CN106451994B - 一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，其中，第一自由度电机为具有一缺口的圆环状结构，第二自由度电机为具有一开口的圆环状结构，且所述缺口与开口相适配，使得两个电机的所在平面相垂直正交；第一自由度电机、第二自由度电机均包括定子和转子，且转子与定子在所属电机的所在平面内能够发生相对运动，通过两个自由度电机各自独立运动，实现设置在其中一个自由度电机上的输出轴的两自由度运动。本发明具有结构、制造工艺简单、分析设计方便、机械集成度高、开环运行定位精度高、驱动控制容易、性能实验测试容易的优点，有利于缩短产品的研发周期、提升产品的性能和竞争力。

Description

一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机
技术领域
本发明涉及一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机。
背景技术
机器人仿生眼球对于帮助机器人在执行任务时获得一定的视觉，从而更独立、正确的工作有着重要的意义，但是，由于仿生眼球需要跟正常眼球一样，进行转动等操作，因此需要多自由度的电机，同时需要保证该电机体积小、质量轻、定位精度高、运行平滑性好，而且能使眼球即电动机的输出轴末端在给定范围内一定精度下沿任何轨迹运动，如眼球连续地转动。
传统的多自由度运动往往由多个单自由度运动相互配合实现。多自由度传动装置一般由多台单自由度驱动元件和复杂的机械传动装置来构成，从而造成了多自由度装置体积庞大，精密度低，动、静态性能差；并且由于装置中较多应用减速齿轮，导致了转动惯量的增加和非线性摩擦的产生，从而增加了传动装置的能量损耗，传动装置的间隙也同时降低了***刚度，增加了***的不稳定性。随着现代工业的高速发展，机械制造行业对传动装置的精密度要求越来越高，传统的多自由度传动装置已不能满足工业要求。为了使多自由度传动装置结构简单，运动灵活，驱动、控制迅速而协调，多自由度电机的研制和应用受到了国内外学者的广泛关注。
多自由度电动机的研究可以追溯到20世纪50年代，期间分别在50年代和80年代出现过两次研究高潮。截至目前，国内外研究的多自由度电动机可以分为：自整角机式多自由度电动机、感应式多自由度电动机、永磁式多自由度电动机、超声波多自由度电动机、组合式多自由度电动机等，其中永磁式多自由度电动机包括永磁直流多自由度电动机、永磁步进多自由度电动机、磁阻式永磁多自由度电动机、永磁同步多自由度电动机。这些多自由度电动机的研制大多沿用了传统单自由度电机的设计思路。在众多结构中，球形结构的电动机由于其在运动学角度上最有利于多维运动，可以在空间任意角度实现定位，成为了国内外学者的研究热点。球形电动机能够代替传统多自由度传动装置，其优点在于能够在一台电机上实现复杂的多自由度运动，大大降低了机械传动装置的复杂程度，减小了装置的体积和重量，提高了传动装置的定位精度和响应速度，降低了***的能量损耗，拓展了电机的应用范围。球形电动机在机器人、机械手臂、电动陀螺、天线跟随器、机床加工、全景摄像云台以及机器人仿生眼球等设备中都有着广泛的应用前景。
目前，球形电动机的研究类型大致可归纳为磁阻型、永磁型、异步型和双馈型球形电动机。国外从事球形电动机领域研究工作的主要有：日本国立先进工业技术研究所、美国乔治亚理工学院、英国谢菲尔德大学、德国亚琛工业大学、美国约翰霍普金斯大学、新加坡南洋理工大学。日本国立先进工业技术研究所申请的球形电动机专利是根据平面磁阻电动机的原理演变而来的。1987年美国乔治亚理工学院G.J.Vanchtsevanos等介绍了一种三线圈感应式球形电动机，并首次提出了变磁阻式球形电动机的设计思想。1988年Kok-MengLee等人进一步阐述了磁阻型球形电动机的设计思想，指出了感应式球形电动机的缺点，并指出三自由度磁阻步进电动机与普通单自由度磁阻步进电机的不同之处。1997年英国谢菲尔德大学J.Wang等人研制开发了具有两自由度或三自由度的永磁球形电动机。1999年，德国亚琛工业大学开发出一种永磁型三自由度球形电动机，并深入研究了永磁球形电动机定子上磁极的排列与放置对电机转矩特性产生的影响。1999年，美国约翰霍普金斯大学S.Chirikjian等设计研制了一种永磁球形步进电动机，该电机的显著特征是定子对转子的覆盖范围小于半个转子，从而大大扩大了转子的运动范围。2004年，新加坡南洋理工大学Liang Yan等人研制了永磁球形直流电动机并搭建了球形电动机的实验测量平台。就目前来说，国外多自由度球形电动机的研究仍处于实验室研究阶段，距离真正的产品化还存在一定距离。
