專利名稱：仿生眼球用兩自由度混合式步進電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
仿生眼球用兩自由度混合式步進電機技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種兩自由度混合式步進電機，尤其涉及一種適合于驅(qū)動仿生眼球在一定范圍內(nèi)運動的仿生眼球用兩自由度混合式步進電機。
背景技術(shù)：
[0002]多自由度電動機具有機械集成度高、電機結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動控制系統(tǒng)元件利用率高等特點，可以大大簡化機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，提聞系統(tǒng)的精度和動態(tài)性能，在機器人等具有多個運動自由度的系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。80年代以來，隨著機器人和空間技術(shù)的迅猛發(fā)展，多自由度電動機及其應(yīng)用方面的研究日益受到重視，研究工作十分活躍，各種樣機層出不窮。從現(xiàn)有資料看，國內(nèi)外學者所研制的多自由度電動機大都采用球形結(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。[0003]鑒于球形結(jié)構(gòu)多自由度電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜和加工困難，哈爾濱工業(yè)大學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機。圖1是傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機的結(jié)構(gòu)分解圖，圖2和圖3分別是該樣機的兩個自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖。該電動機由內(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、機殼33、一對永磁體I 31、一對橫向軸承I 22、一個縱向軸承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)子與機殼固定在一起，外轉(zhuǎn)子通過橫向軸承與機殼安裝在一起，從而外轉(zhuǎn)子可相對于機殼轉(zhuǎn)動。支撐軸通過縱向軸承與機殼安裝在一起，從而機殼可以相對于支撐軸轉(zhuǎn)動。[0004]傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機的工作原理:當外轉(zhuǎn)子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時，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，電機工作于永磁式步進電動機狀態(tài)，外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)轉(zhuǎn)子繞橫軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸實現(xiàn)俯仰運動；當內(nèi)轉(zhuǎn)子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時，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，電機工作于混合式步進電動機狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)定子繞縱軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸隨之自轉(zhuǎn)(當輸出軸處于豎直位置時)或側(cè)擺(當輸出軸處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)時)。磁通Φ1和Φ 2都經(jīng)過永磁體，兩段氣隙公用了一個永磁體，即雙氣隙共永磁體，因而該電動機利用一個永磁體、兩組繞組實現(xiàn)了兩個自由度的運動，電動機體積較小，具有較高的性能體積比。[0005]盡管與球形結(jié)構(gòu)電動機相比，傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機在結(jié)構(gòu)上更加簡化，更容易加工制造，體積更小，但是其在實際運行時存在以下問題:[0006]1.由于外轉(zhuǎn)子工作于永磁式步進電動機狀態(tài)，其步距角即為一個極距角，而實際中極距不能太小，否則繞組將無法放置，因而步距角較大，電動機定位精度較低，運動平滑性較差；實際運行中內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)定子繞縱軸是不能單一方向持續(xù)轉(zhuǎn)動的，否則將導(dǎo)致內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的兩相繞組無法放置。[0007]2.同時，驅(qū)動仿生眼球時要求所用兩自由度電動機的體積更小、質(zhì)量更輕、定位精度更高、運行平滑性更好，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動(包括眼球連續(xù)地轉(zhuǎn)動)，而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機是不適合于驅(qū)動仿生眼球運動的。發(fā)明內(nèi)容[0008]本實用新型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電機；可以實現(xiàn)驅(qū)動仿生眼球在一定范圍內(nèi)一定精度下沿任何軌跡運動、包括眼球持續(xù)地轉(zhuǎn)動，而且能夠比傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機體積更小、質(zhì)量更輕、定位精度更高、運行平滑性更好。