專利名稱：仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，尤其涉及一種適合于驅(qū)動(dòng)仿生眼球在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)。
背景技術(shù)：
多自由度電動(dòng)機(jī)具有機(jī)械集成度高、電機(jī)結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元件利用率高等特點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，提聞系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能，在機(jī)器人等具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。80年代以來(lái)，隨著機(jī)器人和空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，多自由度電動(dòng)機(jī)及其應(yīng)用方面的研究日益受到重視，研究工作十分活躍，各種樣機(jī)層出不窮。從現(xiàn)有資料看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所研制的多自由度電動(dòng)機(jī)大都采用球形結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)原理上看球形結(jié)構(gòu)較為合理，但存在著如結(jié)構(gòu)復(fù)雜加工困難等缺點(diǎn)。
鑒于球形結(jié)構(gòu)多自由度電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和加工困難，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出了一種非球形的正交圓柱結(jié)構(gòu)雙氣隙共磁鋼的兩自由度電動(dòng)機(jī)。圖I是傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分解圖，圖2和圖3分別是該樣機(jī)的兩個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖。該電動(dòng)機(jī)由內(nèi)定子I 28、內(nèi)轉(zhuǎn)子25、外轉(zhuǎn)子I 24、支撐軸I 26、底座I 27、輸出軸I 23、機(jī)殼33、一對(duì)永磁體I 31、一對(duì)橫向軸承I 22、一個(gè)縱向軸承I 29組成。外轉(zhuǎn)子24由硅鋼片疊壓而成，內(nèi)側(cè)圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置外轉(zhuǎn)子繞組30、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組32，輸出軸23設(shè)置在外轉(zhuǎn)子上方。內(nèi)定子28由兩段鐵心組成，兩段鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距。內(nèi)轉(zhuǎn)子25由永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心組成，永磁體31縱向軸向充磁，兩段鐵心內(nèi)側(cè)齒上設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組。內(nèi)轉(zhuǎn)子外部齒端部及內(nèi)部齒端部分別加工成以橫軸和縱軸為軸線的兩個(gè)相互正交的圓柱面，分別與外轉(zhuǎn)子和內(nèi)定子齒表面形成同心圓柱。內(nèi)轉(zhuǎn)子與機(jī)殼固定在一起，外轉(zhuǎn)子通過(guò)橫向軸承與機(jī)殼安裝在一起，從而外轉(zhuǎn)子可相對(duì)于機(jī)殼轉(zhuǎn)動(dòng)。支撐軸通過(guò)縱向軸承與機(jī)殼安裝在一起，從而機(jī)殼可以相對(duì)于支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的工作原理當(dāng)外轉(zhuǎn)子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時(shí)，磁通Φ1經(jīng)永磁體一一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心一氣隙一外轉(zhuǎn)子鐵心一氣隙一另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心一永磁體形成閉合回路，電機(jī)工作于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)轉(zhuǎn)子繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時(shí)，磁通Φ2經(jīng)永磁體一一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心一氣隙一兩段內(nèi)定子鐵心一氣隙一另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心一永磁體形成閉合回路，電機(jī)工作于混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)定子繞縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸隨之自轉(zhuǎn)(當(dāng)輸出軸處于豎直位置時(shí))或側(cè)擺(當(dāng)輸出軸處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí))。磁通Φ1和Φ 2都經(jīng)過(guò)永磁體，兩段氣隙公用了一個(gè)永磁體，即雙氣隙共永磁體，因而該電動(dòng)機(jī)利用一個(gè)永磁體、兩組繞組實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)體積較小，具有較高的性能體積比。