專利名稱：磁懸浮球形主動關節的制作方法
技術領域：
本發明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系統， 特別是機器人、機械手的關節，屬于機電一體化技術領域。
背景技術：
球形關節在機器人及機械手，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。關節系統包括驅動器、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中的一個重要環節，其結構、 重量、尺寸對機器人性能有直接影響。關節的驅動方式主要有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；2)由氣缸、氣閥、 氣罐和空壓機組成的氣壓伺服驅動系統；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。從機器人關節的應用現狀可知，目前機器人關 節通常采用電機加減速機構驅動方式。大多數關節為多自由度關節，而多自 由度關節的運動是通過幾個關節通過連桿連接利用平移和旋轉運動協調運 動產生的，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，動態性能較差。而且機械 傳動系統誤差的累計導致整個控制系統的精度下降，甚至影響系統的穩定 性
發明內容
本發明的目的是針對現有關節存在的上述問題，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 性能好，具有可以繞過定點空間軸旋轉的多自由度的磁懸浮球形主動關節。
本發明的目的實現的技術方案是，磁懸浮球形主動關節，包括底座、關 節定子、關節轉子、轉動臂、檢測控制系統，其特征是底座與關節定子固定 為一體，關節定子內部形狀為一開口的球形內表面，關節轉子與轉動臂固定 為一體，關節轉子外表面呈球形，關節轉子設置在關節定子內，轉動臂通過 關節定子開口處伸向外端，關節定子球形內表面與關節轉子球形外表面之間 在二者同心時存在一定的氣隙，關節定子上布置有至少2個夾持機構和若干
檢測關節轉子位置和運動速度的傳感器；所述的檢測控制系統設有控制關節 轉子懸浮及轉動姿態和運動速度或轉動速度的DSP數字控制器、驅動電路、 開關功率放大器、逆變器、整流穩壓電路、傳感器、信號處理電路。
所述的檢測控制系統，由傳感器不斷地檢測關節轉子的位置姿態(徑向 位移和切向位移)，經過信號處理電路處理后由DSP數字控制器進行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控制信號控制開關功率放大器和逆變器，使經過穩壓整流的電 源提供給關節定子繞組的電流，隨PWM脈沖信號變化而調節支承關節轉子 的懸浮磁力和驅動球形關節轉子轉動的電磁轉矩，以支承球形關節轉子穩定 懸浮并驅動關節轉子按給定指令轉動。
所述的關節定子采用具有良好導磁性能的材料制成，其球形內表面為開 有溝槽的球形內包絡面，溝槽將整個球形內表面分為幾何形狀相同的微小單 元面，以形成內球面凸極定子，并沿著平行于以球心為坐標原點的三維坐標 面的溝槽內，分別設有三相或多相通電線圈繞組，以實現對球形轉子的徑向 穩定懸浮和三個旋轉自由度方向的驅動。所述的球形關節轉子由具有良好導磁性能的材料制成，其球形外表面開 有相互垂直且連續的溝槽，溝槽將整個球形外表面分為幾何形狀相同的微小 單元面，以形成球面凸極轉子，凸極轉子的溝槽內設導線體構成轉子繞組或
電樞繞組。
所述的夾持機構由電磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵構成，關節不工作 時在彈簧力作用下處于夾持狀態，關節工作時在電磁力作用下處于松開狀態。
所述DSP數字控制器用來完成對關節轉子姿態位置、速度的采樣及實 時計算，對關節轉子姿態位置和速度及關節定子繞組電流的控制，以及產生 PWM控制波實現機電能量轉換支承關節轉子懸浮并旋轉。
本發明結構簡單、緊湊，球形關節轉子與關節定子之間實現無摩擦、無 磨損，動態性能好，響應速度快。綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現球 形關節的懸浮支承并驅動關節轉子轉動，具有可以繞過定點空間軸旋轉的多 自由度的磁懸浮球形主動關節。
