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机器人关节用三自由度球形直流伺服电机_图文

高 技 术通 讯

机器 人 关节 用三 自由 度 球 形 直流 伺 服 电机 ①


日 收到

苏仲 飞

刘 昌旭

韦平 顺
西安

高维 彦
,





,

郑春 萍

西 北工 业大学

宝 成仪 表厂

宝鸡

摘 介 绍 了作 者 研 制 的 三 自 由 度 球 形 直 流 电 机
力 矩 以 及 制 造 工 艺特 点等
.


,

阐 述 了它 的 结 构 特 点
,

,

性 能 指标

,

翰出

试 制 结 果 达 到 了设 计 的 要 求

成 为 我 国 第一 台 研 制 成 功 的 多

自由 度 球 形 电 机

.

关键词

机器人

,

三 自由 度

,

球 形 电机


年代 以来
,

,



雀,
二二



,

日等 国 竟 相 研 究 多 自由度 球 形 电机
.

出应 用 于 机 器 人 或 其 它 领 域 的 产 品

现 有 的机 器 人 过 于 笨 重
,


转角
,

,

试 图 按 不 同 的 电机 原 理 来 设 计 与 制 造
,



,

六 个 关 节 都是 单 自 由度 的
,

,



别 由单 个 电 机 来 驱 动

.

如 果 改 为 多 自由度 电机 驱 动
,

就 可 以 减 少 关 节 与 电机 数 目及 相 应 的 减 速 及

传动 机 构

.

例如

,

腕 关 节 的 三 个 转 动动作
,
.

若 由一 个三 自 由度 球 形 电机 来 实 现 便 于 实现 冗 余 自由度 的 操 作
,

就可

简 化结 构 提 高 精 度 消 除 传 动 间 隙与变 形
,

减轻重量

个 自由度 的机 械 臂 的操 作

"



即多于六

年代 初 期 曾 出 现 一 些 步 进 型 多 自 由度 电 机 设 计 专 利
曾发 表 了 交 流 型 和 步 进 型 电机 的设 计 思 想
,

年美国乔治亚理工大学 的 年 日本 东 京农 业 大 学
"

,

等 人 研 究 了 超 声 型 电 机 的设 计 思 想


然而直到
,

年 在 日本 东 京 举 办 的

'

国际 工业机器 人
,

上 才 正 式 展 出 由安 川 电 机 等 六 家单 位 联 合 开 发 的 第 一 台三 自由度 电 机 的样 品
,

但 只提供 了简

要 的 技术 指 标
系 统 基 本理 论 和 助

如表
》 书 一
,



.

早在

年代

乌 克 兰 科 学 院 的学 者
,

二二 就 著了
,

《三

自 由度 电 机 电气

介 绍 了 他 的 实 验 型 交 流 电机 模 型 着 重 于 理 论 研 究
我 国 华 中理 工 大 学 在
, ,

年英 国 的 年 也 有 这 方 面 的博士
,

也 著文 介 绍 过 自行 设 计 的这 种 电 机
,

论文

但 由于 交 流 型 球 形 电机 结 构 复 杂
.

在 实现 上 存 在 很 大 的 困 难
,
.

所 以 一 直未 制 作 出产 品
,


,

未 见 到 应 用 方 面 的报 道 我 们从 年 制 造 出 第 一 台原 型 机
,

年 开 始 以 无 刷 直 流 型 球 形 电机 为方 向 进 行 了 概 念 性 研 究 接着
,

证 实 了 其 原 理 可行
.



计划的

"

八五

"

规 划 中立 项

,



已 完 成 工 程 型 样 机 的 试 制 与 初 步 实验 研 究


本 电 机 为稀 土 永 磁
,

,

电机 原 理 与 结 构
见图
,

无刷

,

三 自由度 力 矩 型 电机
,

转 子 为 内框 架 式

,

转子轴
,

即图

中输 出 轴

可 连 带 转 子 内 球 壳 绕 自身 转 动 镇士
.

而 输 出 轴 的外 套 则 可 绕 两 个 分 别 装 在 内 外框 架 上 且 互
.

相 垂 直 的轴 实 现 两 个 方 向 的摆 动
和 倾斜

这样

,

对 输 出轴 来 说 可 实 现 旋 转

俯仰
,

三 个 转 角 的运 动

如果 在 输 出 轴 上 装 有 机 器 人 的 终端 执行 器




计 划 资助 项 目



苏 仲 飞等 机 器 人 关 节 用 三 自由度 球 形 直 流 伺 服 电机

就可实现 它 的定 向
,

.

在 转 动 过 程 中 各 轴分 别 有 精 密 的 导 电塑 料 电位 计 检 测 其 转 角 它 的 线 性 度 镇
,

,

转 角分
,

辨 率 若采用


,

变换 时 毛
,



.

