一种多自由度球形行波型超声波电机的制作方法

文档序号:7291969阅读:168来源:国知局
专利名称:一种多自由度球形行波型超声波电机的制作方法
技术领域
本实用新型涉及超声波电机,尤其是涉及一种多自由度球形行波型超声波 电机。
背景技术
自然界中许多现象是多自由度驱动的,如人的肩、腕和髋关节,眼球也是 两自由度转动的。另外,随着科技的发展,机电系统也日益复杂化,尤其是一 些精密装置对运动的要求越来越高,单自由度驱动己经无法满足要求,如机器 人、摄像系统等也都要求多自由度驱动。这些系统中,若每个自由度的运动由1 台单自由度电机来完成,就必然造成运动部件机构复杂、体积庞大、笨重和动 态性能差。多自由度超声波电机仍具有超声波电机的一些特点1、由于受高频 振动摩擦驱动,不仅动态响应快和高分辨率,而且具有高精度,另外,由于摩 擦驱动能断电自锁;2、在结构设计上具有简单性和灵活性,既可采用行波型定 子,也可采用驻波型定子,可以实现二个或三个自由度运动;3、低速大力矩 等。而电磁型球电机要形成球形旋转磁场造成结构十分复杂,实现十分困难, 目前国内外实现的电磁型球电机性能相对较差,实用不多,多自由度超声波电 机具有低速大力矩、响应快、精度高、可直接驱动等特点,具有电磁感应电机 无法比拟的优点,近年已成功地应用于腹腔手术、假肢上的肩腕和膝关节、二 自由度的CCD (监视头)云台驱动和机器人的眼球驱动等场合,因此,研制结 构紧凑和低速大力矩的球形超声波电机十分必要。 发明内容
本实用新型的目的是提供一种多自由度球形行波型超声波电机,采用环状 行波型定子,能实现二或三个方向的转动。
为了达到上述目的,本实用新型采用的技术方案是
在电机机体内安装球形电机转子,在球形电机转子的前、后、左、右及底 部分别安装一个行波定子内球面与球形电机转子相配合,五个行波定子通过分 别各自的定子连接部件安装在电机机体上,在球形电机转子的输出轴上安装有 相互成90°的姿态角检测机构。
所述的定子连接部件每个均包括定子连接件、调节螺栓和螺母;行波定 子的尾部装入定子连接件内,尾部与调节螺栓之间装有弹性体,定子连接件固定
在电机机体上,行波定子的尾部用紧定螺钉固定。
所述的姿态角检测机构包括姿态测试机体、两个光电编码器、两个转动 滑块和两根连杆;球形电机转子的输出轴上装有随输出轴转动的、装有调心轴 承的姿态测试机体,两个转动滑块下端安装在各自的轴承中,每个转动滑块上 端分别安装光电编码器,两根连杆与各自的转动滑块孔滑动配合,每根连杆的 一端与姿态测试机体成卯。连接,其中一个是铰接连接,另一个为固定连接。
所述的两根连杆与调心轴承均安装在同一平面内。
本实用新型与背景技术相比,具有的有益的效果是
1. 整体结构简单,安装方便。多自由度球形超声波电机采用环状行波型定子, 能实现二或三个方向的转动。整个电机是由球形转子和行波定子等部件组成, 行波定子的端面成内球面,这样可以使定子和球形转子良好接触,提高装配对中 性;另外,这种结构的电机对定子轴线的对中较敏感。在调整时一般在每对定 子中先固定一个定子,另一个定子使用可调整轴线位置的机构。由于多自由度 球形超声波电机有两对垂直相交的行波型定子,两对定子的夹紧自然固定了转 子。
2. 姿态控制方便、响应快、精度高。对于多自由度球形超声波电机,由于电 机转子转速与两定子的驱动速度线性相关,因此其位置和速度的控制比较简单, 其位置和速度的反馈是用球铰机构加小型光电编码器组成的。
3. 可方便调节预压力,使定子和球形转子良好接触,使得输出力矩最大。
4. 可实现多自由度动作,简化了机械结构。可应用于假肢上的肩腕和膝关节、 二自由度的CCD (监视头)云台驱动和机器人的眼球驱动等场合。

图1是多自由度球形超声波电机结构示意图; 图2是图1的E-E剖视图; 图3是图1的A-A剖视图; 图4是电机机体的结构示意图。