国内对多自由度球形电动机的研究始于20世纪80年代后期，起步较晚。由于国家相关部门非常重视，国家自然科学基金和863计划均资助了这方面的研究项目，推动国内关于球形电动机的研究得到了较快的发展。西北工业大学、华中理工大学、浙江大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学和天津大学等高校研制出了各自的多自由度球形电动机样机，并对有关问题进行了较为深入的研究。西北工业大学苏仲飞等人以无刷直流型球形电动机为研究方向，于1989年制成了第一台样机。1994年，华中理工大学黄声华等人研制了一台三自由度球形双馈感应电动机，对该电机的三维磁场计算和控制策略等问题进行了研究。1993年，浙江大学电机系诸静等人研制了一种机器人球关节用两自由度球形电动机，该电机采用了类似框架结构的二维步进式电机结构，由2台五相混合式步进电机组成。1999年，哈尔滨工业大学研制了一种非球形正交圆柱结构双气隙共磁钢三自由度步进电动机，属于组合式多自由度电动机。之后，合肥工业大学王群京等人对美国约翰霍普金斯大学提出的永磁型球形步进电动机进行了研究，天津大学将Halbach阵列应用到永磁球形电动机上，来改善电机的电磁场分布，使气隙磁场波形更接近正弦，提高了电机的运行性能。
目前，工业控制和机器人等高技术领域对能够在空间任意方向进行定位并执行伺服功能的元件需求与日俱增，从而对多自由度球形电动机的研究及应用提出了更高更迫切的要求。纵观前人所做的工作，球形电动机样机的种类虽然较多，但大部分还不十分完善，仍处于实验室研究阶段，距实际应用还存在一定的距离。由于球形电动机结构和原理的特殊性，为最终实现其产业化、商业化，需重点研究和解决以下方面的问题：
1.新原理样机的研发和现有电机结构的优化设计问题。根据不同应用场合对球形电动机的不同要求，继续研制开发采用新工作原理的实用化球形电动机，以扩展球形电动机的种类，拓宽球形电动机的应用范围。优化现有球形电动机结构，使电机结构简单，便于制造，提高电机的机械集成度，扩大转子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减小体积。
2.电磁场和转矩的计算问题。由于球形电动机具有复杂的电磁场分布，而且大多为三维场，所以要求深入研究球形电动机电磁场的计算问题，尝试用二维场来简化三维场计算，从而在二维场基础上进行电磁转矩的求解，为球形电动机的原理论证和结构设计提供依据。
3.电磁耦合问题。由于多自由度球形电动机结构集成度高，各自由度之间必然存在着复杂的电磁耦合关系。如何定量的分析这些耦合关系及其对电机控制性能的影响，以及如何进行解耦，是球形电动机研究中亟待解决的关键问题。
4.电机制造和加工工艺问题。由于多自由度球形电动机的结构形状与常规的单自由度圆柱电机有明显差别，所以许多用于常规电机设计的经验公式和图标曲线均不适用于球形电动机的设计。因此，必须根据球形电动机的具体结构特点，总结出电机设计经验公式，为以后球形电动机的优化设计提供参考。此外，由于球形电动机结构复杂，加工比较困难，所以还必须重视球形电动机加工工艺的研究，提高球形电动机加工的精确度。
5.球形电动机驱动控制问题。球形电动机是典型的机电一体化产品，其驱动控制***不仅要对各自由度的角位移、速度、加速度、输出转矩以及定子线圈进行检测，还要实现各自由度之间的解耦控制、轨迹规划，因此有必要研制适用于多自由度球形电动机控制***的专用控制元器件并采用计算机控制，开发计算机控制***。