各 轴 装 有 一 电磁 制 动 器 可 产 生 不 小 于
,
.

的正 压 力 当
,

输运到 位后

,

能精 确 地 定 位
"

并将位置锁定
,

转 子 扼 为球 形 壳 体 极 各 占有 圆 周 角
,

在 赤道 士

纬 度 内 的周 边 上 粘 有 两 组 六 片球 面 形 稀 土 永 磁 磁 片
它 具 有很 高 的 矫顽 力及磁 能积

,

极及 提高 了

其 材 料 为钱 铁 硼
.

而 且 易 于 加工

,

磁 片 的尺 寸 及 形 状 精 度

输出轴

三 自 由 度 电机技 术 指标
水平

安 川 电机

动作 范 围

垂直
仰 位 俯 什 电
回转

速度
倾斜 电 位 计

最高 最低

转 日
士 士


停止精度

水平

垂直
回转



球 形 电机 结 构 原 理 示 意 图

电机 重 量 输 出力矩 矩


从图

中 可看 出
,

,

定子磁扼 为外球形 壳体 的气隙 纬度
,
. .
,

,

紧 贴 内壁 有 三 组 互 为 直 角 的 定 子 绕组
两 组 绕 组 按 纬 线 方 向绕 制
, ,

,

它也具有 经度
,

球 形 壳体 形 状

与转 子 间有
,

各 占有

.


,

绕 组 按 经 线 方 向 绕制
使转 子 轴 实 现 绕
现绕
,

占有
.



,

绕 组 以 及 霍 尔 元 件 组 成 的 换 向 器 按 无 刷 电 机 的 原理
则可实现绕

轴 的旋 转
,

而 由

绕 组 通 以 正 反 电流

轴或

轴 的 电磁 力 矩



轴 的正 反 转 动

转子 在 三 个 方 向定 位 后

三 个 装 在 轴 上 的 电磁 铁 分 别 实 现

制动

,

转 子 即在 该 方 位 锁 定
.

.


,

的顶 视 图 为去 掉 内外 球

壳仅 为 框 架 的结构
的 电位 计
.

可 以 看 出绕
剖视 图可 以


两 垂 直转 动 的轴 线及 装 设 从


看 到 球表 面 转子 上 粘 有 的 两 排 磁 片 构
,

气 隙 以 及 定子 绕 组 与 球 形 外 图 中未 详 细 表 明绕 组 结 还 可 以 看 到 相 应 的 电磁 铁
.

丹一

'

卜书 勺 口

壳体
,

本 电机 的 主 要 指 标
球 外径 输 出力 矩




矩暂


输出



三 自由 度 球形 直 流 电 机 的 结 构

高技 术 通 讯
运动 三 自由 度 型
,


,



转动



簇士

摆动
位置伺服型


.



摆动

.

电机 驱 动
转 角分 辨 率
.

位微机控制

功率三极 管

驱动

,

角位置 检 测 与 反 馈 控 制 带有
式速度控制
.

采 用 精 密 导 电塑 料 电位 计

的线性 度

,



变换器

,

带有 位 置锁 定 装 置 本 电机 的 特 点 为
采 用 稀 土永 磁直 流 型

三轴锁定
,

电磁 铁 失 电 制 动

,

弹簧 正 压 力

公斤

.

避 免 了 交 流 型 复 杂 的 磁 路 设 计 及 矽 钢 片冲制
,

利用一对磁极

,

三 组 绕组
, ,

就 实 现 了三 个 自 由度 的 转 动
,

内框 架 位 于 球 心


结 构 紧凑

三 相 输 出 力 矩 避 免 了藕 合 现 象
,

绕组 采 用 特 殊方 法 绕 制
采 用 紧 凑 的 电磁 制 动
,

无 绕组 固定框架

充分 利 用 有 限 空 间 加 大 安 匝 数
.

,

提 高 了输 出 力

有效地 提 高 了定位精度


绕组 采 用
. ,

,

输 出 力矩
,

直 径 的 自粘性 漆包 线

分 别 绕制

,

,

三个绕组
.

,

匝数
,

分别为 每 片厚

,

极 磁 片各 六 片
一组

,

分 布 于 赤道 上 下
电磁 输 出力 矩 为
一 刁

之间

,

纬 度 的 扇形 区 内

,

气 隙磁 感 应 强 度 式中

高斯
,

.

定 子 绕 组 平均 直径
,

定子绕组 有效 长 度

一'

,

定 子 绕 组 有 效 工 作 电流
·

,

安培 安

.

代 入 有关参 数
安 安
.

得到绕

轴 的力 矩 为 轴力矩 为

一'









,







参 考 文献 国 」 家科委 〕
,

计 划 自动 化 领 域 办 公 室 《

自动化 技 术 领 域
,

年 出 国 报告

,



,



,

,

,

,

,

,

'

,





,


, ,

,

,



·

,




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