图中1、姿态测试机体,2、紧定螺钉,3、定子连接件,4、电机机体,5、 连接螺栓,6、调节螺栓,7、螺母,8、弹性体,9、半圆头滑键,10.1、 10.2、 10.3、 10.4、 10.5、行波定子,11、球形电机转子,12、光电编码器,1.1、连接 螺栓,1.2、垫高块,1.3、安装±央,1.4、轴承,1.5、紧固螺钉,1.6、转动滑块, 1.7、连杆,1.8、固定连接点,1.9、轴承安装环,1.10、调心轴承,l.ll.铰链连 接点。
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。
如图l、图2、图3、图4所示,本实用新型是在电机机体4内安装球形电 机转子11,在球形电机转子11的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子 10.1、 10.2、 10.3、 10.4、 10.5内球面与球形电机转子11相配合,五个行波定子 通过分别各自的定子连接部件安装在电机机体4上,在球形电机转子11的输出 轴上安装有相互成90。的姿态角检测机构。
所述的定子连接部件每个均包括定子连接件3、调节螺6和螺母7;行波 定子的尾部装入定子连接3内,尾部与调节螺栓6之间装有弹性体8,定子连接 件3固定在电机机体4上,行波定子的尾部通过紧定螺钉2和半圆头滑键9周 向紧定,行波定子轴上开有键槽以便半圆头滑键可滑动,行波定子的压紧力通 过高分子材料弹性体8的形变由螺栓7调整给定,调整后由固定螺母6锁定。
所述的姿态角检测机构包括姿态测试机体1、两个光电编码器12、两个 转动滑块1.6和两根连fP 1.7;球形电机转子11的输出轴上装有随输出轴转动的、 装有调心轴承的姿态测试机体1 ,两个转动滑块1.6下端安装在各自的轴承座中, 每个转动滑块1.6上端分别安装光电编码器12,两根连杆1.7与各自的转动滑块 1.6孔滑动配合,每根连杆1.7的一端与姿态测试机体1成90。连接,其中一个 是铰接连接,l.ll为铰链连接点,另一个为固定连接,1.8为固定连接点。
所述的两根连杆1.7与调心轴承均安装在同一平面内。
采用调心轴承和连杆的测量结构,在球型电机转子上安装输出轴(其轴线 通过球心),输出轴上装有能两自由度回转的调心轴承,两连杆与调心轴承在同 一平面内(这一平面与四个行波定子组成平面平行),当输出轴在中心位置时(即 输出轴轴线垂直于四个行波定子组成的平面时),两连杆是互相垂直的,即各连 杆中心线与调心轴承中心相交。
采用姿态测量机构的多自由度球形超声波电机的示意图如图2所示。
1. 如图1所示,球型电机转子11底部安装的行波定子10.5 ,其作用承担球 转子自重,并使球转子定心(几个中心)保证其余四个定子安装方便,球转子 中心高度可通过螺栓调节。电机工作时在定子中通两相同相位的交流电,使行 波定子产生驻波,这样是使球转子产生一定的悬浮力,并使球转子转动时摩擦 阻力最小化。如把驻波变为行波,就可作三自由度运动。
2、 行波型定子由金属弹性体、压电陶瓷和胶粘层组成的复合体,定子采用 磷青铜等高密度材料,在压电陶瓷施加交变电压后能产生机械谐振位移,它通
过定子传递给转子,这样就实现了电能转化成机械能,促使转子的转动。定子 表面切有齿,且外缘采用大倒角,内缘与球形转子接触,接触区为一窄接触线, 在定子内椽接触区粘涂一层摩擦材料,避免定转子直接的刚性接触,采用此结 构有以下优点①由于五个定波定子工作同一工作频率,但其谐振因工艺和加 工等误差很难使得五个定子的谐振动频率一致,可通过外缘倒角的角度微调实 现,这样不会影响定子的内缘接触区,不会损伤定子接触面。②线接触,保证 回转的同心度,而面接触由于加工困难,难以保证接触面的均匀性,回转的中 心一般不通过定子轴心,对多自由度电机的控制带来很多困难。③线接触模型, 便于在定子上加工摩擦材料,降低噪声,而面接触其摩擦材料的涂附和加工较 为困难,难以保证精度,同时线接触也使安装方便;④外缘大倒角大幅提高定 子接触面的振幅(定子工作在第5阶模态振动),可提高电机性能,转速和力矩 都能大幅提高;⑤另外,外缘的大倒角使定子总体齿高降低,模态频率升高, 其临近的模态频率相差较大不容易出现模态混迭,即使模态清晰,可使电机不 产生噪声。
