技术领域
[0001] 本实用新型涉及的是一种工程中广泛应用的具有
支撑驱动功能的感应式磁悬浮球形主动关节系统，特别是
机器人、机械手的关节，属于
机电一体化电机技术领域。
背景技术
[0002] 目前，
球形关节在机器人及机械手，乃至多坐标
机械加工中心，航天
飞行器，电动
陀螺仪，全方位
跟踪天线，
炮塔转台，医疗机械，摄像操作台，全景摄像操作台，球形
阀及球形
泵等具有多个运动
自由度的设备中具有广泛的应用前景。关节系统包括
驱动器，传动器和
控制器，属于机器人的
基础部件，是整个机器人伺服系统中的一个重要环节，其结构，重量，尺寸对机器人性能有直接影响。大多数
机器人关节为多自由度关节，而多自由度关节的运动是通过几个关节通过
连杆连接利用平移和旋转运动协调运动发生的，往往需要采用多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成。这样导致结构复杂，体积庞大，关节摩擦面磨损严重，效率低下，制造安装困难，运动空间范围小，响应迟缓，动态性能较差。而且机械
传动系统误差的累积导致整个控制系统的
精度下降，甚至影响系统的
稳定性。有鉴于此，需要设计一种新型的球形电机，以缓解
现有技术的上述
缺陷。
实用新型内容
[0003] 本实用新型的目的是针对现有关节存在的上述问题，基于磁悬浮技术和电机技术，提供一种机械集成度高，结构简单，精度和动态性能好，没有摩擦、磨损，能够实现绕过定点空间轴旋转的多自由度的感应式磁悬浮球形主动关节。
[0004] 本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案如下：感应式磁悬浮球形主动关节，包括支撑电机的
基座、壳体、转动臂以及置于壳体内的关节
转子和关节
定子，其特征是，所述关节转子为空心的球形转子，由两个半球形转子连接构成；所述关节定子由五个独立的定子组成，每个独立定子上布置有夹持机构；五个独立定子分别置于关节转子的前、后、左、右和下侧，并构成球形，关节转子设置在关节定子球形内部，关节定子构成的球形的内表面与关节转子的球形外表面同心，且两个球面之间存在气隙；
[0005] 所述球形转子上端设有放置转动臂的通孔，转动臂一端与关节转子固定连接，另一端通过通孔伸向外端；所述关节转子的中心空隙中设有由蓝牙MPU6050组成的检测关节转子
位置和运动速度的检测模
块；所述基座上设有控制关节转子悬浮及转动
姿态、运动速度或转动速度的控
制模块，该
控制模块包括DSP数字控制器、驱动
电路、
开关功率
放大器、逆变器、稳压整流电路、
传感器和
信号处理电路。
[0006] 所述关节转子是由具有良好导
磁性能的材料制成，由两个半球形转子通过三个圆柱销连接固定成一个完整的空心球形转子。
[0007] 所述关节转子的外表面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有
导线体构成转子绕组或
电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接。
[0008] 所述关节定子是采用具有良好导磁性能的材料组成，每个独立定子包括定子
铁芯、定子绕组；在定子铁芯内圆上开有均匀分布的槽，以放置定子绕组，定子绕组是定子的电路部分，由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内；所述定子铁芯与关节转子位置对应处加工成球形凹面，定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈
电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。
[0009] 所述夹持机构包括尼龙缓冲圈、
弹簧、电
磁铁安装块构成；尼龙缓冲圈伸在定子铁芯的中心，用弹簧卡在定子铁芯内侧一端；定子铁芯通过轴套固定于壳体上，并用端盖、圆
螺母加
螺栓固定；电磁铁安装块伸到尼龙缓冲圈中心，并用螺母固定在端盖上；电磁铁分别与尼龙缓冲圈和电磁铁安装块连接，尼龙缓冲圈与关节转子对应处为球面，该球面与关节转子球面的距离通过电磁铁
