[发明专利]一种多自由度球形电动关节

说明书

本发明涉及球形关节技术领域，公开了一种多自由度球形电动关节，包括第一转子、第二转子、第三转子、输出轴、第一定子、第二定子和第三定子以及基座，第一转子、第二转子和第三转子分别呈圆环形且具有相同的圆心，第一转子和第二转子交叉设置形成球框架，第三转子设于球框架内，第三转子的内侧设有连接轴，输出轴穿过第一转子和第二转子的交叉连接处，输出轴通过万向节与连接轴连接，第一定子与基座转动连接且其转动轴线为第一轴线，第一转子可跟随第一定子转动，第二定子与基座转动连接且其转动轴线为第二轴线，第二转子可跟随第二定子转动，第三定子与基座固定连接。本发明将关节的三自由度运动解耦，控制简单，提高输出转扭矩。

技术领域

本发明涉及球形关节技术领域，特别是涉及一种多自由度球形电动关节。

背景技术

现有机器人要实现三个自由度的旋转运动，一种做法是将多个单自由度关节串联，每个关节内部还有减速器。但这种方案存在自重大，动态性能差，有回程误差，在工作空间内存在奇异点等问题；另一种做法是使用多自由度球形电动关节，其可以在单个关节处产生多自由度旋转运。一般做法是使用球形电机，这种电机由单个球形定子和单个球形转子组成，可以同时实现三个方向的旋转运动。转子的位置检测通过接触式测量法、霍尔元器件测量法、光电测量法、视觉测量法等等来实现。其中接触式测量法是通过机械连杆、滑道等机构将关节输出轴与编码器连接，从而计算得到关节输出轴的位姿；霍尔元器件测量法是在定子上布置霍尔元器件，利用转子磁场进行位姿的测量；光电测量法利用转子表面的纹理进行分析，从而估算转子位姿；视觉测量法要在转子上进行颜色编码，利用摄像机采集的图像，解算图像里的编码组合来获得转子位姿。

然而现有的球形电机存在一下问题：1、转矩密度过小：在球形电机中，永磁型球形电机转矩最大，但由于转子朝各个方向旋转运动高度耦合，朝一个方向旋转过程中，另一个方向的转矩会受到影响，电磁力无法完全利用，因此转矩密度依然很小；2、转子姿态检测缺乏高精度集成方案：接触式测量法精度较高，但需要外加传动机构，会增加转子惯量，降低动态性能；霍尔元器件测量法易受磁场影响，检测精度略差；光电测量法受环境光影响，精度较低；视觉测量法系统庞大，不方便集成。以上四种检测方式受各自的局限性，难以集成在关节上；3、控制难度大：由于运动耦合严重，控制方法比较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用框架式结构，将关节的三自由度运动解耦，大大提高输出转扭矩的多自由度球形电动关节。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多自由度球形电动关节，包括第一转子、第二转子、第三转子、输出轴、第一定子、第二定子和第三定子以及基座，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子分别呈圆环形，所述第一转子、所述第二转子和所述第三转子具有相同的圆心，所述第一转子和所述第二转子交叉设置形成球框架，所述第三转子设于所述球框架内，所述第三转子的内侧设有沿所述第三转子的径向设置的连接轴，所述输出轴沿所述第一转子的径向和所述第二转子的径向设置，所述输出轴穿过所述第一转子和所述第二转子的交叉连接处，所述输出轴通过万向节与所述连接轴连接，所述第一定子与所述第一转子配合形成第一驱动单元，所述第一定子与所述基座转动连接且其转动轴线为第一轴线，所述第一轴线沿所述第一转子的径向设置，所述第一转子可跟随所述第一定子围绕所述第一轴线转动，所述第二定子与所述第二转子配合形成第二驱动单元，所述第二定子与所述基座转动连接且其转动轴线为第二轴线，所述第二轴线沿所述第二转子的径向设置，所述第二转子可跟随所述第二定子围绕所述第二轴线转动，所述第三定子与所述第三转子配合形成第三驱动单元，所述第三定子与所述基座固定连接，所述第三转子可围绕其自身的轴线转动。

作为本发明的优选方案，所述万向节包括连接件和连接套，所述输出轴与所述连接件连接，所述连接套可转动套设在所述连接轴上，所述连接件与所述连接套转动连接且其转动轴线与所述连接轴的轴线交汇于所述第三转子的球心。