盡管與球形結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)相比，傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)化，更容易加工制造，體積更小，但是其在實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在以下問(wèn)題I.由于外轉(zhuǎn)子工作于永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，其步距角即為一個(gè)極距角，而實(shí)際中極距不能太小，否則繞組將無(wú)法放置，因而步距角較大，電動(dòng)機(jī)定位精度較低，運(yùn)動(dòng)平滑性較差；實(shí)際運(yùn)行中內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)定子繞縱軸是不能單一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，否則將導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的兩相繞組無(wú)法放置。2.同時(shí)，驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)要求所用兩自由度電動(dòng)機(jī)的體積更小、質(zhì)量更輕、定位精度更高、運(yùn)行平滑性更好，而且能使眼球(輸出軸末端)在給定范圍內(nèi)一定精度下沿任何軌跡運(yùn)動(dòng)(包括眼球連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng))，而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)是不適合于驅(qū)動(dòng)仿生眼球運(yùn)動(dòng)的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)；可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)仿生眼球在一定范圍內(nèi)一定精度下沿任何軌跡運(yùn)動(dòng)、包括眼球持續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)，而且能夠比傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)體積更小、質(zhì)量更輕、定位精 度更高、運(yùn)行平滑性更好。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子、外定子、底座，底座上設(shè)有支撐軸，內(nèi)定子與支撐軸固定連接，支撐軸上下兩端設(shè)有縱向軸承，縱向軸承與不導(dǎo)磁縱向端蓋配合，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)不導(dǎo)磁縱向端蓋與外轉(zhuǎn)子固定在一起，外定子中心設(shè)有輸出軸，輸出軸所在軸線與縱軸正交，所述的電機(jī)內(nèi)定子和外定子上分別放置兩相的內(nèi)定子繞組、外定子繞組；輸出軸上設(shè)有微型攝像機(jī)，攝像機(jī)軸線與輸出軸軸線重合；夕卜定子與不導(dǎo)磁連桿的一端連接，連桿的另一端與橫向軸承的內(nèi)孔配合，橫向軸承的外圈與不導(dǎo)磁橫向端蓋配合，不導(dǎo)磁橫向端蓋與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接，使得外定子與連桿構(gòu)成的整體能夠繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述外定子包括兩段鐵心，沿鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對(duì)極，每個(gè)極上設(shè)有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組；所述外轉(zhuǎn)子包括弧形永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心，鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子包括環(huán)形永磁體，環(huán)形永磁體兩側(cè)分別設(shè)有一段鐵心，鐵心沿圓周分布四對(duì)極，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組，鐵心內(nèi)部均勻布置若干小齒，兩側(cè)鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部齒端部、外轉(zhuǎn)子外部齒端部分別加工成以縱軸、橫軸為軸線的兩個(gè)相互正交的圓柱面，兩個(gè)圓柱面分別與內(nèi)定子、夕卜定子齒表面形成同心圓柱。外定子的兩個(gè)圓弧端面分別與不導(dǎo)磁連桿的第二端面通過(guò)焊接連接；不導(dǎo)磁橫向端蓋兩端的內(nèi)圓弧面與內(nèi)轉(zhuǎn)子的外圓柱面通過(guò)焊接連接，使得外定子與連桿構(gòu)成的整體能夠繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所述輸出軸上設(shè)有微型攝像機(jī)，攝像機(jī)軸線與輸出軸軸線重合。本發(fā)明工作原理當(dāng)內(nèi)定子的兩相繞組按A— B — (-A) — (-B)的順序通電時(shí)，ΦI經(jīng)環(huán)形永磁體一一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心一氣隙一兩段內(nèi)定子鐵心一氣隙一另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子鐵心一環(huán)形永磁體形成閉合回路，電機(jī)工作于兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對(duì)于內(nèi)定子繞支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸實(shí)現(xiàn)水平擺動(dòng)。