6.位置检测和定位精度问题。为使球形电动机完成空间球面任意位置的定位运动，实现轨迹规划的最优路径搜寻，必须要求具有较高分辨率的三维位置传感***来实现电机转子球面位置的检测，并着眼于提高检测***的分辨精度，实现多自由度球形电动机的闭环控制。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，该电动机可以适用于机器人仿生眼球中，本发明可实现电机的开环位置控制，省去位置传感器，并且即使在开环位置控制运行条件下，亦可通过采用细分驱动电路供电实现较高的定位精度。进而可以实现驱动机器人仿生眼球在一定范围内、一定精度下沿任何轨迹运动，而且比多数传统的球形电动机结构更为简单、更容易加工制造、机械集成度更高、转子偏转范围更大、体积更小、重量更轻、驱动电路更加简化、控制方式更为简单、运行平滑性更好。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，其中，所述第一自由度电机为具有一缺口的圆环状结构，所述第二自由度电机为具有一开口的圆环状结构，且所述缺口与开口相适配，使得两个电机的所在平面相垂直正交；
所述第一自由度电机、第二自由度电机均包括定子和转子，定子铁心内径和转子铁心外径之间设有一定大小气隙间隔，转子与定子在所属自由度电机的所在平面内能够发生相对运动，所述第一自由度电机的定、转子中心轴线与第二自由度电机的定、转子中心轴线垂直正交，交点为球形电动机的球心；
通过两个自由度电机各自独立运动，实现设置在其中一个自由度电机上的输出轴端点到球心的距离恒定不变的两自由度运动。
所述第一自由度电机与第二自由度电机结构相同，均包括转子部分和定子部分，转子部分包括圆柱形的不导磁转子支架、环形永磁体及设置在永磁体两侧的环形叠压转子铁心，所述转子铁心外侧均匀布置若干小齿；定子部分包括弧形叠压定子铁心及定子绕组，定子铁心内周分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有定子小齿。
所述永磁体、转子铁心和不导磁转子支架上设有相同大小的开口，永磁体和转子铁心套装在不导磁转子支架上，使得三者的开口位置对齐。
所述定子铁心上设有若干轴承和轴承套轴，每个自由度电机所有轴承和轴承套轴的中心轴线位于同一圆柱平面，轴承与不导磁转子支架之间的机械配合方式为过盈配合。
所述转子部分的两端转子铁心上的小齿互错1/2齿距。
所述定子小齿的齿距与转子小齿齿距相同。
所述定子铁心弧度超过180°，且小于转子铁心弧度。
所述第一自由度电机的定子铁心通过底座固定不动，转子部分通过轴承和不导磁转子支架绕定子部分转动；
所述第二自由度电机整体随第一自由度电机的转子部分同步转动，转动轴线与第一自由度电机的定、转子中心轴线重合，第二自由度电机的定子部分绕自身的转子部分转动，转动轴线与第一自由度电机的定、转子中心轴线垂直正交。
所述定子绕组为集中绕组，缠绕在定子铁心的磁极上，同一相定子绕组缠绕在相邻的两个定子磁极上且绕制方向相反，此相邻两个定子磁极相互错开(k+0.5)θr机械角度，具有相同绕制方向的相邻两相定子绕组所在的两个定子磁极相互错开(j+0.5/m)θr机械角度，k和j为正整数且k<j，m为绕组相数，θr为转子齿距角。
在电机转动过程中，输出轴末端端点到球心的距离恒定不变，即输出轴末端端点的运行轨迹始终位于同一球面上，运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度范围。
所述定子绕组的数目与电机的相数相适配。
一种机器人仿生眼球，包括上述球形结构两自由度混合式步进电动机。
构造两自由度混合式步进电动机时，进行两个电机的空载实验、静态负载实验、稳态负载实验、起动实验和开环运行定位精度测试实验，以确定各自的空载电磁、负载情况下静态转矩、最佳运行转速范围、起动转速范围和开环运行定位精度。
本发明工作原理：对于第一自由度电机，永磁磁通Φ1经环形永磁体→一段转子铁心→气隙→定子铁心→气隙→另一段转子铁心→环形永磁体形成闭合回路，当定子绕组按一定顺序通电时，电机工作于混合式步进电动机状态，第一自由度电机的转子连同第二自由度电机整体相对于第一自由度电机的定子绕第一自由度电机的定、转子中心轴线(假定为X轴)转动，使输出轴实现绕X轴方向摆动。对于第二自由度电机，永磁磁通Φ2经环形永磁体→一段转子铁心→气隙→定子铁心→气隙→另一段转子铁心→环形永磁体形成闭合回路，当定子绕组按一定顺序通电时，电机同样工作于混合式步进电动机状态，第二自由度电机的定子相对于第二自由度电机的转子绕第二自由度电机的定、转子中心轴线(与X轴垂直正交，假定为Y轴)转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动。通过适当给第一自由度电机和第二自由度电机通电，可使输出轴实现在一定范围内绕X轴和Y轴作两自由度运动。
