一种液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机.pdf

本发明提供了一种液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，涉及三自由度运动电动机技术领域。电机采用内嵌式或输出轴式结构；转子为中空的球形壳体，中空部分能放置无线传输装置及视觉图像采集装置；转子壳内表面设有垂直方向的永磁体；定子具有与转子外形相适配的内腔,内腔面上设有若干定子线圈，定子的内腔设有垂直方向的与所述永磁体相适配的定子永磁体；使转子呈液质悬浮支承方式。本发明通过对不同线圈的方向和幅值进行控制对电机转子的偏转进行调整，可实现悬浮运行，具有结构简单、体积小、摩擦小、响应快、动态性强、能较大程度地逼近真眼及易于小型化集成化的优点；借助多维运动致动器与控制技术，可实现实用化视觉仿生。

权利要求书1.  一种液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，包括：转子、定子和外壳部分，其特征在于：电机采用内嵌式或输出轴式结构；转子为中空的球形壳体，转子中空部分能放置无线传输装置，以及视觉图像采集装置；转子壳内表面至少一个直径方向固定有一对永磁体（1）；定子位于转子球面外围，具有与转子外形相适配的内腔,内腔面上固定有若干磁极铁芯，磁极铁芯上缠绕定子线圈（3、4、5、6），定子的内腔固定有位于垂直方向的与所述永磁体（1）相适配的定子永磁体（8）；转子和定子之间密封充有转子悬浮液，即合适阻尼的液体流质，使转子呈液质悬浮支承方式；给垂直位置定子线圈（3、4、5、6）输入特定方向和幅值的电流后，会产生偏转转矩，垂直位置定子线圈（3、4、5、6）与垂直方向永磁体（1）相配合实现大范围的偏转。2.  根据权利要求1所述的液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，其特征在于所述转子壳内表面还固定有位于后侧的一个以上的尾部永磁体（2），定子的内腔面上还固定有位于后侧的一个以上的定子尾部线圈（7）；定子尾部线圈（7）与尾部永磁体（2）配合来实现精细位置调节；给定子尾部线圈（7）通入特定方向和幅值的电流后，会引起气隙磁路发生改变，进而使转子发生微偏运动，通过对不同定子尾部线圈（7）的电流大小与方向进行改变和组合，实现转子微动方位的调节。3.  根据权利要求1或2所述的液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，其特征在于所述定子的内腔位于垂直方向还安装有永磁体，起到对转子定位和辅助悬浮的作用。4.  根据权利要求1或2所述的液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，其特征在于所述的尾部永磁体（2）采用盘状或环状永磁体。5.  根据权利要求1或2所述的液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，其特征在于所述的定子线圈（3、4、5、6）具有匝数和外形可调式结构。6.  根据权利要求1或2所述的液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，其特征在于所述的定子的内腔面上还设有光电传感器（9）。

说明书一种液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机
技术领域
本发明涉及三自由度运动电动机技术领域。
背景技术