[0009]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:[0010]一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，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，攝像機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；所述外定子包括兩段鐵心，沿鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對極，每個極上設(shè)有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組；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極，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組，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、橫軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，兩個圓柱面分別與內(nèi)定子、夕卜定子齒表面形成同心圓柱。[0011]外定子的兩個圓弧端面分別與不導(dǎo)磁連桿的第二端面通過焊接連接；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。所述輸出軸上設(shè)有微型攝像機，攝像機軸線與輸出軸軸線重合。[0012]本實用新型工作原理:當內(nèi)定子的兩相繞組按A— B — (-A) — (-B)的順序通電時，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，電機工作于兩相混合式步進電動機狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子連同外轉(zhuǎn)子相對于內(nèi)定子繞支撐軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸實現(xiàn)水平擺動。當外定子的兩相繞組按A— B—(-A) — (-B)的順序通電時，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，電機同樣是工作于兩相混合式步進電動機狀態(tài)，外定子相對于外轉(zhuǎn)子繞橫軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸實現(xiàn)俯仰運動。[0013]做個合適的比喻，電機兩個自由度各自的運動使輸出軸末端運行的軌跡分別類似地球儀上的經(jīng)線和緯線。在實際當中，電機的兩個自由度運動都是在一定極限轉(zhuǎn)動角度范圍之內(nèi)的，即可認為電機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動(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動，前提是不超出這一限定的球面范圍)。因此，只要實際要求的仿生眼球的運動范圍在上述最大經(jīng)度線和最大緯度線所圍成的一段球面范圍之內(nèi)，則本實用新型可驅(qū)動眼球(輸出軸末端)在要求范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運動(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動)。[0014]本實用新型的有益效果是:[0015]1.電機兩個自由度磁路上相互獨立，實際是兩個獨立的電機通過機械機構(gòu)組合在一起，因而可以按照對一個兩相混合式步進電機進行分析的方法來對這兩個自由度的電機分別獨立進行分析，使分析方便；兩個自由度的電機都工作于兩相混合式步進電機狀態(tài)，步距角是齒距角的1/4，并且實際當中內(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)兩自由度電動機有一個自由度工作于永磁式步進電機狀態(tài)，步距角為一個極距角，但是實際當中極距不能太小，否則將無法放置繞組)，因而可提高電機定位精度以及改善運行平滑性；可以驅(qū)動仿生眼球在要求范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運動(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動)；體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，更易于實現(xiàn)電機的微型化。[0016]2.本實用新型的一個突出的優(yōu)點定位精度高，運行平滑性好(相比于傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機而言)。這是因為本實用新型兩個自由度的電機都工作于兩相混合式步進電機狀態(tài)，則步距角為齒距角的1/4 (對于兩相混合式步進電機而言，步距角為齒距角的1/4，此乃本領(lǐng)域的公知常識，在此不再贅述)，并且實際當中內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子的齒距角可以做得足夠小；而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機中一個自由度電機工作于混合式步進電機狀態(tài)，另一個自由度電機卻是工作于永磁式步進電機狀態(tài)，步距角即為一個極距角(對于兩相永磁式步進電機而言，步距角為一個極距角，此乃本領(lǐng)域的公知常識，在此不再贅述)，而實際當中極距不能太小，否則將無法放置繞組。