當(dāng)外定子的兩相繞組按A— B—(-A) — (-B)的順序通電時(shí)，Φ2經(jīng)弧形永磁體一一段外轉(zhuǎn)子鐵心一氣隙一兩段外定子鐵心一氣隙一另一段外轉(zhuǎn)子鐵心一弧形永磁體形成閉合回路，電機(jī)同樣是工作于兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，外定子相對(duì)于外轉(zhuǎn)子繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。做個(gè)合適的比喻，電機(jī)兩個(gè)自由度各自的運(yùn)動(dòng)使輸出軸末端運(yùn)行的軌跡分別類似地球儀上的經(jīng)線和緯線。在實(shí)際當(dāng)中，電機(jī)的兩個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)都是在一定極限轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍之內(nèi)的，即可認(rèn)為電機(jī)輸出軸能夠在最大經(jīng)度經(jīng)線和最大維度緯線所圍成的一段球面范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，前提是不超出這一限定的球面范圍)。因此，只要實(shí)際要求的仿生眼球的運(yùn)動(dòng)范圍在上述最大經(jīng)度線和最大緯度線所圍成的一段球面范圍之內(nèi)，則本發(fā)明可驅(qū)動(dòng)眼球(輸出軸末端)在要求范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng))。本發(fā)明的有益效果是I.電機(jī)兩個(gè)自由度磁路上相互獨(dú)立，實(shí)際是兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)通過(guò)機(jī)械機(jī)構(gòu)組合在一起，因而可以按照對(duì)一個(gè)兩相混合式步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行分析的方法來(lái)對(duì)這兩個(gè)自由度的電機(jī)分別獨(dú)立進(jìn)行分析，使分析方便；兩個(gè)自由度的電機(jī)都工作于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，步距角是齒距角的1/4，并且實(shí)際當(dāng)中內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的齒距角是可以做得足夠小的(而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)有一個(gè)自由度工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，步距角為一個(gè)極距角，但是實(shí)際當(dāng)中極距不能太小，否則將無(wú)法放置繞組)，因而可提高電機(jī)定位精度以 及改善運(yùn)行平滑性；可以驅(qū)動(dòng)仿生眼球在要求范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng))；體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化。2.本發(fā)明的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)定位精度高，運(yùn)行平滑性好(相比于傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)而言)。這是因?yàn)楸景l(fā)明兩個(gè)自由度的電機(jī)都工作于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，則步距角為齒距角的1/4 (對(duì)于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)而言，步距角為齒距角的1/4，此乃本領(lǐng)域的公知常識(shí)，在此不再贅述)，并且實(shí)際當(dāng)中內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的齒距角可以做得足夠??；而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)中一個(gè)自由度電機(jī)工作于混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，另一個(gè)自由度電機(jī)卻是工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，步距角即為一個(gè)極距角(對(duì)于兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)而言，步距角為一個(gè)極距角，此乃本領(lǐng)域的公知常識(shí)，在此不再贅述)，而實(shí)際當(dāng)中極距不能太小，否則將無(wú)法放置繞組。
圖I為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分解圖；圖2為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)第一個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)原理不意圖；圖3為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)第二個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；圖5是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)分解圖；圖6是本發(fā)明第一個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖7是本發(fā)明第二個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖8是在初始位置時(shí)仿生眼球的正視圖；圖9是在初始位置時(shí)仿生眼球的側(cè)視圖；圖10是仰視角為40°時(shí)仿生眼球的側(cè)視圖；圖11是仿生眼球?qū)嶋H運(yùn)行范圍的經(jīng)緯線法標(biāo)記示意圖；圖12是仰視角為40°時(shí)仿生眼球達(dá)到實(shí)際仰視運(yùn)動(dòng)極限的位置示意圖；圖13是用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球(只取了一半)在初始位置時(shí)的原理示意圖；圖14是用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球(只取了一半)在仰視角為40°時(shí)的原理示意圖15是用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)，眼球在給定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)精度不意圖；