随着现代工业科技水平的发展，多自由度一体化驱动技术得到越来越多的重视。多自由度电机成为重要的研究方向，许多新型多自由度电机不断被研发出来并得到应用。多自由度电机的出现解决了传统上采用多个一维驱动元件实现多自由度运动导致的系统复杂、效率低下、精度不够、费用高昂、动态性能差等缺点。多自由度电动机在人体仿生、机器人、航天飞行器、机械手、雷达、全景摄影仪等需要多个运动自由度的仪器设备中有着广阔的应用前景。
在机器人及仿生驱动等多自由度运动领域，视觉系统是最重要的感知设备之一。目前对视觉感知器“机器眼”的研制虽然取得了很大进展但依然落后于其他功能，如行走及手臂关节运动等。将多自由度电机应用到视觉仿生系统中可对机器视觉仿生系统的研制产生巨大的推动作用。将目前的多自由度电机应用到视觉仿生系统中有如下缺点：传统多自由度电机体积较大且不易于小型化；传统多自由度电机机械轴承的支承设计和磨损问题是在特殊应用场合的主要问题。机械摩擦增加转子阻力造成部件发热，导致电机动态性能变差，效率降低，影响其使用寿命；传统多自由度电机在悬浮控制模式下运行有一定的困难，且存在电机结构复杂、磁场易失控的问题，不易于提高控制精度。
在永磁球形步进电机和永磁球形同步电机的研究中，进行了磁力悬浮控制设计和探讨，发现这两种类型电机在电磁悬浮运行一模式下存在一定的困难，而多自由度感应式电机也存在结构相当复杂、磁场易失控的问题。因此，迫切需要提出适合仿生驱动等应用的新型多自由度电机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，该结构电机的定转子之间封闭充满阻尼液质，旋转时形成的液体膜能使得转子实现悬浮并自动定位，通过对不同线圈的方向和幅值进行控制对电机转子的偏转进行调整，可实现悬浮运行，完全消除摩擦，具有结构简单、体积小、响应快、动态性强、能较大程度地逼近真眼及易于小型化集成化的优点；同时可借助多维运动致动器设计与控制技术，实现真正的实用化视觉仿生。
本发明的主要技术方案是：一种液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，包括：转子、定子和外壳部分，其特征在于：电机采用内嵌式或输出轴式结构；转子为中空的球形壳体，转子中空部分能放置无线传输装置，以及视觉图像采集装置；转子壳内表面至少一个直径方向固定有一对永磁体；定子位于转子球面外围，具有与转子外形相适配的内腔,内腔面上固定有若干磁极铁芯，磁极铁芯上缠绕定子线圈，定子的内腔固定有位于垂直方向的与所述永磁体相适配的定子永磁体；转子和定子之间密封充有转子悬浮液，即合适阻尼的液体流质，使转子呈液质悬浮支承方式；给垂直位置定子线圈输入特定方向和幅值的电流后，会产生偏转转矩，垂直位置定子线圈与垂直方向永磁体相配合实现大范围的偏转。
进一步改进结构是，所述转子壳内表面还固定有位于后侧的一个以上的尾部永磁体，定子的内腔面上还固定有位于后侧的一个以上的定子尾部线圈；定子尾部线圈与尾部永磁体配合来实现精细位置调节；给定子尾部线圈通入特定方向和幅值的电流后，会引起气隙磁路发生改变，进而使转子发生微偏运动，通过对不同定子尾部线圈的电流大小与方向进行改变和组合，实现转子微动方位的调节；由大范围偏转与精细运动相结合的方式，共同构成混合驱动模式，实现三自由度运动。
进一步改进结构是，所述的液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，其特征在于所述定子的内腔位于垂直方向还安装有永磁体，起到对转子定位和辅助悬浮的作用。
优选结构是，所述的尾部永磁体采用盘状或环状永磁体。
优选结构是，所述的定子线圈具有匝数和外形可调式结构。
优选结构是，所述的定子的內腔面上还设有光电传感器。
