部和臂部的關(guān)節(jié)，為使手爪能在空間活動(沿腕關(guān)節(jié)作球面運動)，需要腕都驅(qū)動能實現(xiàn)二個自由度的轉(zhuǎn)動。
對于傳統(tǒng)的驅(qū)動電機而言，要實現(xiàn)二維運動需要二個伺服電機通過復(fù)雜的機械連接實現(xiàn)。由于機械連接機構(gòu)會降低系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能，因此較好的辦法之一就是開發(fā)能實現(xiàn)多自由度驅(qū)動的專用關(guān)節(jié)電機。
2關(guān)節(jié)電機發(fā)展概況
作球面二維運動的關(guān)節(jié)電機是目前研究得最多的一種關(guān)節(jié)驅(qū)動電機，多自由度的球形電機理論最初是由e．c．williams和e．p．laithwaite等在50年代提出的，但其最初的目的是為了調(diào)速。到80年代，美日兩國的研究人員把注意力集中到機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動電機上來，各種關(guān)節(jié)電機的理論和電機模型相繼被提出來。
2．1感應(yīng)式球面三繞組電機
這種根據(jù)“三套正交繞組定位理論”的感應(yīng)式電機是較早出現(xiàn)的一種球形關(guān)節(jié)電機，圖1給出了這種電機的結(jié)構(gòu)模型。它是利用感應(yīng)電機工作原理，在球形定子內(nèi)側(cè)面繞有三套在空間互相正交的繞組。當控制三套繞組使其流過不同的交變電流時，可在空間產(chǎn)生球面運動的磁場。球形電機轉(zhuǎn)子為實心圓導(dǎo)磁體，外表面均勻地涂有一層良導(dǎo)體材料，其作用類似于異步電機的轉(zhuǎn)子繞組，以構(gòu)成任何方向都導(dǎo)通的短路環(huán)。三套繞組的電流變化使空間磁場沿著所需方向運動，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體表面形成切割電勢和電流，帶動轉(zhuǎn)子在球面坐標上活動。這種電機的定位力矩(堵轉(zhuǎn)力矩)較小，且效率比較低，不宜低速或堵轉(zhuǎn)運行，電機的位置速度檢測也比較復(fù)雜。
2．2永磁轉(zhuǎn)子凸極式同步電機
針對感應(yīng)子電機的不足，提出了一類同步式永磁轉(zhuǎn)子球形電機。圖2顯示的是一項日本專利中描述的原理外形。這種電機的轉(zhuǎn)子為永磁體凸極式轉(zhuǎn)子，電機的運動是以同步電機的方式實現(xiàn)的。當定子繞組產(chǎn)生的空間磁場在球面轉(zhuǎn)動時，其轉(zhuǎn)子也作相應(yīng)的運動，這種電機有較大的定位力矩。
2．3球面步進電機
球面步進電機是由平面二維運動的步進電機演變而來的，其工作原理與平面步進電機一樣，它的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式見圖3。在轉(zhuǎn)子球表面和定子極內(nèi)圓表面開有許多均勻的小齒塊，通過控制定子極線圈的通電順序，完成球面運動。步進式球形關(guān)節(jié)電機的特點是能實現(xiàn)開環(huán)控制，能精確定位，有較大的靜態(tài)力矩，但圓表面的小齒塊加工復(fù)雜。
2．4框架式球電機
圖4顯示了一種框架式球電機的結(jié)構(gòu)形式�？蚣芙Y(jié)構(gòu)電機是由兩個電氣上互相獨立的電機組合而成的，其活動結(jié)構(gòu)類似于陀螺儀，內(nèi)電機作旋轉(zhuǎn)運動，帶動整個裝置繞主軸旋轉(zhuǎn)，外電機作擺動。兩者運動的組合可使電
機出軸的末端在一球面上運動。由于這種結(jié)構(gòu)中二個轉(zhuǎn)動電機都互相獨立，在電磁分析、機械結(jié)構(gòu)加工、安裝等方面都比前面三種球面轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)要方便，而且由于其活動是沿二個固定軸作旋轉(zhuǎn)運動，因此容易實現(xiàn)位置、速度等檢測和控制。
3步進型二維關(guān)節(jié)電機
根據(jù)對球形電機的分析，考慮到加工工藝和檢測控制手段的可行性及實用性，采用了類似于框架結(jié)構(gòu)的二維步進式電機結(jié)構(gòu)，開發(fā)研究一種關(guān)節(jié)驅(qū)動電機。圖5示出了這種電機的結(jié)構(gòu)原理圖。在這種結(jié)構(gòu)中，外層大電機的定子外形為一半球形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)圓周上排列有定子磁極。大電機的轉(zhuǎn)子也為一空心半圓形結(jié)構(gòu)，外圓周上開有齒槽。轉(zhuǎn)子支撐軸位于半圓形的下方。半圓形轉(zhuǎn)子可沿垂直軸作360o旋轉(zhuǎn)。在大電機半圓形轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔嵌入一外轉(zhuǎn)子式的小電機，小電機的外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可沿一固定于大電機轉(zhuǎn)子上的水平軸作前后擺動。小電機外轉(zhuǎn)子的中心裝有一出軸，當大電機轉(zhuǎn)子和小電機外轉(zhuǎn)子共同運動時，此出軸的末端可在一球面上活動.
| 
