[发明专利]一种应用于机器人球面关节的关节电机

说明书

一种应用于机器人球面关节的二维运动电机，依据电磁原理设计，主要功能是完成机器人单电机实现二维运动的功能，比如手腕、脚踝等需要球面运动的关节。在一块正方形导磁材料的四个角位置，安装有四个圆柱形永磁体，永磁体的磁极在对角线方向相同，这块复合永磁作为转子；使用相同的结构将永磁体更换为四个线圈，这块复合线圈作为定子。当复合线圈的驱动磁极满足一定条件时，复合永磁会获得任意方向的矢量合成后的驱动力，所以复合永磁会以复合线圈为原点，向平面的任意方向移动。依据此原理设计的电机的电机轴即可以旋转又可以推拉，当加上曲轴连杆后，就可实现精准的球面运动。

技术领域

本发明属于机器人运动控制领域，具体实现机器人的二维运动关节的动力功能。

背景技术

在当前的机器人关节运动中，都是用2个步进电机实现2个活动自由度，驱动电路也是两套独立的驱动系统。无论是从应用的体积、成本、操控的灵活度，都没有一个电机实现2个活动自由度来的直接，简单易控。

发明内容

基于一个电机实现2个自由度的想法，本发明提出了一种具有二维运动的电机。

如图1所示，图1(a)是二维电机定子一个最小单元展开后的二维图坐标，Od是原点，Xd表示电机转子输出轴的旋转方向，Yd表示电机转子输出轴的推拉方向。图1(b)是二维电机转子一个最小单元展开后的二维图坐标，Oz是原点，Xz表示电机转子输出轴的旋转方向，Yz表示电机转子输出轴的推拉方向。

电机的转子具有多个图1(b)所示的最小单元结构，每个最小单元均由永磁体组成。Oz坐标的第一、三象限是永磁体的北极N极，Oz坐标的第二、四象限是永磁体的南极S极。请注意这个转子并不是由两个条形永磁体组成的，而是由4个圆柱形磁体按照图1(b)所示的磁极排列方式，粘合在一块导磁材料上的。

如图2所示，在一块正方形的导磁材料M上，粘合着4个圆柱形永磁体，以Oz坐标为准：第一、三象限的柱形磁体M1、M3的N极在上S极在下；第二、四象限的柱形磁体M2、M4的S极在上N极在下。理论上M1、M2、M3、M4的磁性性能是一样的，所以对外呈现出无规律特性，M1、M3都通过相邻的M2、M4，与空气和底板形成各自的磁路。

为了使M1～M4在导磁材料M所构成的基板上尽量多的通过磁力线，应适当拉开M1～M4彼此的间距，以减小M1～M4磁体之间空气隙的漏磁。

对于图2所示的混合型磁体，如果外部加磁动势给以引导，就会呈现出另外一种特性。

如图3所示，在混合磁体的左边有永磁体M5，极性为上N下S。当M5靠近由M4、M、M3组合成的磁体时，会形成u1所示的磁回路，即形成M5_N→空气隙→M4_S→M4_N→M→M3_S→M3_N→空气隙→M5_S这个磁回路。

这个新形成的u1磁回路打破了原先的3个自由磁回路，即由M1_N→空气隙→M4_S→M4_N→M→M1_S所形成的这个磁回路，M3_N→空气隙→M2_S→M2_N→M→M3_S所形成的这个磁回路，以及M3_N→空气隙→M4_S→M4_N→M→M3_S所形成的这个磁回路。

打破了这3个磁回路的直接结果就是：M4、M、M3与M5建立了一个强磁场，绝大部分磁力线因外部磁动势M5的加入而约束在了u1所示的磁回路中。并且，M5_N与M4_S所形成的磁场空气隙，以及M5_S与M3_N所形成的磁场空气隙，成为了磁回路u1的主要磁阻。

如果M5是二维电机定子的线圈所产生，根据相对运动，线圈所形成的磁动势M5会在磁回路u1的驱动下吸引混合型磁体，使混合型磁体向着线圈M5靠近。从前述可知Xz是二维电机转子的旋转方向，即电机转子具备了转动的基础。

同样右边的M6可以使电机的转子向另外一个方向转动。

下面将说明二维电机是如何实现推拉移动的。