螺纹连接进行调节，尼龙缓冲圈的动作取决于电磁铁的得电与失电；当球形主动关节未启动时，电磁铁处于得电状态，五个电磁铁的
推杆伸长使得五个尼龙缓冲圈夹持住球形转子，使转子处于悬浮中心，当球形主动关节得电启动时，电磁铁失电，电磁铁推杆收缩，此时转子被松开，转子处于工作时的悬浮状态。
[0010] 所述壳体是六个面均开有圆形通孔的长方体，其上侧通孔供转动臂伸出，剩余五个通孔出设置有独立的定子；六个面各打一个
螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合并与上述四轴线所构成的平面垂直，并相交于上述同一个点；螺纹孔与定子轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子安装在定子轴套中，定子与转子球心的距离可以靠定子轴套与壳体的
螺纹连接来进行微调。
[0011] 本实用新
型壳体内，定子部分与壳体固定，转子与转动臂固定为一体，转动臂通过与基座安装的反向伸向外端，定子的内表面与转子的球形外表面之间同心时且存在一定的气隙，在定子的各个部分上布置有电磁铁夹持机构，在基座上布置有控制模块，在球形转子的空心原点处布置有检测模块，检测模块主要是采用蓝牙MPU6050进行检测的，控制模块主要是由DSP数字控制器、驱动电路、逆变器、整流稳压电路、传感器和
信号处理电路组成。
[0012] 检测模块和控制模块，两者之间有数据传输采用的是蓝牙无线发射和接收。其中检测模块主要采用的是MPU6050传感器集成的模块，MPU6050模块可以检测转子的运动速度和运动位移。并且集成了三轴陀螺仪和三轴
加速度计，节省了大量空间，降低成本。将MPU6050采集到的数据经过蓝牙模块无线发射出去，省去了大量布线，同时提高了运算速度和精度。其中的控制模块是接受无线发射的数据，经过信号处理电路后由DSP数字控制器进行A/D转换和控制
算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲
控制信号，PWM控制信号控制开关
功率放大器和逆变器，使经过稳压整流的电源提供给电机定子绕组的
电流，随PWM脉冲信号变化而调节支撑转子的悬浮磁
力和驱动球形转子转动的电磁力矩，以支撑球形转子稳定悬浮并驱动转子按给定指令转动。
[0013] 定子是圆柱体在中心开有相互垂直且连续的沟槽，在沟槽内设有定子绕组。
[0014] 球形转子是由两个半球形转子通过圆柱销连接在一起构成球形转子，在球形转子的外表面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线体构成转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接。在半球形转子的顶部开有一个通孔，为放置转动轴。由五个定子组成的内球面与转子外球面之间相互同心且存在气隙。
[0015] 夹持机构由尼龙缓冲圈，弹簧，圆螺母，轴套和电磁铁安装块构成。电机不工作时在弹簧力的作用下处于夹持状态，电机工作时在电磁力作用下处于松开状态。定子绕组用于产生旋转转矩和产生作用于球形转子上的径向力，使得转子实现悬浮，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向上的驱动。在关节定子内球面的球心为原点，转动
主轴为Z轴的三轴
坐标系内，其中两个定子（或电磁铁夹持机构）在圆心处的法线与X轴同轴并相对于Y轴对称，两个定子的圆心处的法线与Y轴同轴并相对于X轴对称，一个定子的圆心处的法线与Z轴同轴，和转动臂的方向正好反向。
[0016] 电磁铁与尼龙缓冲圈和电磁铁安装块分别同时连接，尼龙缓冲圈的球面与转子球面的距离靠电磁铁螺纹连接进行调节，尼龙缓冲圈的动作取决于电磁铁的得电与失电。当球形主动关节未启动时，电磁铁处于得电状态，五个电磁铁的推杆伸长使得五个尼龙缓冲圈夹持住球形转子，使转子处于悬浮中心，当球形主动关节得电启动时，电磁铁失电，电磁铁推杆收缩，此时转子被松开，转子处于工作时的悬浮状态。