[0017]圖1為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機的結(jié)構(gòu)分解圖；[0018]圖2為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機第一個自由度的結(jié)構(gòu)原理不意圖；[0019]圖3為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機第二個自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖；[0020]圖4是本實用新型的整體結(jié)構(gòu)圖；[0021]圖5是本實用新型的結(jié)構(gòu)分解圖；[0022]圖6是本實用新型第一個自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖；[0023]圖7是本實用新型第二個自由度的結(jié)構(gòu)原理示意圖；[0024]圖8是在初始位置時仿生眼球的正視圖；[0025]圖9是在初始位置時仿生眼球的側(cè)視圖；[0026]圖10是仰視角為40°時仿生眼球的側(cè)視圖；[0027]圖11是仿生眼球?qū)嶋H運行范圍的經(jīng)緯線法標記示意圖；[0028]圖12是仰視角為40°時仿生眼球達到實際仰視運動極限的位置示意圖；[0029]圖13是用本實用新型驅(qū)動仿生眼球(只取了一半)在初始位置時的原理示意圖；[0030]圖14是用本實用新型驅(qū)動仿生眼球(只取了一半)在仰視角為40°時的原理示意圖；[0031]圖15是用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機驅(qū)動仿生眼球時，眼球在給定范圍內(nèi)的運動精度不意圖；[0032]圖16是用本實用新型驅(qū)動仿生眼球時，眼球在給定范圍內(nèi)的運動精度示意圖。[0033]圖中，1、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、機殼，41、眼皮，42、眼殼，43、眼球，44、攝像機，45、開孔區(qū)域，46、實際給定仿生眼球運行區(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電機，55、內(nèi)圓弧面,71、第二端面，111、圓弧端面。
具體實施方式
[0034]
以下結(jié)合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。[0035]仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，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，攝像機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；所述外定子11包括兩段鐵心，沿鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對極，每個極上設(shè)有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組；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極，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組，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、橫軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，兩個圓柱面分別與內(nèi)定子8、外定子11齒表面形成同心圓柱。當內(nèi)定子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時，ΦI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，電機工作于兩相混合式步進電動機狀態(tài)，內(nèi)轉(zhuǎn)子3連同外轉(zhuǎn)子9相對于內(nèi)定子8繞支撐軸13轉(zhuǎn)動，使輸出軸12實現(xiàn)水平擺動。當外定子11的兩相繞組按A-B- (-A) - (-B)的順序通電時，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，電機同樣是工作于兩相混合式步進電動機狀態(tài)，外定子11相對于外轉(zhuǎn)子9繞橫軸轉(zhuǎn)動，使輸出軸12實現(xiàn)俯仰運動。[0036]外定子11的兩個圓弧端面111分別與不導(dǎo)磁連桿7的第二端面71通過焊接連接；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。[0037]所述輸出軸12上設(shè)有微型攝像機44，攝像機44軸線與輸出軸12軸線重合。由圖13可知，在實際用本實用新型驅(qū)動仿生眼球時，仿生眼球用兩自由度混合式步進電機51大部分都放置于仿生眼球內(nèi)部，本實用新型的輸出軸上裝有微型攝像機，且需將本實用新型的支撐軸做成如圖所示的結(jié)構(gòu)，并且只能從開孔區(qū)域45以內(nèi)引出到仿生眼球外部以進行固定。[0038]由圖14所示，仿生眼球中的眼殼42、眼球43、攝像機44為轉(zhuǎn)動部分，眼殼42、眼球43、攝像機44三者固定在一起，隨本實用新型的輸出軸12—起同步運動；仿生眼球中的眼皮41是固定不動的，與支撐軸13相對靜止。由圖10所示，當仿生眼球仰視角為40° (僅就本例而言)時，眼球的邊緣恰好到達頂層眼皮處，而眼殼則運動到圖示位置。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)球體的對稱性可知，當眼球的邊緣緊靠著眼皮邊緣運動一周(即眼球運動的極限范圍)時，眼殼的邊緣運動一周的軌跡形成一個開孔區(qū)域45，如圖10所示。由于此開孔區(qū)域是仿生眼球在限定的極限范圍內(nèi)運動時，眼殼所不能到達的區(qū)域，因此就可以將支撐軸和繞組的引線從該開孔區(qū)域穿出來。[0039]就本例本實用新型而言，仿生眼球的中心點即攝像機鏡頭的中心處的給定極限運行范圍如圖11中的實際給定仿生眼球運行區(qū)域46所示。據(jù)此范圍，本例設(shè)計了如圖11所示的眼皮范圍和眼球大小，使得當眼球43的中心點到達給定極限運行范圍46時，眼球43的邊緣恰好到達眼皮41邊緣。由圖12所示，當仿生眼球仰視角為40°時，眼球43的中心點恰好達到給定極限運行范圍46的頂點，同時眼球43的邊緣恰好達到眼皮41邊緣的頂點。