一种用于机器人关节的球形电机的制作方法

1.本实用新型属于球形电机技术领域，特别是涉及一种用于机器人关节的球形电机。


背景技术：

2.机器人应用需求广泛，机器人关节的发展关系到机器人的推广速度和应用领域。机器人需要在有限的空间内完成多自由度组合运动，尤其是三自由度旋转运动的实现较为复杂。目前的机器人关节大多采用伺服电机配合减速机模式，该种模式制造复杂、体积庞大、控制繁琐。目前虽然有研究采用球形电机的驱动模式，但还不成熟，尤其是在精密传动、精确控制等方面还处于方案试验阶段，尚没有完整的可行的解决方法；具体存在的问题为：一是定子与转子定位困难，不易形成稳定的球面轴承；二是全闭环反馈还不易实现。因此，亟需开发一种制造简单、体积小、精密控制且控制简单、运动灵活的机器人关节。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种用于机器人关节的球形电机，该球形电机制造简单、体积小、控制简单灵活，能够实现a向360度连续旋转，可以与支撑轴进行b向与c向正负20度的偏转，可以在三个旋转自由度组合运动，能够实现角度闭环控制，能够有效解决目前机器人关节存在的问题。本实用新型是这样实现的，一种用于机器人关节的球形电机，包括定子模块、转子模块和控制模块；
4.所述定子模块包括支撑轴、姿态传感器一、定子球壳和电磁铁；所述支撑轴用于将球形电机固定在机器人其它基础支撑机构上，所述姿态传感器一安装在支撑轴上，所述定子球壳的底部固定安装在支撑轴上；所述定子球壳内表面呈m层n列布置安装电磁铁，各层电磁铁均沿纬度方向布置，每层均匀布设有n个电磁铁，各层电磁铁的数量相等，各列电磁铁均沿经度方向布置，且各个电磁铁均指向定子球壳球心；
5.所述转子模块包括转子轴、转子内球、转子铁块、转子上外壳、转子下外壳和姿态传感器二；所述转子内球固定安装在转子轴的下部，所述转子内球的外表面呈p层q列布置安装转子铁块，各层转子铁块均沿纬度方向布置，每层均匀布设有q个转子铁块，各层转子铁块的数量相等，各列转子铁块均沿经度方向布置，且各个转子铁块均指向转子内球球心，所述转子内球球心与定子球壳球心重合于一点，所述转子铁块外端面与转子内球上转子铁块槽的槽口平齐，所述转子内球外表面与各个电磁铁相适配，转子内球外表面与电磁铁端面之间设置有微小间隙；在纬度方向所述转子铁块的层数大于电磁铁的层数，每层的转子铁块的数量大于每层的电磁铁的数量；所述转子上外壳套设在转子轴上，且转子上外壳顶部与转子轴配合，转子上外壳底部与转子下外壳通过螺栓和销钉连接，转子上外壳和转子下外壳构成的球形内表面与定子球壳外表面接触，使转子模块可在定子模块内转动，且转子模块不会脱离定子模块；所述姿态传感器二安装在转子轴上；
6.控制模块包括工控机、plc、模拟量输出模块，所述工控机分别与姿态传感器一、姿
态传感器二连接，接收两个姿态传感器反馈的三维角度，所述工控机与plc连接，所述plc与模拟量输出模块连接，所述模拟量输出模块用于给某个或某几个电磁铁提供可变模拟量电压，所有电磁铁指向转子铁块侧的磁极相同，吸引最近的转子铁块使转子模块转动一定角度。
7.在上述技术方案中，优选的，各列转子铁块中相邻两个转子铁块在球面上的距离均相等，各列电磁铁中相邻两个电磁铁在球面上的距离均相等；各列转子铁块中相邻两个转子铁块与球心连线的夹角为α，各列电磁铁中相邻两个电磁铁与球心连线的夹角为β，α与β的关系为β/2＜α＜β。
8.在上述技术方案中，优选的，所述支撑轴为设有中心通孔的中空轴，靠近姿态传感器一处的支撑轴上开设有轴侧孔一，所述轴侧孔一用于姿态传感器一的连接电线通过支撑轴中心通孔引向工控机。
9.在上述技术方案中，优选的，所述支撑轴穿过定子球壳底部通孔，且所述支撑轴顶部设置的外沿搭设在定子球壳上；所述定子球壳的底部和支撑轴之间设置有胀紧套一，并通过套设在支撑轴上的锁紧螺母一使定子球壳和支撑轴胀紧固定。
10.在上述技术方案中，优选的，所述支撑轴的底部固定安装有连接法兰一，通过连接法兰一将球形电机固定在机器人其它基础支撑机构上。
