專(zhuān)利名稱(chēng)：仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(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電動(dòng)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)的仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(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，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究工作十分活躍，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1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一-A一-B的順序通電時(shí)，磁通Φ I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Φ 2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: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。同時(shí)，由于驅(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))，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正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)；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、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:一種仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子、外定子、底座，底座上設(shè)有支撐軸，內(nèi)定子包括內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部分別固定于支撐軸上，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部之間通過(guò)空氣隔開(kāi)，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部之間互錯(cuò)1/4齒距，內(nèi)定子上部設(shè)有兩段上部鐵心，兩段上部鐵心互錯(cuò)1/2齒距，內(nèi)定子下部設(shè)有兩段下部鐵心，兩段下部鐵心互錯(cuò)1/2齒距，內(nèi)定子上部設(shè)有A相繞組和-A相繞組、內(nèi)定子下部設(shè)有B相繞組和-B相繞組，A相繞組和-A相繞組繞制方向相反，B相繞組和-B相繞組繞制方向相反，支撐軸上設(shè)有縱向軸承，縱向軸承外圈與不導(dǎo)磁縱向端蓋配合，外轉(zhuǎn)子通過(guò)不導(dǎo)磁縱向端蓋與支撐軸連接，從而外轉(zhuǎn)子可以繞支撐軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，外定子上設(shè)有輸出軸，輸出軸固定在外定子的中心，輸出軸所在軸線與縱軸正交，從而輸出軸可隨外定子同步運(yùn)動(dòng)；外定子與不導(dǎo)磁連桿連接，不導(dǎo)磁連桿與橫向軸承的內(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)磁橫向端蓋與縱向端蓋連接，從而外定子既可以與外轉(zhuǎn)子一起繞支撐軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以相對(duì)于內(nèi)定子繞橫軸有限轉(zhuǎn)動(dòng)；外定子包括兩段外定子鐵心，沿外定子鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對(duì)極，每個(gè)極上有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組；夕卜轉(zhuǎn)子7包括弧形永磁體及其兩側(cè)的兩段外轉(zhuǎn)子鐵心，外轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段外轉(zhuǎn)子鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；兩段外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)側(cè)分別開(kāi)有四個(gè)外轉(zhuǎn)子內(nèi)齒，外轉(zhuǎn)子內(nèi)齒分別與內(nèi)定子的上部鐵心、下部鐵心上的齒相對(duì)應(yīng)。外轉(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)相互正交的內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面，內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面分別與內(nèi)定子、外定子齒表面形成同心圓柱。所述A相繞組和-A相繞組串接在一起，只有一個(gè)導(dǎo)線引出端，并從A相繞組端部引出；B相繞組和-B相繞組串接在一起，只有一個(gè)導(dǎo)線引出端，并從B相繞組端部引出。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)磁橫向端蓋的外端面分別與不導(dǎo)磁縱向端蓋的第一端面通過(guò)焊接連接。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)明的工作原理:當(dāng)內(nèi)定子的兩相繞組按A— B—-A一-B的順序通電時(shí)，Φ I經(jīng)弧形永磁體一一段外轉(zhuǎn)子鐵心一氣隙一內(nèi)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)工作于兩相永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，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一-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)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(lèi)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)輸出軸末端的眼球在要求范圍內(nèi)以一定精度沿任意軌跡運(yùn)動(dòng)(包括持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng))。