本發明專利技術公開了一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，包括內轉子、內定子、外轉子、外定子、底座，底座上設有支撐軸，內定子與支撐軸固定連接，內轉子通過縱向端蓋與外轉子固定在一起，外定子中心設有輸出軸，所述的電機內定子和外定子上分別放置兩相的內定子繞組、外定子繞組；外定子安裝在內轉子上，連桿與橫向軸承內孔配合，橫向軸承外圈與不導磁橫向端蓋配合；所述外定子包括兩段鐵心；所述外轉子包括弧形永磁體及其兩側的兩段鐵心；所述內轉子包括環形永磁體，環形永磁體兩側分別設有一段鐵心；所述內轉子內部齒端部、外轉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定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術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動仿生眼球在一定范圍內運動的仿生眼球用兩自由度混合式步進電機。
技術介紹
多自由度電動機具有機械集成度高、電機結構材料和驅動控制系統元件利用率高等特點，可以大大簡化機械系統的結構，減小體積和重量，提聞系統的精度和動態性能，在機器人等具有多個運動自由度的系統中具有廣泛的應用前景。80年代以來，隨著機器人和空間技術的迅猛發展，多自由度電動機及其應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。從現有資料看，國內外學者所研制的多自由度電動機大都采用球形結構，從結構原理上看球形結構較為合理，但存在著如結構復雜加工困難等缺點。 鑒于球形結構多自由度電動機結構復雜和加工困難，哈爾濱工業大學提出了一種非球形的正交圓柱結構雙氣隙共磁鋼的兩自由度電動機。圖I是傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機的結構分解圖，圖2和圖3分別是該樣機的兩個自由度的結構原理示意圖。該電動機由內定子I 28、內轉子25、外轉子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。外轉子24由硅鋼片疊壓而成，內側圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內設置外轉子繞組30、內轉子繞組32，輸出軸23設置在外轉子上方。內定子28由兩段鐵心組成，兩段鐵心上的小齒互錯1/2齒距。內轉子25由永磁體及其兩側的兩段鐵心組成，永磁體31縱向軸向充磁，兩段鐵心內側齒上設置兩相勵磁繞組。內轉子外部齒端部及內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，分別與外轉子和內定子齒表面形成同心圓柱。內轉子與機殼固定在一起，外轉子通過橫向軸承與機殼安裝在一起，從而外轉子可相對于機殼轉動。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動。傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機的工作原理當外轉子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時，磁通Φ1經永磁體一一段內轉子鐵心一氣隙一外轉子鐵心一氣隙一另一段內轉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，外轉子相對于內轉子繞橫軸轉動，使輸出軸實現俯仰運動；當內轉子的兩相繞組按A-B- (-A)- (-B)的順序通電時，磁通Φ2經永磁體一一段內轉子鐵心一氣隙一兩段內定子鐵心一氣隙一另一段內轉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，內轉子連同外轉子相對于內定子繞縱軸轉動，使輸出軸隨之自轉(當輸出軸處于豎直位置時)或側擺(當輸出軸處于偏轉狀態時)。磁通Φ1和Φ 2都經過永磁體，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。盡管與球形結構電動機相比，傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機在結構上更加簡化，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I.由于外轉子工作于永磁式步進電動機狀態，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；實際運行中內轉子連同外轉子相對于內定子繞縱軸是不能單一方向持續轉動的，否則將導致內轉子和外轉子的兩相繞組無法放置。2.同時，驅動仿生眼球時要求所用兩自由度電動機的體積更小、質量更輕、定位精度更高、運行平滑性更好，而且能使眼球(輸出軸末端)在給定范圍內一定精度下沿任何軌跡運動(包括眼球連續地轉動)，而傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機是不適合于驅動仿生眼球運動的。
技術實現思路