本发明专利的积极效果是：很好的解决了由多个传统一维驱动元件组合实现多自由度运动而导致的系统复杂，体积庞大，效率低下，精度不够，响应迟缓，动态性能较差的缺点。该结构电机的定转子之间封闭充满阻尼液质，旋转时形成的液体膜能使得转子实现悬浮并自动定位，通过对不同线圈中电流的方向和幅值进行控制对电机转子的偏转进行调整，可实现悬浮基础上的三自由度运动，具有结构简单、体积小、磨擦小、响应快、动态性强、能较大程度地逼近真眼及易于小型化集成化的优点；同时可借助多维运动致动器设计与控制技术，实现真正的实用化视觉仿生。
本发明控制精度高，能基本消除摩擦，最大优点是可实现悬浮基础上的三自由度运动，最大限度的逼近真眼，可广泛应用于机器人视觉仿生系统、电子玩具眼睛、监控装置、人工假眼、三维空间测量装置、多维空间伺服控制等，并有望实现辅助视觉的再造。与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
    1. 液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机可以实现电机多自由度运动，将其应用在仿生眼睛、监控装置等领域，能够大大简化机械系统设计。
2. 本发明专利根据控制精度、复杂性、透光性和阻尼的要求，采用阻尼液悬浮设计的支承方式。该阻尼液密封在定转子之间，旋转时形成的液体膜将使转子实现悬浮并自动定位。因此使得电机在运转时，转子与其它部件没有直接接触，克服了摩擦对运动控制的影响，进而能够实现无摩擦运动。
3. 该电机转子部分为中空，转子壳内表面固定有永磁体，垂直位置的永磁体配合外部线圈用来实现大范围运动控制及转子定位，尾部的永磁体配合线圈用来实现精细位置调节。通过控制不同线圈的电流与方向，可调节转子微动的方位，提高电机定位和控制的精度和响应速度。
4. 转子中空部分内部放置有图像传感和无线传输装置，定子内侧放置光电传感器用来检测转子位置（多个自由度上的偏转位移），经过信号处理电路等对其进行实时控制，根据控制要求实现对不同定子线圈的电流方向和大小进行控制。
5. 定子外部垂直部分可以设置有辅助悬浮永磁体，可以使得电机能够在偏转一定范围后回到原位置，进而实现电机更好的悬浮。
为了更好的理解本发明，以下结合实施例及其附图作解释说明，但本发明要求保护的范围不仅局限于本实施例表示的范围。
附图说明
图1为本发明实施例1（仿生内嵌式）的结构示意图。
图2为图1的结构外形图。
图3为本发明实施例2（仿生输出轴式）的结构示意图。
图4为图3的结构外形图。
图5A、图5B为本发明电机尾部电磁驱动的原理图。
图6为驱动器一个设计方案图。
图7为图6的控制系统框架图。
图中各标号的含义是：1-永磁体，2-尾部永磁体，3、4、5、6-定子线圈，7-定子尾部线圈（或精细运动调节线圈），8-定子永磁体，9-光电传感器。
具体实施方式
参见图1-图7，该液质悬浮式仿生电磁驱动三自由度运动电机，包括：转子、定子和外壳部分，其特征在于：电机采用内嵌式或输出轴式结构；转子为中空的球形壳体，转子中空部分能放置无线传输装置，以及视觉图像采集装置；转子壳内表面至少一个直径方向固定有一对即2个永磁体1；定子位于转子球面外围，具有与转子外形相适配的内腔,内腔面上固定有若干磁极铁芯，磁极铁芯上缠绕定子线圈3、4、5、6，定子的内腔固定有位于垂直方向的与所述永磁体1相适配的定子永磁体8；转子和定子之间密封充有转子悬浮液，即合适阻尼的液体流质，使转子呈液质悬浮支承方式；给垂直位置定子线圈3、4、5、6输入特定方向和幅值的电流后，会产生偏转转矩，垂直位置定子线圈3、4、5、6与垂直方向永磁体1相配合实现大范围的偏转。所述转子壳内表面还固定有位于后侧的一个以上的尾部永磁体2，定子的内腔面上还固定有位于后侧的一个以上的定子尾部线圈7；定子尾部线圈7与尾部永磁体2配合来实现精细位置调节；给定子尾部线圈7通入特定方向和幅值的电流后，会引起气隙磁路发生改变，进而使转子发生微偏运动，通过对不同定子尾部线圈7的电流大小与方向进行改变和组合，实现转子微动方位的调节；由大范围偏转与精细运动相结合的方式，共同构成混合驱动模式，实现三自由度运动。所述定子的内腔位于垂直方向安装的永磁体8，起到对转子定位和辅助悬浮的作用。所述的尾部永磁体2采用盘状或环状永磁体。所述的定子线圈3、4、5、6具有匝数和外形可调式结构。所述的定子的內腔面上还设有光电传感器9。