11.在上述技术方案中，优选的，所述转子轴为阶梯轴，所述转子轴下部小径段部分穿过转子内球，且转子轴底部和转子内球之间设置有胀紧套二，并通过套设在转子轴上的锁紧螺母二使转子内球和转子轴胀紧固定。
12.在上述技术方案中，优选的，所述转子轴为设有中心通孔的中空轴，靠近转子内球处的转子轴上开设有轴侧孔二，所述轴侧孔二用于内部电磁铁散热，热气通过该轴侧孔二进入转子轴中心通孔向上排出。
13.在上述技术方案中，优选的，靠近姿态传感器二处的转子轴上开设有轴侧孔三，所述轴侧孔三用于姿态传感器二的连接电线通过转子轴中心通孔引向支撑轴中心通孔，进而引向工控机。
14.在上述技术方案中，优选的，所述转子上外壳顶部与转子轴配合处的转子轴上设置有凸台，使转子上外壳顶部搭设在转子轴的凸台上。
15.在上述技术方案中，优选的，所述转子轴的顶部连接有连接法兰二，所述连接法兰二和转子轴之间设置有胀紧套三，通过拧紧胀紧套三的胀紧套螺栓使连接法兰二和转子轴胀紧固定。
16.与现有技术相比，本实用新型具有的优点和积极效果是：
17.1、本实用新型通过在定子模块上安装电磁铁、转子模块上安装转子铁块，并通过模拟量输出模块给电磁铁提供可变模拟量电压，使得任何一个电磁铁都能在输入可变模拟量电压时提供不同的磁场强度和吸引力，进而可使多个电磁铁根据两个姿态传感器反馈的角度按需求施加模拟量电压形成磁力合力，控制转子模块转动。
18.2、本实用新型的支撑轴和转子轴上分别安装一个姿态传感器，并设置精密的球形轴承，通过两个姿态传感器的反馈来调整转子模块，使其可在三个自由度组合旋转运动，能够实现角度闭环控制，实现精密传动、精确控制。
19.3、本实用新型的球形电机制造简单、体积小、控制装置简易、控制简单灵活，能够
实现a向360度连续旋转，可以与支撑轴进行b向与c向正负20度的偏转，可以在三个旋转自由度组合运动，实现了三维旋转运动机器人关节的单一控制，能准确地完成运动定位和轨迹控制，大幅度提高控制的集成性能，减小设备的复杂程度和控制信息量，能够有效解决目前机器人关节存在的问题。
附图说明
20.图1是本实用新型的球形电机的立体图；
21.图2是本实用新型的定子模块的立体图；
22.图3是本实用新型的转子模块的立视图；
23.图4是本实用新型的球形电机的主体图；
24.图5是图4的a
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a剖视图；
25.图6是图5的b
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b剖视图；
26.图7是图5的c
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c剖视图；
27.图8是本实用新型的工控机与plc、姿态传感器的电路原理图；
28.图9是本实用新型的模拟量输出模块与电磁铁的电路原理图。
29.图中：1、连接法兰一；2、支撑轴；201、支撑轴中心通孔；202、轴侧孔一；3、姿态传感器一；4、螺栓一；5、电磁铁；6、螺栓二；7、定子球壳；8、涨紧套一；9、锁紧螺母一；10、转子内球；11、转子下外壳；12、转子上外壳；13、螺栓三；14、销钉；15、转子轴；151、转子轴中心通孔；152、轴侧孔二；153、轴侧孔三；16、传感器安装套；17、螺栓四；18、姿态传感器二；19、螺栓五；20、锁紧螺母三；21、连接法兰二；22、涨紧套三；221、胀紧套螺栓；23、涨紧套二；24、转子铁块；25、螺栓六；26、锁紧螺母二。
具体实施方式
30.为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
31.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
32.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.实施例
34.如图1～9所示，本实用新型的实施例提供一种用于机器人关节的球形电机，包括定子模块、转子模块和控制模块，定子模块与转子模块机械连接，控制模块通过控制线束分别与定子模块、转子模块连接。