本发明两个自由度电机各自的运动使输出轴末端运行的轨迹分别看成地球仪上的经线和纬线。在实际当中，两个自由度电机的运动都是在一定极限转动角度范围之内的，即可认为输出轴能够在最大经度经线和最大维度纬线所围成的一段球面范围内以一定精度沿任意轨迹运动。因此，只要实际要求的机器人仿生眼球的运动范围在上述最大经度线和最大纬度线所围成的一段球面范围之内，则本发明可驱动关节或者眼球在要求范围内以一定精度沿任意轨迹运动。
本发明的有益效果为：
1.采用新的工作原理和电机结构，扩展了多自由度球形电动机的种类，电机机械集成度和材料利用率较高，输出轴的偏转范围较大，能够达到甚至超过±45°，支撑结构较为简单，有利于实现球形电动机的实用化、轻量化和小体积化。
2.简化了电机的电磁场和转矩分析计算。本发明的第一自由度电机和第二自由度电机均为混合式步进电动机，而针对混合式步进电动机的电磁场和转矩计算已有大量的分析研究，且能够采用二维场来简化三维场计算，为电机的原理验证和结构设计带来极大方便。
3.解决了电磁耦合问题。本发明的第一自由度电机和第二自由度电机是通过不导磁转子支架固定在一起的，因此两者在电磁方面是相互独立的，之间不存在电磁耦合关系，极大简化了电机的电磁计算和性能分析，解决了球形电动机研究过程中的关键问题。
4.简化了电机制造和加工工艺。本发明的两个自由度电机在电磁方面是相互独立的，可以针对每个自由度电机单独进行电磁设计，因此许多用于常规混合式步进电动机设计的经验公式和图表曲线均适用于本发明，此外本发明的两个自由度电机可以分别进行制造和加工，加工完成后进行组装即可，因此可以简化制造和加工工艺，保证每个自由度电机的加工精度，从而提高球形电动机整体的加工精度。
5、简化了电机的驱动控制***。本发明的两个自由度电机均工作于混合式步进电动机状态且相互独立，因此可采用适用于混合式步进电动机的电流细分驱动控制方法对两个自由度电机单独进行驱动和控制，实现了两个自由度之间的解耦控制，便于进行轨迹规划和控制算法研究，此外，采用成熟的集成化细分驱动控制电路，大大简化了驱动控制***的研制，便于开发计算机控制***，提高控制驱动一体化、集成化程度。
6、可实现开环位置控制，省去位置传感器，且开环控制定位精度较高。本发明的两个自由度电机均工作于混合式步进电动机状态且相互独立，因此可分别进行开环位置控制，开环控制定位精度的高低取决于每个自由度电机的步距角大小，而混合式步进电动机的优点在于，开环控制条件下可采用电流细分驱动方法提高定位精度，且电流细分数越大，定位精度越高，因此通过改变电流细分数即可满足不同的定位精度要求。
7、方便对电机进行性能测试和实验研究。一方面，本发明的两个自由度电机相互独立，因此可分别进行性能测试和实验研究。另一方面，对每个自由度电机进行实验测试时，可构造转子部分(包括永磁体、转子铁心和不导磁转子支架)无开口区域的测试样机，测试样机相比于原电机尺寸结构参数不变但可进行大于360°转动，并且测试样机上可以安装转轴，使得用于常规电机的性能测试和实验研究方法可直接应用于测试样机；
8、本电机体积小、质量轻、定位精度高、运行平滑性好，而且能使眼球即电动机的输出轴末端在给定范围内一定精度下沿任何轨迹运动，保证眼球连续地转动。
可以看出，本发明的球形结构两自由度混合式步进电动机与传统的多自由度球形电动机相比具有结构原理简单、机械集成度高、设计计算方便、加工制造容易、驱动控制方式简单、可实现开环控制且开环控制定位精度高的优势，为推动球形电动机的实用化、产业化、商业化提供了新的思路和解决方案。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明的第一自由度电机整体结构图；
图3为本发明的第二自由度电机整体结构图；
图4为本发明的第一自由度电机结构分解图；
图5为本发明的第二自由度电机结构分解图；
图6为本发明第一自由度电机的定子绕组各线圈接线图(以2相电机为例，图中“×”表示绕组方向垂直纸面向里，“·”表示绕组方向垂直纸面向外)；
图7为本发明第二自由度电机的定子绕组各线圈接线图(以2相电机为例)；
图8为本发明的第一自由度电机极限转动角度示意图；