本发明电机定转子之间密封有合适阻尼的阻尼液，在产生悬浮力的同时，对转子运动起到阻尼作用，实现电机悬浮控制。根据悬浮力的需要，该电机结构可以灵活设置辅助悬浮永磁体，如图中定子永磁体8所示。
线圈中通入特定方向和幅值的电流后，将引起气隙磁路发生改变，进而使转子发生微偏运动。通过改变和组合不同线圈的电流与方向，可调节转子微动的方位，实现电机精确地定位。当给垂直位置定子线圈通电时，定子线圈产生的磁场将会与垂直位置转子永磁体相互作用，能够产生切向力和径向力。其中电磁力的切向力将会用来实现电机偏转。当转子发生偏转时，位于定子内侧的转子位置非接触式光电检测装置将会对转子位置进行实时检测，并与期望值进行比较。经由DSP控制器运算后，生成下一步的控制算法。根据控制算法的需要，通过对垂直位置不同的定子线圈3-6的通电电流的大小和方向进行跟踪和控制，就可以实现电机转子位置大范围的偏转。
当电机大范围的偏转角度确定后，还需要对尾部线圈7进行调节，实现电机转子精确定位。电机尾部线圈驱动过程如图5所示：当给7中部分线圈通入控制器运算得到的特定方向和幅值的电流后，使其产生如图5A所示的极性时，定子线圈通电后产生的磁极与尾部永磁体之间的磁通可引起气隙磁路发生改变，二者之间产生的磁力能够实现电机转子沿逆时针方向发生小范围运动。同理，当产生如图5B所示的极性时，定子线圈通电后产生的磁极和永磁体之间作用产生的磁力将会驱动电机转子沿顺时针的发生转动，进而能够实现电机转子小范围精细运动和定位。通过将大范围偏转运动与精细运动相结合，能够实现电机混合电磁驱动运行模式。
电机驱动方案及其框架结构如图6、7所示：转子在初始位置时，光电传感器组9可检测到当前位置信号并传输给信号处理电路进行整形处理，并接入DSP电路，其中AD整形电路可将检测到的传感器信号进行滤波和整形，并将信号转化为DSP可识别的高低电平数字信号。当电机转动后，光电传感器会将其运动轨迹记录为一组高速拍摄的连贯图像信号，光电传感器内部的专用图像分析芯片可以对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，并通过图像处理算法转换成转子坐标的移动距离，从而完成转子位置的定位。传感器输出的信号经过DSP处理后可计算出转子转动后相对于初始位置的位移和偏转角度大小。通过DSP将处理后的转子位置信号和电流信号与期望值进行比较，并经由控制器处理运算后生成下一步控制算法，根据控制算法的需要DSP将生成控制驱动粗定位驱动电路开关器件通断的PWM控制信号，该PWM控制信号采用电流滞环跟踪PWM方法。通过对垂直位置不同的定子线圈3-6的通电电流的大小和方向进行检测和跟踪控制构成闭环回路，就可以实现电机转子位置大范围的偏转。当电机大范围的偏转角度确定后，还需要使用与粗定位相同的控制方法对7中的部分线圈电流的大小和方向进行控制，以实现对电机转子的精确定位。控制系统可单独运行，也可与上位机通讯，接受上位机的操控指令。
本发明专利的最大优点是可实现液质悬浮运行，消除摩擦，结构可靠，利用仿生学原理，在运动控制上更加灵活，具有自定位能力，响应速度快，力矩适中，能满足仿生类驱动应用的需求，易于小型化和集成化。
所述转子悬浮液，即合适阻尼的液体流质，可根据阻尼液的粘性、透光率、比重等选用，例如可用甲基硅油阻尼液等。
未述及部分本专业技术人员均可实施。