35.所述定子模块包括支撑轴2、姿态传感器一3、定子球壳7和电磁铁5；所述支撑轴2
为设有中心通孔的中空轴，所述支撑轴2的底部固定安装有连接法兰一1，通过连接法兰一1将球形电机定子模块固定在机器人其它基础支撑机构上。所述姿态传感器一3通过螺栓一4安装在支撑轴2上，靠近姿态传感器一3处的支撑轴2上开设有轴侧孔一202，姿态传感器一3的连接电线通过轴侧孔一202穿入支撑轴中心通孔201引向工控机。所述支撑轴2穿过定子球壳7底部通孔，且通过支撑轴2顶部设置的外沿搭设在定子球壳7上；所述定子球壳7的底部和支撑轴2之间设置有胀紧套一8，并通过套设在支撑轴2上的锁紧螺母一9使定子球壳7和支撑轴2胀紧固定，进而使定子球壳7的底部固定安装在支撑轴2上。所述定子球壳7内表面呈m层n列布置安装电磁铁5，各层电磁铁5均沿纬度方向布置，每层均匀布设有n个电磁铁5，各个电磁铁5均通过螺栓二6安装在定子球壳7内表面上，各层电磁铁5的数量相等，各列电磁铁5均沿经度方向布置，各个电磁铁5的连接电线通过支撑轴中心通孔201引向模拟量输出模块，且各个电磁铁5均指向定子球壳7球心。
36.所述转子模块包括转子轴15、转子内球10、转子铁块24、转子上外壳12、转子下外壳11和姿态传感器二18；所述转子轴15为阶梯轴，所述转子轴15下部小径段部分穿过转子内球10，且转子轴15底部和转子内球10之间设置有胀紧套二23，并通过套设在转子轴15上的锁紧螺母二26使转子内球10和转子轴15胀紧固定，进而使转子内球10固定安装在转子轴15的下部。所述转子内球10的外表面呈p层q列布置安装转子铁块24，各层转子铁块24均沿纬度方向布置，每层均匀布设有q个转子铁块24，各层转子铁块24的数量相等，各列转子铁块24均沿经度方向布置，具体为，在转子内球10的外表面开设有与转子铁块24对应的转子铁块槽，各个转子铁块24均通过螺栓六25安装在转子铁块槽内，且各个转子铁块24均指向转子内球10球心；所述转子内球10球心与定子球壳7球心重合于一点，所述转子铁块外端面与转子内球上转子铁块槽的槽口平齐，所述转子内球10外表面与各个电磁铁5相适配，转子内球外表面与电磁铁端面之间设置有微小间隙0.1mm。在纬度方向所述转子铁块24的层数p大于电磁铁5的层数m，每层的转子铁块24的数量q大于每层的电磁铁5的数量n；各列转子铁块24中相邻两个转子铁块24在球面上的距离均相等，各列电磁铁5中相邻两个电磁铁5在球面上的距离均相等；各列转子铁块24中相邻两个转子铁块24与球心连线的夹角为α，各列电磁铁5中相邻两个电磁铁5与球心连线的夹角为β，α与β的关系为β/2＜α＜β。所述转子上外壳12套设在转子轴15上，且转子上外壳12顶部与转子轴15配合，转子上外壳12底部与转子下外壳11通过螺栓三13连接，转子上外壳12和转子下外壳11构成的球形内表面与定子球壳7外表面接触，使转子模块可在定子模块内转动，且转子模块不会脱离定子模块。所述转子轴15为设有中心通孔的中空轴，靠近转子内球10处的转子轴15上设有轴侧孔二152，所述轴侧孔二152用于内部电磁铁5散热，热气通过该轴侧孔二152进入转子轴中心通孔151向上排出。所述姿态传感器二18安装在转子轴15上，靠近姿态传感器二18处的转子轴15上设有轴侧孔三153，姿态传感器二18的连接电线通过轴侧孔三153穿入转子轴中心通孔151引向支撑轴中心通孔201然后引向工控机，本实施例中，先在转子轴15上套装传感器安装套16，并通过螺栓四17将传感器安装套16安装在转子轴15上，然后再通过螺栓五19将姿态传感器二18安装在传感器安装套16上，之后再通过锁紧螺母三20锁紧固定。
37.安装时，先安装下两层电磁铁5，然后将安装好转子轴15和转子铁块24的转子内球10插入定子球壳7内，然后再安装最上层电磁铁5，上层电磁铁5的连接电线通过下层电磁铁5的缝隙引向支撑轴中心通孔201然后引向模拟量输出模块；将转子上外壳12安装在转子轴
