球形关节电动机概述
范承志 (浙江大学杭州310027)
【摘 要】介绍球形二维运动关节电机的发展概况，简述各类关节电机的结构、原理及其特
点，提出框架式二维步进型关节电机的结构型式和驱动特点，并给出了实物模型的试验结果。
1 引 言
球形二维运动电机是关节驱动所需的关键部件。在机器人的一些关节驱动中，往往要求驱动器具有二个或二个以上的活动自由度，以达到简化结构，模拟人体动作的功能。例如对于腕关节驱动而言，由于它是连接手部和臂部的关节，为使手爪能在空间活动(沿腕关节作球面运动)，需要腕都驱动能实现二个自由度的转动。
对于传统的驱动电机而言，要实现二维运动需要二个伺服电机通过复杂的机械连接实现。由于机械连接机构会降低系统的静态和动态性能，因此较好的办法之一就是开发能实现多自由度驱动的专用关节电机。
2关节电机发展概况
作球面二维运动的关节电机是目前研究得最多的一种关节驱动电机，多自由度的球形电机理论最初是由e．c．williams和e．p．laithwaite等在50年代提出的，但其最初的目的是为了调速。到80年代，美日两国的研究人员把注意力集中到机器人关节驱动电机上来，各种关节电机的理论和电机模型相继被提出来。
2．1感应式球面三绕组电机
这种根据“三套正交绕组定位理论”的感应式电机是较早出现的一种球形关节电机，图1给出了这种电机的结构模型。它是利用感应电机工作原理，在球形定子内侧面绕有三套在空间互相正交的绕组。当控制三套绕组使其流过不同的交变电流时，可在空间产生球面运动的磁场。球形电机转子为实心圆导磁体，外表面均匀地涂有一层良导体材料，其作用类似于异步电机的转子绕组，以构成任何方向都导通的短路环。三套绕组的电流变化使空间磁场沿着所需方向运动，在转子导体表面形成切割电势和电流，带动转子在球面坐标上活动。这种电机的定位力矩(堵转力矩)较小，且效率比较低，不宜低速或堵转运行，电机的位置速度检测也比较复杂。
2．2永磁转子凸极式同步电机
针对感应子电机的不足，提出了一类同步式永磁转子球形电机。图2显示的是一项日本专利中描述的原理外形。这种电机的转子为永磁体凸极式转子，电机的运动是以同步电机的方式实现的。当定子绕组产生的空间磁场在球面转动时，其转子也作相应的运动，这种电机有较大的定位力矩。
2．3球面步进电机
球面步进电机是由平面二维运动的步进电机演变而来的，其工作原理与平面步进电机一样，它的转子结构形式见图3。在转子球表面和定子极内圆表面开有许多均匀的小齿块，通过控制定子极线圈的通电顺序，完成球面运动。步进式球形关节电机的特点是能实现开环控制，能精确定位，有较大的静态力矩，但圆表面的小齿块加工复杂。
2．4框架式球电机
图4显示了一种框架式球电机的结构形式。框架结构电机是由两个电气上互相独立的电机组合而成的，其活动结构类似于陀螺仪，内电机作旋转运动，带动整个装置绕主轴旋转，外电机作摆动。两者运动的组合可使电
机出轴的末端在一球面上运动。由于这种结构中二个转动电机都互相独立，在电磁分析、机械结构加工、安装等方面都比前面三种球面转子结构要方便，而且由于其活动是沿二个固定轴作旋转运动，因此容易实现位置、速度等检测和控制。
3步进型二维关节电机
根据对球形电机的分析，考虑到加工工艺和检测控制手段的可行性及实用性，采用了类似于框架结构的二维步进式电机结构，开发研究一种关节驱动电机。图5示出了这种电机的结构原理图。在这种结构中，外层大电机的定子外形为一半球形结构，其内圆周上排列有定子磁极。大电机的转子也为一空心半圆形结构，外圆周上开有齿槽。转子支撑轴位于半圆形的下方。半圆形转子可沿垂直轴作360o旋转。在大电机半圆形转子的内腔嵌入一外转子式的小电机，小电机的外转子结构可沿一固定于大电机转子上的水平轴作前后摆动。小电机外转子的中心装有一出轴，当大电机转子和小电机外转子共同运动时，此出轴的末端可在一球面上活动.
| 