[0040]用經(jīng)緯線法來說明，實際給定仿生眼球運行區(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，只要將本實用新型中兩個自由度步進電機的轉(zhuǎn)動角度都設(shè)計為3 40°，就可以滿足仿生眼球以一定精度在實際給定仿生眼球運行區(qū)域46之內(nèi)運行的要求。[0041]為了對本實用新型定位精度高，運行平滑性好的優(yōu)點作進一步說明，將用本實用新型驅(qū)動仿生眼球時的定位精度與用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機驅(qū)動仿生眼球時的定位精度進行了比較(在此特別說明，實際中是不能用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機來驅(qū)動仿生眼的，正如前面討論過的，原因是實際中存在繞組無法放置的問題，而本實用新型則不存在這一問題，因而這里的比較僅是從理論上進行比較)，如圖15，圖16所示。具體如下:假設(shè)本實用新型的內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)與傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機的內(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° ;同時假設(shè)本實用新型的外轉(zhuǎn)子齒數(shù)與內(nèi)轉(zhuǎn)子齒數(shù)相等，則本實用新型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)兩自由度電動機外轉(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°。由于本實用新型和傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機第一自由度的電機均工作于兩相混合式步進電機狀態(tài)，則步距角為齒距角的1/4，即1.8°。本實用新型的第二自由度電機同樣是工作于兩相混合式步進電機狀態(tài)，則步距角為齒距角的1/4，即1.8° ;而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機的第二自由度電機卻是工作于兩相永磁式步進電機狀態(tài)，則步距角與極距角相等，即12°。[0042]由圖15可見,對于用傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動機驅(qū)動仿生眼球運動的情況(僅在理論上)而言，在上述假設(shè)條件下，仿生眼球中心點所能達到的位置就是圖15中所示的實際給定仿生眼球運行區(qū)域46 (包括46邊界)以內(nèi)的圓周與線段的交點在球面上的對應(yīng)位置?？梢?，仿生眼球的定位精度在給定的運行區(qū)域之內(nèi)是不斷變化的，越靠近給定運行區(qū)域中心處，定位精度越高；反之，越是遠離給定運行區(qū)域的中心處，定位精度越低。同時，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)兩自由度電動機驅(qū)動仿生眼球在整個給定運行區(qū)域內(nèi)運動時，平滑性較差。[0043]由圖16可見，對于用本實用新型驅(qū)動仿生眼球運動的情況而言，在上述假設(shè)條件下，仿生眼球中心點所能達到的位置就是圖16中所示實際給定仿生眼球運行區(qū)域46(包括46邊界)以內(nèi)的經(jīng)線與緯線的交點在球面上的對應(yīng)位置?？梢?，仿生眼球的定位精度在給定的運行區(qū)域之內(nèi)是均勻不變的，而且本實用新型的兩個自由度電機的步距角都很小。因而，用本實用新型驅(qū)動仿生眼球在整個給定運行區(qū)域內(nèi)運動時，平滑性較好。[0044]上述雖然結(jié)合附圖對實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，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)圓周分布兩對極，每個極上設(shè)有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組；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極，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵磁繞組，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、橫軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，兩個圓柱面分別與內(nèi)定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
2.如權(quán)利要求1所述的仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，其特征是，所述外定子的兩個圓弧端面分別與不導(dǎo)磁連桿的第二端面通過焊接連接；不導(dǎo)磁橫向端蓋兩端的內(nèi)圓弧面與內(nèi)轉(zhuǎn)子的外圓柱面通過焊接連接。
3.如權(quán)利要求1所述的仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，其特征是，所述輸出軸上設(shè)有微型攝像機，攝像機軸線與輸出軸軸線重合。
專利摘要本實用新型公開了一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，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、橫軸為軸線的兩個相互正交的圓柱面，兩個圓柱面分別與內(nèi)定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
文檔編號H02K16/00GK203014619SQ201220677670
公開日2013年6月19日 申請日期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 申請人:山東大學