图9为本发明的第二自由度电机极限转动角度示意图；
图10为本发明的输出轴末端端点运行轨迹范围示意图；
图11为本发明第一自由度电机的定子绕组各线圈接线图(以3相电机为例)；
图12为本发明第二自由度电机的定子绕组各线圈接线图(以3相电机为例)；
图13为本发明第一自由度电机的实验测试样机整体结构图(测试样机的定子绕组各线圈接线方式如图6)；
图14为本发明第二自由度电机的实验测试样机整体结构图(测试样机的定子绕组各线圈接线方式如图7)；
图中，1.第一自由度电机，2.第二自由度电机，3.输出轴，4.底座，5.定子铁心，6.不导磁转子支架，7.转子铁心，8.永磁体，9.轴承，10.轴承套轴，11.定子绕组，12.输出轴末端端点运行轨迹所在球面，13.东经45°经线，14.南纬45°纬线，15.西经45°经线，16.北纬45°纬线，17.第一自由度电机测试样机转轴，18.第二自由度电机测试样机转轴。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，当本发明用作两相两自由度混合式步进电动机时，电机整体结构如图1所示，包括第一自由度电机1、第二自由度电机2、输出轴3和底座4，如图2、图3所示。由图4、图5所示的电机结构分解图可见，每个自由度电机包括转子部分和定子部分，转子部分包括圆柱形的不导磁转子支架6、环形永磁体8及其两侧的两段环形叠压转子铁心7，转子铁心7外侧均匀布置若干小齿，两段转子铁心7上的小齿互错1/2齿距，永磁体8、转子铁心7和不导磁转子支架6上设有相同大小的开口，永磁体8和转子铁心7套装在不导磁转子支架6上，使得三者的开口位置对齐；定子部分包括弧形叠压定子铁心5、轴承9、轴承套轴10及定子绕组11，定子铁心5的弧度超过180°，但小于转子铁心7的弧度，定子铁心5内周分布有磁极，极间槽内设有定子绕组11，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的定子小齿；所述两个自由度电机的定子铁心5上设有轴承9和轴承套轴10，每个自由度电机所有轴承9和轴承套轴10的中心轴线位于同一圆柱平面，轴承9与不导磁转子支架6之间的机械配合方式为过盈配合；转子铁心7和永磁体8通过不导磁转子支架6、轴承9、轴承套轴10与定子铁心5固定在一起，定子铁心5内径和转子铁心7外径之间设有一定大小气隙间隔；所述第一自由度电机1的定子铁心5-1与底座4固定，第二自由度电机2的定子铁心5-2中心处设有输出轴3，输出轴3可接负载设备。
所述两个自由度电机转子铁心7的内、外径相同，两个电机的转子铁心7和永磁体8通过不导磁转子支架6垂直正交固定在一起，使得第一自由度电机1的定、转子中心轴线X轴与第二自由度电机2的定、转子中心轴线Y轴垂直正交，交点为球形电动机的球心；
所述不导磁转子支架6中间圆柱部分和两侧圆柱部分的直径分别与转子铁心7的内径和外径相同，不导磁转子支架6两侧圆柱部分表面光滑，可为轴承9提供滑动轨道。
本发明实现两自由度运行原理如下：如图4、图6所示，第一自由度电机1的定子部分(包括定子铁心5-1、轴承9-1、轴承套轴10-1和定子绕组11-1、11-2、11-3、11-4)通过底座4固定不动，当两相定子绕组按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，转子部分(包括不导磁转子支架6-1和6-2、转子铁心7-1和7-2、永磁体8-1)可通过轴承9-1绕X轴转动,并且能够驱动输出轴3和第二自由度电机2绕X轴转动，如图1所示。在此基础上，当第二自由度电机2的两相定子绕组(包括11-5、11-6、11-7、11-8)按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，第二自由度电机2的定子部分(包括定子铁心5-2、轴承9-2、轴承套轴10-2和定子绕组11-5、11-6、11-7、11-8)可通过轴承9-2绕Y轴转动，并驱动输出轴3绕Y轴转动，如图5、图7所示。因此，输出轴3可在第一自由度电机1、第二自由度电机2驱动下分别绕X轴、Y轴转动，并且两个自由度电机的运动相互独立，从而实现两自由度运动。