圖16是用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)，眼球在給定范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)精度示意圖。圖中，I、縱向軸承,2、不導(dǎo)磁縱向端蓋,3、內(nèi)轉(zhuǎn)子,4、環(huán)形永磁體,5、不導(dǎo)磁橫向端蓋，6、橫向軸承,7、不導(dǎo)磁連桿,8、內(nèi)定子,9、夕卜轉(zhuǎn)子，10、弧形永磁體,11、夕卜定子，12、輸出軸，13、支撐軸，14、底座，15、內(nèi)定子繞組，16、外定子繞組，22、橫向軸承I，23、輸出軸I，24、外轉(zhuǎn)子I，25、內(nèi)轉(zhuǎn)子，26、支撐軸I，27、底座I，28、內(nèi)定子I，29、縱向軸承I，30、外轉(zhuǎn)子繞組I，31、永磁體I，32、內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，33、機(jī)殼，41、眼皮，42、眼殼，43、眼球，44、攝像機(jī)，45、開(kāi)孔區(qū)域，46、實(shí)際給定仿生眼球運(yùn)行區(qū)域，47、東經(jīng)40 °經(jīng)線，48、北緯40 °緯線，49、西經(jīng)40°經(jīng)線，50、南緯40°緯線，51、仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，55、內(nèi)圓弧面,71、第二端面，111、圓弧端面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子3、內(nèi)定子8、外轉(zhuǎn)子9、外定子
11、底座14，底座14上設(shè)有支撐軸13，內(nèi)定子8與支撐軸13固定連接，支撐軸13上下兩端設(shè)有縱向軸承1，縱向軸承I與不導(dǎo)磁縱向端蓋2配合，內(nèi)轉(zhuǎn)子3通過(guò)縱向端蓋2與外轉(zhuǎn)子9固定在一起，外定子11中心設(shè)有輸出軸12，輸出軸12所在軸線與縱軸正交，所述的電機(jī)內(nèi)定子8和外定子11上分別放置兩相的內(nèi)定子繞組15、外定子繞組16 ;輸出軸12上設(shè)有微型攝像機(jī)，攝像機(jī)軸線與輸出軸軸線重合；外定子11與不導(dǎo)磁連桿7的一端連接，連桿7的另一端與橫向軸承6的內(nèi)孔配合,橫向軸承6的外圈與不導(dǎo)磁橫向端蓋5配合,不導(dǎo)磁橫向端蓋5與內(nèi)轉(zhuǎn)子3連接，使得外定子11與連桿7構(gòu)成的整體能夠繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)；所述外定子11包括兩段鐵心，沿鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對(duì)極，每個(gè)極上設(shè)有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組；所述外轉(zhuǎn)子9包括弧形永磁體10及其兩側(cè)的兩段鐵心組成，鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子3包括環(huán)形永磁體4，環(huán)形永磁體4兩側(cè)分別設(shè)有一段鐵心，鐵心沿圓周分布四對(duì)極，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組，鐵心內(nèi)部均勻布置若干小齒，兩側(cè)鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子3內(nèi)部齒端部、外轉(zhuǎn)子9外部齒端部分別加工成以縱軸、橫軸為軸線的兩個(gè)相互正交的圓柱面，兩個(gè)圓柱面分別與內(nèi)定子8、外定子11齒表面形成同心圓柱。當(dāng)內(nèi)定子的兩相繞組按A—B一 (-A) 一(-B)的順序通電時(shí)，Φ I經(jīng)環(huán)形永磁體4 — 一段內(nèi)轉(zhuǎn)子3鐵心一氣隙一兩段內(nèi)定子8鐵心一氣隙一另一段內(nèi)轉(zhuǎn)子3鐵心一環(huán)形永磁體4形成閉合回路，電機(jī)工作于兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子3連同外轉(zhuǎn)子9相對(duì)于內(nèi)定子8繞支撐軸13轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸12實(shí)現(xiàn)水平擺動(dòng)。當(dāng)外定子11的兩相繞組按A-B- (-A) - (-B)的順序通電時(shí)，Φ2經(jīng)弧形永磁體10 ——段外轉(zhuǎn)子9鐵心一氣隙一兩段外定子11鐵心一氣隙一另一段外轉(zhuǎn)子9鐵心一弧形永磁體10形成閉合回路，電機(jī)同樣是工作于兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，外定子11相對(duì)于外轉(zhuǎn)子9繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸出軸12實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。外定子11的兩個(gè)圓弧端面111分別與不導(dǎo)磁連桿7的第二端面71通過(guò)焊接連接；不導(dǎo)磁橫向端蓋5兩端的內(nèi)圓弧面55與內(nèi)轉(zhuǎn)子3的外圓柱面通過(guò)焊接連接，使得外定子11與連桿7構(gòu)成的整體能夠繞橫軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
