球形關節電動機概述
范承志 (浙江大學杭州310027)
【摘 要】介紹球形二維運動關節電機的發展概況，簡述各類關節電機的結構、原理及其特
點，提出框架式二維步進型關節電機的結構型式和驅動特點，并給出了實物模型的試驗結果。
1 引 言
球形二維運動電機是關節驅動所需的關鍵部件。在機器人的一些關節驅動中，往往要求驅動器具有二個或二個以上的活動自由度，以達到簡化結構，模擬人體動作的功能。例如對于腕關節驅動而言，由于它是連接手部和臂部的關節，為使手爪能在空間活動(沿腕關節作球面運動)，需要腕都驅動能實現二個自由度的轉動。
對于傳統的驅動電機而言，要實現二維運動需要二個伺服電機通過復雜的機械連接實現。由于機械連接機構會降低系統的靜態和動態性能，因此較好的辦法之一就是開發能實現多自由度驅動的專用關節電機。
2關節電機發展概況
作球面二維運動的關節電機是目前研究得最多的一種關節驅動電機，多自由度的球形電機理論最初是由e．c．williams和e．p．laithwaite等在50年代提出的，但其最初的目的是為了調速。到80年代，美日兩國的研究人員把注意力集中到機器人關節驅動電機上來，各種關節電機的理論和電機模型相繼被提出來。
2．1感應式球面三繞組電機
這種根據“三套正交繞組定位理論”的感應式電機是較早出現的一種球形關節電機，圖1給出了這種電機的結構模型。它是利用感應電機工作原理，在球形定子內側面繞有三套在空間互相正交的繞組。當控制三套繞組使其流過不同的交變電流時，可在空間產生球面運動的磁場。球形電機轉子為實心圓導磁體，外表面均勻地涂有一層良導體材料，其作用類似于異步電機的轉子繞組，以構成任何方向都導通的短路環。三套繞組的電流變化使空間磁場沿著所需方向運動，在轉子導體表面形成切割電勢和電流，帶動轉子在球面坐標上活動。這種電機的定位力矩(堵轉力矩)較小，且效率比較低，不宜低速或堵轉運行，電機的位置速度檢測也比較復雜。
2．2永磁轉子凸極式同步電機
針對感應子電機的不足，提出了一類同步式永磁轉子球形電機。圖2顯示的是一項日本專利中描述的原理外形。這種電機的轉子為永磁體凸極式轉子，電機的運動是以同步電機的方式實現的。當定子繞組產生的空間磁場在球面轉動時，其轉子也作相應的運動，這種電機有較大的定位力矩。
2．3球面步進電機
球面步進電機是由平面二維運動的步進電機演變而來的，其工作原理與平面步進電機一樣，它的轉子結構形式見圖3。在轉子球表面和定子極內圓表面開有許多均勻的小齒塊，通過控制定子極線圈的通電順序，完成球面運動。步進式球形關節電機的特點是能實現開環控制，能精確定位，有較大的靜態力矩，但圓表面的小齒塊加工復雜。
2．4框架式球電機
圖4顯示了一種框架式球電機的結構形式。框架結構電機是由兩個電氣上互相獨立的電機組合而成的，其活動結構類似于陀螺儀，內電機作旋轉運動，帶動整個裝置繞主軸旋轉，外電機作擺動。兩者運動的組合可使電
機出軸的末端在一球面上運動。由于這種結構中二個轉動電機都互相獨立，在電磁分析、機械結構加工、安裝等方面都比前面三種球面轉子結構要方便，而且由于其活動是沿二個固定軸作旋轉運動，因此容易實現位置、速度等檢測和控制。
3步進型二維關節電機
根據對球形電機的分析，考慮到加工工藝和檢測控制手段的可行性及實用性，采用了類似于框架結構的二維步進式電機結構，開發研究一種關節驅動電機。圖5示出了這種電機的結構原理圖。在這種結構中，外層大電機的定子外形為一半球形結構，其內圓周上排列有定子磁極。大電機的轉子也為一空心半圓形結構，外圓周上開有齒槽。轉子支撐軸位于半圓形的下方。半圓形轉子可沿垂直軸作360o旋轉。在大電機半圓形轉子的內腔嵌入一外轉子式的小電機，小電機的外轉子結構可沿一固定于大電機轉子上的水平軸作前后擺動。小電機外轉子的中心裝有一出軸，當大電機轉子和小電機外轉子共同運動時，此出軸的末端可在一球面上活動.
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