[0017] 在关节工作过程中，由蓝牙MPU6050不断检测并发射转子的位置姿态数据，并对所检测的信号进行调制、放大、解调、滤波等信号处理，将处理的转子位置姿态信号由DSP数字控制器进行A/D转换并与指令信号比较，以及做控制算法的运算，转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，去控制各自的逆变器，使经过稳压整流的电源电流随PWM脉冲信号变化，分别调节关节绕组产生的电磁转矩和电磁径向悬
浮力，以控制关节转子稳定悬浮并按照所给定的位移或
角速度指令旋转。
[0018] 本实用新型综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现球形关节的悬浮支撑并驱动关节转子转动，结构合理简单，紧凑，实现无摩擦，无磨损，无线发射接收数据，动态性能好，响应速度快，提高关节的效率，延长关节及装备的使用寿命。
附图说明
[0019] 图1为本实用新型的主视图；
[0020] 图2为本实用新型的俯视图；
[0021] 图3为图1中的C-C向剖面图；
[0022] 图中：1电磁铁安装块、2圆螺母、3端盖、4 M4×25六角头螺栓、5特扁细牙螺母、6壳体、7上端盖、8球形转子上半球、9转动臂、10螺母、11定子绕组、12弹簧、13尼龙缓冲圈、14轴套、15球形转子下半球、16定子铁芯、17 MPU6050检测模块、18控制模块。
具体实施方式
[0023] 感应式磁悬浮球形主动关节，包括支撑电机的基座、壳体6、转动臂9以及置于壳体内的关节转子和关节定子。关节转子为空心的球形转子，由两个半球形空心转子连接构成；关节定子由五个独立的定子组成，每个独立定子上布置有夹持机构；五个独立定子分别置于关节转子的前、后、左、右和下侧，并构成球形，关节转子设置在关节定子球形内部，关节定子构成的球形的内表面与关节转子的球形外表面同心，且两个球面之间存在气隙。
[0024] 球形转子上端设有放置转动臂的通孔，转动臂一端与关节转子固定连接，另一端通过通孔伸向外端；关节转子的中心空隙中设有由蓝牙MPU6050组成的检测关节转子位置和运动速度的检测模块17；基座上设有控制关节转子悬浮及转动姿态、运动速度或转动速度的控制模块18，该控制模块包括DSP数字控制器、驱动电路、开关功率放大器、逆变器、稳压整流电路、传感器和信号处理电路。
[0025] 关节转子是由具有良好导磁性能的材料制成，由两个半球形空心转子通过三个圆柱销连接固定成一个完整的球形转子。
[0026] 关节转子的外表面开设有连续并交叉的转子沟槽，该转子沟槽的交叉点处设有通向球形转子球心的转子通孔，在转子沟槽和转子通孔内放置有导线体构成转子绕组或电枢绕组，转子绕组通路为封闭回路，并在球形转子的空心内球面交汇短接。
[0027] 关节定子是采用具有良好导磁性能的材料组成，每个独立定子包括定子铁芯16、定子绕组11；在定子铁芯内圆上开有均匀分布的槽，以放置定子绕组，定子绕组是定子的电路部分，由若干线圈连接而成，每个线圈的两个有效边分别放在两个槽内；所述定子铁芯与关节转子位置对应处加工成球形凹面，定子设有三相四极绕组或是多相通电线圈电阻，以实现对球形转子的径向稳定悬浮和三个旋转自由度方向的驱动。
[0028] 夹持机构包括尼龙缓冲圈13、弹簧12、电磁铁安装块、圆螺母、特扁细牙螺母；尼龙缓冲圈伸在定子铁芯的中心，用弹簧卡在定子铁芯内侧一端；定子铁芯通过轴套14固定于壳体上，并用端盖3、圆螺母2加螺栓固定；电磁铁安装块伸到尼龙缓冲圈中心，并用螺母固定在端盖上；电磁铁分别与尼龙缓冲圈和电磁铁安装块连接，尼龙缓冲圈与关节转子对应处为球面，该球面与关节转子球面的距离通过电磁铁螺纹连接进行调节，尼龙缓冲圈的动作取决于电磁铁的得电与失电；当球形主动关节未启动时，电磁铁处于得电状态，五个电磁铁的推杆伸长使得五个尼龙缓冲圈夹持住球形转子，使转子处于悬浮中心，当球形主动关节得电启动时，电磁铁失电，电磁铁推杆收缩，此时转子被松开，转子处于工作时的悬浮状态。
[0029] 壳体是六个面均开有圆形通孔的长方体，其上侧通孔供转动臂伸出，剩余五个通孔出设置有独立的定子；六个面各打一个螺纹孔，四周面的四个螺纹孔的轴线在同一个平面上且相交于一点，上下两端面的螺纹孔轴线重合并与上述四轴线所构成的平面垂直，并相交于上述同一个点；螺纹孔与定子轴套的外圆柱面进行螺纹配合，定子安装在定子轴套中，定子与转子球心的距离可以靠定子轴套与壳体的螺纹连接来进行微调。