本專利技術的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機；可以實現驅動仿生眼球在一定范圍內一定精度下沿任何軌跡運動、包括眼球持續地轉動，而且能夠比傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機體積更小、質量更輕、定位精 度更高、運行平滑性更好。 為了實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，包括內轉子、內定子、外轉子、外定子、底座，底座上設有支撐軸，內定子與支撐軸固定連接，支撐軸上下兩端設有縱向軸承，縱向軸承與不導磁縱向端蓋配合，內轉子通過不導磁縱向端蓋與外轉子固定在一起，外定子中心設有輸出軸，輸出軸所在軸線與縱軸正交，所述的電機內定子和外定子上分別放置兩相的內定子繞組、外定子繞組；輸出軸上設有微型攝像機，攝像機軸線與輸出軸軸線重合；夕卜定子與不導磁連桿的一端連接，連桿的另一端與橫向軸承的內孔配合，橫向軸承的外圈與不導磁橫向端蓋配合，不導磁橫向端蓋與內轉子連接，使得外定子與連桿構成的整體能夠繞橫軸轉動；所述外定子包括兩段鐵心，沿鐵心內側圓周分布兩對極，每個極上設有若干小齒，極間槽內設置兩相勵磁繞組；所述外轉子包括弧形永磁體及其兩側的兩段鐵心，鐵心外側均勻布置若干小齒，兩段鐵心上的小齒互錯1/2齒距；所述內轉子包括環形永磁體，環形永磁體兩側分別設有一段鐵心，鐵心沿圓周分布四對極，極間槽內設置兩相勵磁繞組，鐵心內部均勻布置若干小齒，兩側鐵心上的小齒互錯1/2齒距；所述內轉子內部齒端部、外轉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定子、夕卜定子齒表面形成同心圓柱。外定子的兩個圓弧端面分別與不導磁連桿的第二端面通過焊接連接；不導磁橫向端蓋兩端的內圓弧面與內轉子的外圓柱面通過焊接連接，使得外定子與連桿構成的整體能夠繞橫軸轉動。所述輸出軸上設有微型攝像機，攝像機軸線與輸出軸軸線重合。本專利技術工作原理當內定子的兩相繞組按A— B — (-A) — (-B)的順序通電時，ΦI經環形永磁體一一段內轉子鐵心一氣隙一兩段內定子鐵心一氣隙一另一段內轉子鐵心一環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，內轉子連同外轉子相對于內定子繞支撐軸轉動，使輸出軸實現水平擺動。當外定子的兩相繞組按A— B—(-A) — (-B)的順序通電時，Φ2經弧形永磁體一一段外轉子鐵心一氣隙一兩段外定子鐵心一氣隙一另一段外轉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，外定子相對于外轉子繞橫軸轉動，使輸出軸實現俯仰運動。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動角度范圍之內的，即可認為電機輸出軸能夠在最大經度經線和最大維度緯線所圍成的一段球面范圍內以一定精度沿任意軌跡運動(包括持續轉動，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度線和最大緯度線所圍成的一段球面范圍之內，則本專利技術可驅動眼球(輸出軸末端)在要求范圍內以一定精度沿任意軌跡運動(包括持續轉動)。本專利技術的有益效果是I.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，步距角是齒距角的1/4，并且實際當中內轉子和外轉子的齒距角是可以做得足夠小的(而傳統的正交圓柱結構兩自由度電動機有一個自由度工作于永磁式步進電機狀本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種仿生眼球用兩自由度混合式步進電機，包括內轉子、內定子、外轉子、外定子、底座，底座上設有支撐軸，內定子與支撐軸固定連接，支撐軸上端設有縱向軸承，縱向軸承與不導磁縱向端蓋配合，內轉子通過縱向端蓋與外轉子固定在一起，外定子中心設有輸出軸，輸出軸所在軸線與縱軸正交，所述的電機內定子和外定子上分別放置兩相的內定子繞組、外定子繞組；外定子與不導磁連桿的一端連接，連桿的另一端與橫向軸承的內孔配合，橫向軸承的外圈與不導磁橫向端蓋配合，不導磁橫向端蓋與內轉子連接；所述外定子包括兩段鐵心，沿鐵心內側圓周分布兩對極，每個極上設有若干小齒，極間槽內設置兩相勵磁繞組；所述外轉子包括弧形永磁體及其兩側的兩段鐵心，鐵心外側均勻布置若干小齒，兩段鐵心上的小齒互錯1/2齒距；所述內轉子包括環形永磁體，環形永磁體兩側分別設有一段鐵心，鐵心沿圓周分布四對極，極間槽內設置兩相勵磁繞組，鐵心內部均勻布置若干小齒，兩側鐵心上的小齒互錯1/2齒距；所述內轉子內部齒端部、外轉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定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐衍亮，魯炳林，馬昕，顧建軍，
申請(專利權)人：山東大學，
類型：發明
國別省市：
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