所述輸出軸12上設(shè)有微型攝像機(jī)44，攝像機(jī)44軸線與輸出軸12軸線重合。由圖13可知，在實(shí)際用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)，仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)51大部分都放置于仿生眼球內(nèi)部，本發(fā)明的輸出軸上裝有微型攝像機(jī)，且需將本發(fā)明的支撐軸做成如圖所示的結(jié)構(gòu)，并且只能從開(kāi)孔區(qū)域45以內(nèi)引出到仿生眼球外部以進(jìn)行固定。由圖14所示，仿生眼球中的眼殼42、眼球43、攝像機(jī)44為轉(zhuǎn)動(dòng)部分，眼殼42、眼球43、攝像機(jī)44三者固定在一起，隨本發(fā)明的輸出軸12—起同步運(yùn)動(dòng)；仿生眼球中的眼皮41是固定不動(dòng)的，與支撐軸13相對(duì)靜止。由圖10所示，當(dāng)仿生眼球仰視角為40° (僅就本例而言)時(shí)，眼球的邊緣恰好到達(dá)頂層眼皮處，而眼殼則運(yùn)動(dòng)到圖示位置。一旦仿生眼球仰視角大于40°，則眼球的一部分就被眼皮遮住了，這是不允許的。根據(jù)球體的對(duì)稱性可知，當(dāng)眼球的邊緣緊靠著眼皮邊緣運(yùn)動(dòng)一周(即眼球運(yùn)動(dòng)的極限范圍)時(shí)，眼殼的邊緣運(yùn)動(dòng)一周的軌跡形成一個(gè)開(kāi)孔區(qū)域45，如圖10所示。由于此開(kāi)孔區(qū)域是仿生眼球在限定的極限 范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，眼殼所不能到達(dá)的區(qū)域，因此就可以將支撐軸和繞組的引線從該開(kāi)孔區(qū)域穿出來(lái)。就本例本發(fā)明而言，仿生眼球的中心點(diǎn)即攝像機(jī)鏡頭的中心處的給定極限運(yùn)行范圍如圖11中的實(shí)際給定仿生眼球運(yùn)行區(qū)域46所示。據(jù)此范圍，本例設(shè)計(jì)了如圖11所示的眼皮范圍和眼球大小，使得當(dāng)眼球43的中心點(diǎn)到達(dá)給定極限運(yùn)行范圍46時(shí)，眼球43的邊緣恰好到達(dá)眼皮41邊緣。由圖12所示，當(dāng)仿生眼球仰視角為40°時(shí)，眼球43的中心點(diǎn)恰好達(dá)到給定極限運(yùn)行范圍46的頂點(diǎn)，同時(shí)眼球43的邊緣恰好達(dá)到眼皮41邊緣的頂點(diǎn)。用經(jīng)緯線法來(lái)說(shuō)明，實(shí)際給定仿生眼球運(yùn)行區(qū)域46恰好包含在南緯40°緯線50，北緯40°緯線48，東經(jīng)40°經(jīng)線47和西經(jīng)40°經(jīng)線49所圍成的球面區(qū)域范圍之內(nèi)，且是這一區(qū)域的內(nèi)切球面，如圖11所示。因此，只要將本發(fā)明中兩個(gè)自由度步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度都設(shè)計(jì)為3 40°，就可以滿足仿生眼球以一定精度在實(shí)際給定仿生眼球運(yùn)行區(qū)域46之內(nèi)運(yùn)行的要求。為了對(duì)本發(fā)明定位精度高，運(yùn)行平滑性好的優(yōu)點(diǎn)作進(jìn)一步說(shuō)明，將用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)的定位精度與用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生眼球時(shí)的定位精度進(jìn)行了比較(在此特別說(shuō)明，實(shí)際中是不能用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)仿生眼的，正如前面討論過(guò)的，原因是實(shí)際中存在繞組無(wú)法放置的問(wèn)題，而本發(fā)明則不存在這一問(wèn)題，因而這里的比較僅是從理論上進(jìn)行比較)，如圖15，圖16所示。具體如下假設(shè)本發(fā)明的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)與傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的內(nèi)定子齒數(shù)相同，則兩者第一自由度的齒距角相等，同時(shí)由于兩者均不需放置繞組，則齒距角可以做得足夠小，這里假設(shè)齒距角為7. 2° ;同時(shí)假設(shè)本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子齒數(shù)與內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等，則本發(fā)明的第二自由度的齒距角也是7. 2° ;由于傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子齒上需放置繞組，極距不能太小，在此假設(shè)其外轉(zhuǎn)子的齒距角(極距角)為12°。由于本發(fā)明和傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)第一自由度的電機(jī)均工作于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，則步距角為齒距角的1/4，即I. 8°。本發(fā)明的第二自由度電機(jī)同樣是工作于兩相混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，則步距角為齒距角的1/4，即I. 8° ;而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的第二自由度電機(jī)卻是工作于兩相永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，則步距角與極距角相等，即12°。由圖15可見(jiàn)，對(duì)于用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生眼球運(yùn)動(dòng)的情況(僅在理論上)而言，在上述假設(shè)條件下，仿生眼球中心點(diǎn)所能達(dá)到的位置就是圖15中所示的實(shí)際給定仿生眼球運(yùn)行區(qū)域46 (包括46邊界)以內(nèi)的圓周與線段的交點(diǎn)在球面上的對(duì)應(yīng)位置?？