由于X轴和Y轴在空间始终垂直正交，交点位置不变且为整体球形电机的球心，并且输出轴3的中心轴线穿过球心，因此在电机转动过程中，输出轴3末端端点到球心的距离恒定不变，即输出轴3末端端点的运行轨迹始终位于同一球面12上，运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度范围。其中，第一自由度电机1的极限转动角度如图8中的θ1所示，第二自由度电机2的极限转动角度如图9中的θ2所示。以两个自由度电机极限转动角度θ1＝θ2＝45°、步距角(每步进运行一步转过的机械角度)1.8°为例，输出轴3末端端点的运行区域恰好包含在东经45°经线13，南纬45°纬线14，西经45°纬线15，北纬45°纬线16所围成的球面区域范围之内，如图10所示，这一球面区域范围内的点阵即为输出轴3末端端点所能达到达的空间所有位置。由图10可见，电机的步距角越小，则点阵中相邻两点的球面距离越近，表示输出轴3末端端点的定位精度越高。实际当中，通常采用电流细分驱动方式(混合式步进电动机采用电流细分驱动方式为现有技术，是本领域公知常识)以减小步距角，并且电流细分数越大，步距角越小、定位精度越高。例如，当采用64电流细分驱动时，步距角可减小为1.8°/64，约为0.03°，这在开环运行条件下已经是非常高的定位精度。
本发明通常用作两相和三相电动机结构，图6、图7为本发明用作两相电动机时的定子绕组接线示意图，图11、图12为本发明用作三相电动机时的定子绕组接线示意图。定子绕组11为集中绕组，缠绕在定子铁心5的磁极上，同一相定子绕组缠绕在相邻的两个定子磁极上且绕制方向相反，如图6中的A相定子绕组11-1、11-2和图11中的A相定子绕组11-9、11-10所示，此相邻两个定子磁极相互错开(k+0.5)θr机械角度；具有相同绕制方向的相邻两相定子绕组所在的两个定子磁极相互错开(j+0.5/m)θr机械角度。其中，k和j为正整数且k<j，m为定子绕组相数，θr为转子齿距角(机械角度)，k和j的选取需保证相邻两个定子磁极之间留有一定大小的空隙，以方便嵌放定子绕组。例如，图6中的A相定子绕组11-1和11-2所在的两个定子磁极相互错开(6+0.5)θr(θr＝7.2°)，A相定子绕组11-1和B相定子绕组11-3所在的两个定子磁极相互错开(13+0.5/2)θr；图11中的A相定子绕组11-9和11-10所在的两个定子磁极相互错开(4+0.5)θr(θr＝7.2°)，A相定子绕组11-9和B相定子绕组11-11所在的两个定子磁极相互错开(9+0.5/3)θr。
相比于传统结构的多自由度球形电动机，本发明的显著优势之一体现在容易构造测试样机并进行性能测试和实验研究，这为缩短本发明从产品初步设计到产品性能完善的研发周期奠定了基础，有利于推动本发明产品的实用化、产业化和商业化进程。下面结合图1、图2、图3、图13、图14具体说明本发明测试样机的构造方法以及性能测试和实验研究方法。本发明电机整体(如图1)可以拆成相互独立的两个自由度电机，即第一自由度电机1(如图2)和第二自由度电机2(如图3)，并且能分别构造测试样机和进行实验测试。其中，针对第一自由度1构造的测试样机如图13所示，具体构造方法如下：(1)保持第一自由度电机1的尺寸结构不变条件下，将其转子部分的开口区域补充完整，使得转子部分成为完整圆柱结构；(2)在转子部分中心处添加转轴部分(可以为双出轴或单出轴)。针对第二自由度2构造的测试样机如图14所示，具体构造方法如下：(1)保持第二自由度电机2的尺寸结构不变条件下，将其转子部分的开口区域补充完整，使得转子部分成为完整圆柱结构，同时将其定子铁心5-2轭部的外侧设计成与第一自由度电机1定子铁心5-1轭部的外侧相同的形状；(2)在转子部分中心处添加转轴部分(可以为双出轴或单出轴)；(3)在定子铁心5-2上安装底座4。对于两个自由度电机的测试样机，当两相定子绕组按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，样机可以像普通混合式步进电动机一样转动，因而可进行一系列性能测试和实验研究，主要包括：(1)进行空载实验，测量样机在一定转速下的空载反电动势，以验证样机空载电磁设计的准确性和合理性；(2)进行静态负载实验，测量样机的矩角特性，以验证样机负载情况下静态转矩设计的准确性和合理性；(3)进行稳态负载实验，测量样机的矩频特性，获得样机转矩随转速的变化规律，以确定样机的最佳运行转速范围；(4)进行电机起动实验，测量样机的空载和负载最大起动频率，以确定样机的起动转速范围；(5)进行开环运行定位精度测试实验，通过在样机转轴上安装编码器或角度传感器，可以测量样机实际转动的角度数值(可在不同负载情况下进行多组测量)，将此实测数值与开环控制运行条件下的理论数值(驱动器输出总的脉冲数乘以样机步距角)进行比较，可以进行误差分析，从而确定样机的开环运行定位精度。