本發(fā)明的有益效果是:1.兩個(gè)自由度的電機(jī)共用一個(gè)永磁體，即雙氣隙共永磁體，電動(dòng)機(jī)體積較小，因而具有較高的性能體積比；內(nèi)定子由相互獨(dú)立的兩部分組成，每一部分均采用錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，兩部分之間也進(jìn)行錯(cuò)齒，實(shí)現(xiàn)了將工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)的這一自由度電機(jī)的步距角變?yōu)闃O距角的1/4 (雖然傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)也有一個(gè)自由度工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，但是其步距角即為一個(gè)極距角，而實(shí)際當(dāng)中極距不能太小，否則將無(wú)法放置繞組，因而步距角較大)，因而在實(shí)際中極距角不能做得很小(否則無(wú)法放置繞組)的情況下，仍可以使步距角減小，從而有利于提高電機(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))，實(shí)際當(dāng)中兩個(gè)自由度的電機(jī)都只需要轉(zhuǎn)動(dòng)有限的角度，便于繞組放置，從而克服了傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)在實(shí)際驅(qū)動(dòng)仿生眼球持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞組無(wú)法放置的問(wèn)題；比傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)體積小得多、重量更輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、空間利用率更高，更易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化以及由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生眼球的微型化。2.本發(fā)明的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、空間利用率高，本發(fā)明內(nèi)定子的體積與傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)相仿，然而本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子體積只有傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子體積的一半左右，同時(shí)本發(fā)明的外定子體積更是比傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)外轉(zhuǎn)子的體積小得多。因此，本發(fā)明更有利于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的微型化，故而特別適合用于仿生眼球的驅(qū)動(dòng)。3.相比于傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)，本發(fā)明定位精度高，運(yùn)行平滑性好。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)的共同點(diǎn)是:一個(gè)自由度的電機(jī)工作于混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，另一個(gè)自由度的電機(jī)工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)。整個(gè)電機(jī)的定位精度取決于其兩個(gè)自由度的電機(jī)的定位精度，對(duì)于第一個(gè)自由度的電機(jī)(工作于混合式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài))而言，若本發(fā)明的外轉(zhuǎn)子的齒距角與傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的內(nèi)定子的齒距角相等，則兩者的定位精度相同。對(duì)于第二個(gè)自由度的電機(jī)(工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài))而言，本發(fā)明的內(nèi)定子采用了獨(dú)特的錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，使得步距角變?yōu)闃O距角的1/4，而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)第二自由度的電機(jī)的步距角卻是與極距角相等。由于實(shí)際的極距不能做得太小，否則無(wú)法放置繞組，同時(shí)考慮到本發(fā)明內(nèi)定子的鐵心半徑較小，而傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子的半徑較大(極距是與極距角大小和半徑大小成正比的)，因此傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的極距角可以做得比本發(fā)明的極距角稍小一些，假設(shè)前者為后者的1/2，這樣本發(fā)明的第二個(gè)自由度電機(jī)的步距角實(shí)際為傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的步距角的1/2。因此，本發(fā)明的第二個(gè)自由度電機(jī)的定位精度較高，則就整體而言，本發(fā)明比傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的定位精度更高，因此驅(qū)動(dòng)仿生眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)平滑性更好。