15上，转子上外壳12与定子球壳7紧贴在一起，然后用螺栓三13和销钉14将转子上外壳12和转子下外壳11紧固为整体球壳；安装后转子内球10球心、定子球壳7球心、转子上外壳12和转子下外壳11构成整体球壳的球心，三者的同心度小于0.03mm，定子球壳7与转子上外壳12和转子下外壳11的配合间隙在0.02
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0.03mm区间，在其中涂润滑脂。
38.控制模块包括工控机、plc、模拟量输出模块，所述工控机分别与姿态传感器一3、姿态传感器二18连接，接收两个姿态传感器反馈的三维角度，所述工控机与plc连接，所述plc与模拟量输出模块连接，所述模拟量输出模块用于给某个或某几个电磁铁5提供可变模拟量电压，所有电磁铁指向转子铁块侧的磁极相同，吸引最近的转子铁块24使转子模块转动一定角度。
39.优选的，所述转子上外壳12顶部与转子轴15配合处的转子轴15上设置有凸台，使转子上外壳12顶部搭设在转子轴15的凸台上。
40.优选的，所述转子轴15的顶部连接有连接法兰二21，所述连接法兰二21和转子轴15之间设置有胀紧套三22，通过拧紧胀紧套三22的胀紧套螺栓221使连接法兰二21和转子轴15胀紧固定，通过连接法兰二21将球形电机转子模块安装固定在机器人其它执行部件上。
41.本实施例中，定子模块的定子球壳7内表面上安装有3层电磁铁5，每层安装12个电磁铁5，而转子模块的转子内球10上安装有5层转子铁块24，每层安装25个转子铁块24。模拟量输出模块可以提供0
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10v的直流模拟量电压，即任何一个电磁铁5都能在输入可变模拟量电压时提供不同的磁场强度和吸引力，如果多个电磁铁5按照计算结果按需求施加模拟量电压形成磁力合力，按照姿态传感器提供的当前角度位置和目标角度位置计算运动角度，步距角可以控制到小于0.1度。采用转子内球10上安装有5层25列转子铁块24，在定子模块和转子模块倾斜时形成螺旋布局，是为了在输出部分转子模块发生b向和c向转动时，可以同样实现位置控制。
42.本实施例中，两个姿态传感器选用lpms
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ig1 rs232金属外壳姿态传感器，电磁铁5选用ele
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p25/20 24v圆形电磁铁5，工控机采用东田工控机(ipc
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510h61芯片组)，plc采用西门子s7
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1200plc(1214c标准cpu)，模拟量输出模块采用西门子sm1232模拟量输出模块，共9个模拟量输出模块；每个模拟量输出模块连接4个电磁铁5。
43.本实用新型的具体工作过程如下：
44.工作时，姿态传感器一3向工控机反馈支撑轴2的初始三维角度，姿态传感器二18向工控机反馈转子轴15的初始三维角度，在控制模块中计算所有电磁铁5和转子铁块24的空间位置；plc可以通过模拟量输出模块给每个电磁铁5提供0～10v可变模拟量电压。众所周知，电磁铁5的电压与电磁铁5吸引力成线性关系，根据工作需要，精准控制某一个或某几个电磁铁5按照电压需求得电，所有电磁铁指向转子铁块侧的磁极相同，电磁铁5得电时吸引距离最近的转子铁块24，将转子模块转动一定角度，再平稳转换到其它电磁铁5按照电压需求得电，将转子模块转动一定角度，直至转子模块到达指定的位置；可以驱动转子轴15绕支撑轴2中心旋转进行a向360度连续旋转，可以与支撑轴2偏转进行b向正负20度或c向正负20度转动，可以完成三个自由度的灵活转动。
45.以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与
修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。