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：包括第一自由度电机、第二自由度电机和输出轴，其中，所述第一自由度电机为具有一缺口的圆环状结构，所述第二自由度电机为具有一开口的圆环状结构，且所述缺口与开口相适配，使得两个电机的所在平面相垂直正交；
所述第一自由度电机、第二自由度电机均包括定子和转子，定子铁心内径和转子铁心外径之间设有一定大小气隙间隔，转子与定子在所属自由度电机的所在平面内能够发生相对运动，所述第一自由度电机的定、转子中心轴线与第二自由度电机的定、转子中心轴线垂直正交，交点为球形电动机的球心；
通过两个自由度电机各自独立运动，实现设置在其中一个自由度电机上的输出轴端点到球心的距离恒定不变的两自由度运动；
所述第一自由度电机与第二自由度电机结构相同，均包括转子部分和定子部分，转子部分包括圆柱形的不导磁转子支架、环形永磁体及设置在永磁体两侧的环形叠压转子铁心，所述转子铁心外侧均匀布置若干小齿；定子部分包括弧形叠压定子铁心及定子绕组，定子铁心内周分布有磁极，极间槽内设有定子绕组，磁极的极靴上分布有定子小齿。
2.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述永磁体、转子铁心和不导磁转子支架上设有相同大小的开口，永磁体和转子铁心套装在不导磁转子支架上，使得三者的开口位置对齐。
3.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述定子铁心上设有若干轴承和轴承套轴，每个自由度电机所有轴承和轴承套轴的中心轴线位于同一圆柱平面，轴承与不导磁转子支架之间的机械配合方式为过盈配合。
4.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述转子部分的两端转子铁心上的小齿互错1/2齿距；所述定子小齿的齿距与转子小齿齿距相同。
5.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：构造两自由度混合式步进电动机时，进行两个电机的空载实验、静态负载实验、稳态负载实验、起动实验和开环运行定位精度测试实验，以确定各自的空载电磁、负载情况下静态转矩、最佳运行转速范围、起动转速范围和开环运行定位精度。
6.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述定子铁心弧度超过180°，且小于转子铁心弧度。
7.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述第一自由度电机的定子铁心通过底座固定不动，转子部分通过轴承和不导磁转子支架绕定子部分转动；
所述第二自由度电机整体随第一自由度电机的转子部分同步转动，转动轴线与第一自由度电机的定、转子中心轴线重合，第二自由度电机的定子部分绕自身的转子部分转动，转动轴线与第一自由度电机的定、转子中心轴线垂直正交。
8.如权利要求1所述的一种机器人仿生眼球用两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述定子绕组为集中绕组，缠绕在定子铁心的磁极上，同一相定子绕组缠绕在相邻的两个定子磁极上且绕制方向相反，此相邻两个定子磁极相互错开(k+0.5)θr机械角度，具有相同绕制方向的相邻两相定子绕组所在的两个定子磁极相互错开(j+0.5/m)θr机械角度，k和j为正整数且k<j，m为绕组相数，θr为转子齿距角。
9.一种机器人仿生眼球，其特征是：包括如权利要求1-8中任一项所述的球形结构两自由度混合式步进电动机。
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