[0030] 如图所示，壳体和磁悬浮球形电机的定子通过连接螺钉固定为一体，电机定子是由五个独立的定子绕组和定子铁芯组成，其内部形状是一球形内表面，定子铁芯上圆柱体内表面开有沟槽，分别布置三相或多相通电线圈绕组。
[0031] 在定子的外侧上布置有电磁铁夹持机构，前、后夹持机构以及左、右夹持机构对称。夹持机构由电磁铁安装块、尼龙缓冲圈、弹簧、轴套等部件组成，关节不工作时在弹簧力作用下处于夹持状态，关节工作时在电磁力作用下处于松开状态。
[0032] 在主动关节空心转子内部布置检测转子径向位移和旋转
角位移的MPU6050检测系统。转子外表面呈球形，球形转子与转动臂通过螺母等连接固定为一体，球形转子设置在定子内表面构成的空间内，转动臂通过方向上只有一个定子的反向伸向外端（即通过球形转子的通孔向外伸出），定子与转子之间存在一定的气隙。
[0033] 感应式磁悬浮球形主动关节，对X轴方向的2个区域的三相定子绕组同时通入
三相电流，在检测控制系统作用下，各自产生绕X轴的旋转
磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割
磁力线，便产生驱动转子绕X轴旋转的合成电磁转矩；同时，2个区域的绕组产生磁拉力，在检测控制系统作用下，使球形转子沿X轴方向稳定悬浮；对Y轴方向的2个区域的三相定子绕组同时通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Y轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Y轴旋转的合成电磁转矩。同时，2个区域的绕组产生磁拉力，在控制系统下，使球形转子沿Y轴方向稳定悬浮；对Z轴方向的1个区域的三相定子绕组通入三相电流，在检测控制系统作用下，各自将产生绕Z轴的旋转磁场，同时在转子绕组中产生感应电流，具有感应电流流动的转子绕组切割磁力线，便产生驱动转子绕Z轴旋转的合成电磁转矩；同时，该区域的绕组产生磁拉力，在检测控制系统控制下，使球形后簪子沿Z轴方向稳定悬浮，即与重力相平衡。主动关节表示的是该球形关节通过控制各个三相绕组通电状态来控制各个方向的磁拉力，即能够容易地实现多自由度运动，其无需通过多套单自由度的驱动机构以及复杂的机械传动机构来完成运动。
[0034] 磁悬浮球形主动关节的工作过程：电机处于停机状态时，由电磁铁夹持机构在弹簧力的作用下，将球形转子的姿态
锁定于平衡位置。关节准备运动时，向磁悬浮球形主动关节系统给定各方向的转子在平衡位置时的径向悬浮指令信号和角位移指令信号，同时电磁铁夹持机构在电磁力作用下，松开球形转子。指令信号与姿态检测系统的转子姿态位置信号由DSP数字控制器进行比较和控制算法的运算，并转换为控制悬浮和控制旋转的两组PWM脉冲控制信号，PWM悬浮控制信号控制开关功率放大器，使经过稳压整流的电源提供给定子沟槽中的绕组的电流，随PWM脉冲信号变化而调节支撑转子的悬浮磁力，PWM旋转控制信号控制逆变器，使经过稳压整流的电源提供给定子绕组的电流随PWM脉冲信号变化而调节转子的磁力矩，在悬浮磁力和磁力矩综合作用下将球形转子控制在夹持状态时的姿态，以达到球形转子不旋转的稳定悬浮。电机悬浮转动时，电机在不旋转的稳定悬浮基础上，输入沿某个转动自由度方向的角位移和转速指令信号，经数字控制器信号调节后输出PWM旋转控制信号，去调节控制逆变器的功率晶体管，使经过稳压整流电路整流的直流电源由逆变器按照PWM脉冲控制信号规律向电机绕组供电，以产生电磁转矩驱动转子按所给指令要求旋转。
[0035] 本实用新型的结构简单，合理，紧凑，综合应用磁悬浮技术和电机技术，实现悬浮支撑并驱动球形转子的转动，感应式磁悬浮球形主动关节的球形转子与感应式球形主动关节的关节定子之间实现基本无摩擦，无磨损，动态性能好，响应速度快，提高关节的效率，延长关节及装备的使用寿命。本实用新型的感应式磁悬浮球形主动关节在机器人的关节及机械手的关节，多坐标机械加工中心，航天飞行器，电动陀螺仪，全方位跟踪天线，人体假肢，医疗机械，
搅拌机，移动机构的万向轮等具有多个运动自由度的设备中具有很好的应用前景。