檢測控制系統控制關節轉子懸浮及轉動姿態和運動速度或轉速，DSP數 字控制器用來完成對關節轉子姿態位置、速度的采樣及實時計算，對關節轉 子姿態位置和速度及關節定子繞組電流的控制，以及PWM控制波產生從而 實現機電能量轉換支承關節轉子懸浮并旋轉等功能；驅動電路將數字控制器 輸出的PWM控制波功率放大以驅動控制功率開關器件的關斷與導通；功率 驅動變換電路由開關功率晶體管(或晶閘管)、二極管等組成，轉子懸浮控 制采用橋式開關功率放大器，轉子旋轉控制采用橋式逆變器，其輸出端連接 磁懸浮關節定子繞組，向磁懸浮關節提供支承轉子懸浮和驅動轉子轉動的電 源；整流穩壓電路由功率開關管、電容、電感等構成的橋式電路，其作用是 將向磁懸浮球形關節繞組提供的交流電源變換為穩定的直流電源；傳感器包括檢測關節轉子徑向位移的各傳感器、轉動速度傳感器以及繞組電流傳感器 等；信號處理電路實現關節轉子位置和轉速檢測，電流信號檢測及預處理等 功能。
磁懸浮球形主動關節工作過程中，由傳感器不斷地檢測轉子的位置姿態 (徑向位移和切向位移)，并對其進行調制、放大、解調、濾波等信號處理，
將處理后轉子位置姿態信號由DSP數字控制器進行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，使經過穩壓整流的電源電流隨PWM脈沖 信號變化，調節關節定子繞組產生的電磁懸浮磁力，以支承關節轉子懸浮于 平衡位置；PWM旋轉控制信號控制逆變器，使經過穩壓整流的電源電流隨 PWM脈沖信號變化，調節關節定子繞組產生的電磁轉矩，以控制關節轉子 按照所給定的角位移或角速度指令旋轉，即在DSP數字控制器的控制下， 關節定子繞組將產生懸浮磁力和磁力矩，支承轉子穩定懸浮并驅動轉子按給 定指令轉動。
圖1是本發明的磁懸浮球形主動關節系統示意框圖2是本發明的球形關節本體結構示意圖3是本發明的球形關節本體的外形結構示意圖。
圖中l螺栓，2轉動臂，3關節轉子，4氣隙(間隙)，5關節定子，6 傳感器，7傳感器支架，8夾持機構，9底座，IO固定套，ll溝槽，12傳感 器，13螺釘，14溝槽，15轉子托架，16傳感器，17連接螺釘。
具體實施例方式
如圖1所示，磁懸浮球形主動關節，由球形關節本體，功率放大器，逆 變器，整流穩壓器，驅動器，傳感器，信號處理電路，DSP數字控制器等組成。
如圖2、圖3所示，球形關節本體結構由支承關節的底座9、關節轉子3、 關節定子5、轉動臂2等組成。底座9與磁懸浮(無軸承)球形關節定子5 通過連接螺釘17固定為一體，關節定子5內部形狀為一開口的球形內表面， 在球形內表面開有溝槽11，溝槽將整個球形內表面分為幾何形狀相同的微小 單元面，以形成內球面凸極定子。并沿著平行于以球心為坐標原點的各三維 坐標面的溝槽內，分別下有三相或多相通電線圈繞組5。在關節定子上水平 面內，在最大直徑截面處對稱布置4個的電磁鐵夾持機構8。夾持機構由電 磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵構成，關節不工作時在彈簧力作用下處于夾 持狀態，關節工作時在電磁力作用下處于松開狀態。在關節定子上布置檢測 轉子徑向位移和旋轉角位移的傳感器6、 12、 16等。關節轉子3外表面呈球 形，球形關節轉子3與轉動臂2通過固定套IO連接固定為一體，球形關節 轉子3設置在關節定子球形內表面構成的球形空間內，轉動臂2通過關節定 子5開口處伸向外端;關節定子5球形內表面與關節轉子3球形外表面之間， 在二者同心時存在一定的氣隙(間隙)4。關節轉子球形外表面開有相互垂 直且連續的溝槽14，溝槽將整個球表面分為幾何形狀相同的微小單元面，以 形成球形關節的凸極轉子。
關節定子采用具有良好導磁性能的材料制成，其球形內表面為開有溝槽 的球形內包絡面，溝槽將整個球形內表面分為幾何形狀相同的微小單元面， 以形成內球面凸極定子，并沿著平行于以球心為坐標原點的各三維坐標面的 溝槽內，分別設有三相或多相通電線圈繞組，以實現對球形轉子的徑向穩定 懸浮和三個旋轉自由度方向的驅動。關節轉子由具有良好導磁性能的材料制 成，其球形外表面開有相互垂直且連續的溝槽，溝槽將整個球形外表面分為 幾何形狀相同的微小單元面，以形成球面凸極轉子，凸極轉子的溝槽內設導線體構成轉子繞組或電樞繞組。
磁懸浮球形主動關節的工作過程關節處于停機狀態時，由電磁鐵夾持機構8中在彈簧力的作用下，將關節球形關節轉子3的姿態鎖定于平衡位置。關節處于無轉懸浮時，向磁懸浮主動關節系統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8銜鐵在電