圖1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)原理示意圖；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是本發(fā)明內(nèi)定子結(jié)構(gòu)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；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，1、縱向軸承,2、不導(dǎo)磁縱向端蓋,3、內(nèi)定子,4、不導(dǎo)磁橫向端蓋,5、橫向軸承，6、不導(dǎo)磁連桿,7、外轉(zhuǎn)子,8、弧形永磁體,9、外定子，10、輸出軸，11、支撐軸，12、底座，13、外轉(zhuǎn)子內(nèi)齒，14、內(nèi)定子繞組,15、外定子繞組,16、內(nèi)定子的第一部分，17、內(nèi)定子的第二部分，18、A相繞組，19、-A相繞組，20、B相繞組，21、-B相繞組，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、用于驅(qū)動(dòng)仿生眼球的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)，59、外端面,60、第一端面,61、第二端面,91、圓弧端面。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明用于驅(qū)動(dòng)仿生眼球做進(jìn)一步說(shuō)明。一種仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)，結(jié)合圖4至圖16，包括內(nèi)定子3、外轉(zhuǎn)子7、外定子9、底座12，底座12上設(shè)有支撐軸11，內(nèi)定子3包括內(nèi)定子上部16、內(nèi)定子下部17,內(nèi)定子上部16、內(nèi)定子下部17分別固定于支撐軸11上，內(nèi)定子上部16、內(nèi)定子下部17之間通過(guò)空氣隔開(kāi)，內(nèi)定子上部16、內(nèi)定子下部17之間互錯(cuò)1/4齒距，內(nèi)定子上部16設(shè)有兩段上部鐵心，內(nèi)定子下部17設(shè)有兩段下部鐵心，內(nèi)定子繞組14包括A相繞組
18、-A相繞組19和B相繞組20、-B相繞組21，內(nèi)定子上部設(shè)有A相繞組18和-A相繞組
19、內(nèi)定子下部設(shè)有B相繞組20和-B相繞組21，兩段上部鐵心上的A相繞組18和-A相繞組19繞制方向相反，兩段下部鐵心上的B相繞組20和-B相繞組21繞制方向相反，支撐軸11上設(shè)有縱向軸承1，縱向軸承I外圈與不導(dǎo)磁的縱向端蓋2配合，縱向端蓋2與外轉(zhuǎn)子7固定在一起，從而外轉(zhuǎn)子7可以繞支撐軸11連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，外定子9上設(shè)有輸出軸10，輸出軸10固定在外定子9的中心，輸出軸10所在軸線與縱軸正交，從而輸出軸10可隨外定子9同步運(yùn)動(dòng)。外定子9與不導(dǎo)磁連桿6連接,不導(dǎo)磁連桿6與橫向軸承5的內(nèi)孔配合,橫向軸承5的外圈與不導(dǎo)磁橫向端蓋4配合,不導(dǎo)磁橫向端蓋4與縱向端蓋2連接,從而外定子9既可以與外轉(zhuǎn)子7 —起繞支撐軸11同步轉(zhuǎn)動(dòng)，又可以相對(duì)于內(nèi)定子3繞橫軸有限轉(zhuǎn)動(dòng)；外定子9包括兩段外定子鐵心，沿外定子鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對(duì)極，每個(gè)極上有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組15。外轉(zhuǎn)子7包括弧形永磁體8及其兩側(cè)的兩段外轉(zhuǎn)子鐵心，外轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段外轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)上的小齒互錯(cuò)1/2齒距；兩段外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)側(cè)分別開(kāi)有四個(gè)外轉(zhuǎn)子內(nèi)齒13，分別與內(nèi)定子3的上部鐵心、下部鐵心上的齒相對(duì)應(yīng)。外轉(zhuǎn)子7內(nèi)部齒端部、外轉(zhuǎn)子7外部齒端部分別加工成以縱軸、橫軸為軸線的兩個(gè)相互正交的內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面，內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面分別與內(nèi)定子3、外定子9齒表面形成同心圓柱。外定子9的兩個(gè)圓弧端面91分別與不導(dǎo)磁連桿6的第二端面61通過(guò)焊接連接；不導(dǎo)磁橫向端蓋4的外端面59分別與不導(dǎo)磁縱向端蓋2的第一端面60通過(guò)焊接連接。所述輸出軸10上設(shè)有微型攝像機(jī)44，攝像機(jī)44軸線與輸出軸10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)，本發(fā)明的用于驅(qū)動(dòng)仿生眼球的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)51大部分都放置于仿生眼球內(nèi)部，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?xún)?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10—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11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(chēng)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的邊緣。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的邊緣頂點(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給定極限運(yùn)行范圍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)明因則不存在這一問(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)明的外轉(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，則兩者第一個(gè)自由度電機(jī)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° ;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，同時(shí)其外轉(zhuǎn)子半徑較大(極距與極距角大小和半徑成正比)，在此假設(shè)其外轉(zhuǎn)子的齒距角(極距角)為10° ;由于本發(fā)明的內(nèi)定子齒上也需放置繞組，極距不能太小，同時(shí)本發(fā)明的內(nèi)定子半徑較小，在此假設(shè)其內(nèi)定子的齒距角(極距角)為24°。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1.8°。