3、球形转子通过两对行波定子的组合驱动,可实现两自由度转动,在对球 转子输出的姿态进行控制时,需要对球转子的运动姿态进行测量,如图1和图2 所示,在球形转子安装输出柄ll (超声波电机的输出轴),输出柄通过安装有调 心轴承的轴承安装环与连杆1.7,分别与轴承安装环1.8固连、1.9铰接,两连杆 位于同一平面(图示X-Y水平面),当输出柄位于转子正中时(与X轴线和Y 轴线组成平面垂直时),两连杆相互垂直,转子姿态变化时输出柄可在调心轴承 中滑动,而调心轴承则在轴承环中可各个方向转动,与连杆相连的各滑块分别 与光电编码器连接,球转子转动时带动两光电编码器转动,通过几何关系可把 光电编器的转角转换面球形转子的转角。
权利要求1.一种多自由度球形行波型超声波电机,其特征在于在电机机体(4)内安装球形电机转子(11),在球形电机转子(11)的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子(10.1、10.2、10.3、10.4、10.5)内球面与球形电机转子(11)相配合,五个行波定子通过分别各自的定子连接部件安装在电机机体(4)上,在球形电机转子(11)的输出轴上安装有相互成90°的姿态角检测机构。
2. 根据权利要求1所述的一种多自由度球形行波型超声波电机,其特征在于 所述的定子连接部件每个均包括定子连接件(3)、调节螺栓(6)和螺母(7);行波 定子的尾部装入定子连接件(3)内,尾部与调节螺栓(6)之间装有弹性体(8),定子连 接件(3)固定在电机机体(4)上,行波定子的尾部用紧定螺钉(2)固定。
3. 根据权利要求1所述的一种多自由度球形行波型超声波电机,其特征在于 所述的姿态角检测机构包括姿态测试机体(l)、两个光电编码器(12)、两个转动 滑块(1.6)和两根连杆(1.7);球形电机转子(ll)的输出轴上装有随输出轴转动的、 装有调心轴承的姿态测试机体(l),两个转动滑块(1.6)下端安装在各自的轴承座 中,每个转动滑块(1.6)上端分别安装光电编码器(12),两根连杆(1.7)与各自的转 动滑块(1.6)孔滑动配合,每根连杆(1.7)的一端与姿态测试机体(1)成90°连接, 其中一个是铰接连接,另一个为固定连接。
4. 根据权利要求3所述的一种多自由度球形行波型超声波电机,其特征在于 所述的两根连杆(1.7)与调心轴承均安装在同一平面内。
专利摘要本实用新型公开了一种多自由度球形行波型超声波电机。在电机机体内安装球形电机转子,在球形电机转子的前、后、左、右及底部分别安装一个行波定子内球面与球形电机转子相配合,五个行波定子通过分别各自的定子连接部件安装在电机机体上,在球形电机转子的输出轴上安装有相互成90°的姿态角检测机构。本实用新型可方便调节预压力,使定子和球形转子良好接触,使得输出力矩最大;整体结构简单,安装方便;可实现多自由度动作,简化了机械结构;可应用于假肢上的肩腕和膝关节、二自由度的CCD(监视头)云台驱动和机器人的眼球驱动等场合;姿态控制方便、响应快、精度高。
文档编号H02N2/12GK201008130SQ20062014066
公开日2008年1月16日 申请日期2006年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者平 傅, 帅光举, 沈润杰, 潘建立, 王光庆, 郭吉丰 申请人:浙江大学
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