磁力的作用下，松開球形關節轉子3。指令信號與傳感器6、 12、 16檢測的轉子姿態位置信號由DSP數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懸浮控制信號控制開關功率放大器，使經過穩壓整流的電源提供給關節定子溝槽11中繞組的電流，隨PWM脈沖信號變化而調節支承轉子3的懸浮磁力，PWM旋轉控制信號控制逆變器，使經過穩壓整流的電源提供給關節定子繞組的電流隨PWM脈沖信號變化而調節轉子的磁力矩，在懸浮磁力和磁力矩綜合作用下將球形轉子3控制在夾持狀態時的姿態，以達到球形轉子不旋轉的穩定懸浮。關節懸浮轉動時，關節在不旋轉的穩定懸浮基礎上，輸入沿某個轉動自由度方向的角位移和轉速指令信號，經數字控制器進行信號調節后輸出PWM旋轉控制信號，去調節控制逆變器的各功率晶體管，使經過穩壓整流電路整流的直流電源由逆變器按照PWM脈沖控制信號規律向關節繞組供電，以產生電磁轉矩驅動轉子按所給指令要求旋轉。
權利要求
1、一種磁懸浮球形主動關節，包括底座、關節定子、關節轉子、轉動臂、檢測控制系統，其特征是底座與關節定子固定為一體，關節定子內部形狀為一開口的球形內表面，關節轉子與轉動臂固定為一體，關節轉子外表面呈球形，關節轉子設置在關節定子內，轉動臂通過關節定子開口處伸向外端，關節定子球形內表面與關節轉子球形外表面之間在二者同心時存在一定的氣隙，關節定子上布置有至少2個夾持機構和若干檢測關節轉子位置和運動速度的傳感器；所述的檢測控制系統設有控制關節轉子懸浮及轉動姿態和運動速度或轉動速度的DSP數字控制器、驅動電路、開關功率放大器、逆變器、整流穩壓電路、傳感器、信號處理電路。
2、 根據權利要求1所述的磁懸浮球形主動關節，其特征是所述的檢測 控制系統由傳感器不斷地檢測關節轉子的位置姿態，經過信號處理電路處 理后由DSP數字控制器進行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控制信號控制開關功率放 大器和逆變器，使經過穩壓整流的電源提供給關節定子繞組的電流，隨 PWM脈沖信號變化而調節支承關節轉子的懸浮磁力和驅動球形關節轉子 轉動的電磁轉矩，以支承球形關節轉子穩定懸浮并驅動關節轉子按給定指 令轉動。
3、 根據權利要求1所述的磁懸浮球形主動關節，其特征是所述的關節 定子采用具有良好導磁性能的材料制成，其球形內表面為開有溝槽的球形 內包絡面，溝槽將整個球形內表面分為幾何形狀相同的微小單元面，以形 成內球面凸極定子，并沿著平行于以球心為坐標原點的各三維坐標面的溝 槽內，分別設有三相或多相通電線圈繞組，以實現對球形轉子的徑向穩定 懸浮和三個旋轉自由度方向的驅動。
4、 根據權利要求1所述的磁懸浮球形主動關節，其特征是所述的球形 關節轉子由具有良好導磁性能的材料制成，其球形外表面開有相互垂直且 連續的溝槽，溝槽將整個球形外表面分為幾何形狀相同的微小單元面，以 形成球面凸極轉子，凸極轉子的溝槽內設導線體構成轉子繞組或電樞繞組。
5、 根據權利要求1所述的磁懸浮球形主動關節，其特征是所述的夾持 機構由電磁鐵鐵芯、線圈繞組、夾持銜鐵構成，關節不工作時在彈簧力作 用下處于夾持狀態，關節工作時在電磁力作用下處于松開狀態。
6、 根據權利要求1所述的磁懸浮球形主動關節，其特征是所述DSP 數字控制器用來完成對關節轉子姿態位置、速度的采樣及實時計算，對關 節轉子姿態位置和速度及關節定子繞組電流的控制，以及產生PWM控制 波實現機電能量轉換支承關節轉子懸浮并旋轉。
全文摘要
磁懸浮球形主動關節，屬于機電一體化技術領域。包括底座、關節定子、關節轉子、轉動臂、檢測控制系統，底座與關節定子固定為一體，關節定子內部形狀為一開口的球形內表面，關節轉子設置在關節定子內，關節轉子與轉動臂固定為一體，轉動臂通過關節定子開口處伸向外端，關節定子球形內表面與關節轉子球形外表面之間在二者同心時存在一定的氣隙，關節定子上布置有至少2個夾持機構和若干檢測關節轉子位置和運動速度的傳感器。綜合應用磁懸浮技術和電機技術，實現球形關節的懸浮支承并驅動關節轉子轉動。本發明結構簡單、緊湊，球形關節轉子與關節定子之間實現無摩擦、無磨損，動態性能好，響應速度快。
文檔編號B25J13/00GK101537625SQ20091003156
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月23日 優先權日2009年4月23日
發明者靜 劉, 姜明明, 丹 張, 勵 曾, 王張合 申請人:揚州大學