梢?jiàn)，仿生眼球的定位精度在給定的運(yùn)行區(qū)域之內(nèi)是不斷變化的，越靠近給定運(yùn)行區(qū)域中心處，定位精度越高；反之，越是遠(yuǎn)離給定運(yùn)行區(qū)域的中心處，定位精度越低。同時(shí)，由于其第二自由度的步距角較大，加重了仿生眼球的定位精度分布的不均勻性。因而，用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)仿生眼球在整個(gè)給定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，平滑性較差。由圖16可見(jiàn)，對(duì)于用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球運(yùn)動(dòng)的情況而言，在上述假設(shè)條件下，仿生眼球中心點(diǎn)所能達(dá)到的位置就是圖16中所示實(shí)際給定仿生眼球運(yùn)行區(qū)域46 (包括46邊界)以內(nèi)的經(jīng)線與緯線的交點(diǎn)在球面上的對(duì)應(yīng)位置。可見(jiàn)，仿生眼球的定位精度在給定的運(yùn)行區(qū)域之內(nèi)是均勻不變的，而且本發(fā)明的兩個(gè)自由度電機(jī)的步距角都很小。因而，用本發(fā)明驅(qū)動(dòng)仿生眼球在整個(gè)給定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，平滑性較好。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)?！?br>
權(quán)利要求
1.一種仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子、外定子、底座，底座上設(shè)有支撐軸，內(nèi)定子與支撐軸固定連接，支撐軸上端設(shè)有縱向軸承，縱向軸承與不導(dǎo)磁縱向端蓋配合，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)縱向端蓋與外轉(zhuǎn)子固定在一起，夕卜定子中心設(shè)有輸出軸，輸出軸所在軸線與縱軸正交，所述的電機(jī)內(nèi)定子和外定子上分別放置兩相的內(nèi)定子繞組、外定子繞組；外定子與不導(dǎo)磁連桿的一端連接，連桿的另一端與橫向軸承的內(nèi)孔配合，橫向軸承的外圈與不導(dǎo)磁橫向端蓋配合，不導(dǎo)磁橫向端蓋與內(nèi)轉(zhuǎn)子連接；所述外定子包括兩段鐵心，沿鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對(duì)極，每個(gè)極上設(shè)有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組；所述外轉(zhuǎn)子包括弧形永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心，鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子包括環(huán)形永磁體，環(huán)形永磁體兩側(cè)分別設(shè)有一段鐵心，鐵心沿圓周分布四對(duì)極，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組，鐵心內(nèi)部均勻布置若干小齒，兩側(cè)鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部齒端部、外轉(zhuǎn)子外部齒端部分別加工成以縱軸、橫軸為軸線的兩個(gè)相互正交的圓柱面，兩個(gè)圓柱面分別與內(nèi)定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
2.如權(quán)利要求I所述的仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，其特征是，所述外定子的兩個(gè)圓弧端面分別與不導(dǎo)磁連桿的第二端面通過(guò)焊接連接；不導(dǎo)磁橫向端蓋兩端的內(nèi)圓弧面與內(nèi)轉(zhuǎn)子的外圓柱面通過(guò)焊接連接。
3.如權(quán)利要求I所述的仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，其特征是，所述輸出軸上設(shè)有微型攝像機(jī)，攝像機(jī)軸線與輸出軸軸線重合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種仿生眼球用兩自由度混合式步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)轉(zhuǎn)子、內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子、外定子、底座，底座上設(shè)有支撐軸，內(nèi)定子與支撐軸固定連接，內(nèi)轉(zhuǎn)子通過(guò)縱向端蓋與外轉(zhuǎn)子固定在一起，外定子中心設(shè)有輸出軸，所述的電機(jī)內(nèi)定子和外定子上分別放置兩相的內(nèi)定子繞組、外定子繞組；外定子安裝在內(nèi)轉(zhuǎn)子上，連桿與橫向軸承內(nèi)孔配合，橫向軸承外圈與不導(dǎo)磁橫向端蓋配合；所述外定子包括兩段鐵心；所述外轉(zhuǎn)子包括弧形永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子包括環(huán)形永磁體，環(huán)形永磁體兩側(cè)分別設(shè)有一段鐵心；所述內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)部齒端部、外轉(zhuǎn)子外部齒端部分別加工成以縱軸、橫軸為軸線的兩個(gè)相互正交的圓柱面，兩個(gè)圓柱面分別與內(nèi)定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
文檔編號(hào)H02K16/00GK102946176SQ20121052948
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者徐衍亮, 魯炳林, 馬昕, 顧建軍 申請(qǐng)人:山東大學(xué)