本發(fā)明的第二個(gè)自由度的電機(jī)工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，由于內(nèi)定子采用了獨(dú)特的錯(cuò)齒結(jié)構(gòu)，則步距角為齒距角(極距角)的1/4，即6° ;傳統(tǒng)的正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)的第二個(gè)自由度的電機(jī)同樣是工作于永磁式步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)，但是其則步距角與極距角相等，即10°。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中所示的給定極限范圍46 (包括46邊界)以?xún)?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)，由于其第二個(gè)自由度電機(jī)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中所示的給定極限范圍46 (包括46邊界)以?xún)?nèi)的經(jīng)線與緯線的交點(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)本發(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?xún)?nèi)。
權(quán)利要求1.一種仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子、外定子、底座，底座上設(shè)有支撐軸，其特征是，所述內(nèi)定子包括內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部分別固定于支撐軸上，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部之間通過(guò)空氣隔開(kāi)，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部之間互錯(cuò)1/4齒距，內(nèi)定子上部設(shè)有兩段上部鐵心，兩段上部鐵心互錯(cuò)1/2齒距，內(nèi)定子下部設(shè)有兩段下部鐵心，兩段下部鐵心互錯(cuò)1/2齒距，內(nèi)定子上部設(shè)有A相繞組和-A相繞組、內(nèi)定子下部設(shè)有B相繞組和-B相繞組，A相繞組和-A相繞組繞制方向相反，B相繞組和-B相繞組繞制方向相反，支撐軸上設(shè)有縱向軸承，縱向軸承外圈與不導(dǎo)磁的縱向端蓋配合，外轉(zhuǎn)子通過(guò)不導(dǎo)磁的縱向端蓋與支撐軸連接，外定子上設(shè)有輸出軸，輸出軸固定在外定子的中心，輸出軸所在軸線與縱軸正交，夕卜定子與不導(dǎo)磁連桿連接，不導(dǎo)磁連桿與橫向軸承的內(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)磁橫向端蓋與縱向端蓋連接；外定子包括兩段外定子鐵心，沿外定子鐵心內(nèi)側(cè)圓周分布兩對(duì)極，每個(gè)極上有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組；外轉(zhuǎn)子包括弧形永磁體及其兩側(cè)的兩段外轉(zhuǎn)子鐵心，外轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段外轉(zhuǎn)子鐵心上的小齒互錯(cuò)1/2齒距，兩段外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)側(cè)分別開(kāi)有四個(gè)外轉(zhuǎn)子內(nèi)齒，外轉(zhuǎn)子內(nèi)齒分別與內(nèi)定子的上部鐵心、下部鐵心上的齒相對(duì)應(yīng)，外轉(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)相互正交的內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面，內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面分別與內(nèi)定子、外定子齒表面形成同心圓柱。
2.如權(quán)利要求1所述的仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)，其特征是，所述A相繞組和-A相繞組串接在一起，只有一個(gè)導(dǎo)線引出端，并從A相繞組端部引出；B相繞組和-B相繞組串接在一起，只有一個(gè)導(dǎo)線引出端，并從B相繞組端部引出。
3.如權(quán)利要求1所述的仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(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)磁橫向端蓋的外端面分別與不導(dǎo)磁縱向端蓋的第一端面通過(guò)焊接連接。
4.如權(quán)利要求1所述的仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(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。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種仿生眼球用正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度步進(jìn)電機(jī)，包括內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子、外定子、底座，底座上設(shè)有支撐軸，內(nèi)定子包括內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部分別固定于支撐軸上，內(nèi)定子上部、內(nèi)定子下部之間通過(guò)空氣隔開(kāi)，縱向軸承外圈與不導(dǎo)磁的縱向端蓋配合，外轉(zhuǎn)子與支撐軸連接，外定子上設(shè)有輸出軸；外定子通過(guò)安裝在不導(dǎo)磁縱向端蓋上；外定子包括兩段外定子鐵心，外轉(zhuǎn)子包括弧形永磁體及其兩側(cè)的兩段外轉(zhuǎn)子鐵心，外轉(zhuǎn)子鐵心外側(cè)均勻布置若干小齒，兩段外轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)側(cè)分別開(kāi)有四個(gè)外轉(zhuǎn)子鐵心小齒，外轉(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)相互正交的內(nèi)部圓柱面、外部圓柱面。
文檔編號(hào)H02K16/00GK203056800SQ20122067809
公開(kāi)日2013年7月10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)