CN106341024B - 机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人用正交圆柱结构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，第一自由度电机为圆柱状结构，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，绕转轴旋转；第二自由度电机为圆柱状结构，设置在所述第一自由度电机的外沿，且其轴心与所述第一自由度电机的轴心垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的轴心为转轴，绕其转动；第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中由保持相对于第一自由度电机的独立运动，使得设置在其外侧的输出轴实现两个自由度的运动。本发明有利于缩短产品的研发周期、提升产品的性能，进一步推动多(两)自由度电动机的实用化、产业化和商业化。

Description

机器人用正交圆柱结构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用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机。

背景技术

机器人近些年发展迅速，能够替代人员去执行一些困难、危险或对人身健康有伤害的任务，但是，传统的异步电动机、同步电动机，只有转子旋转这一个自由度，通过齿轮或者蜗杆的配合可以将这一旋转运动变成直线运动。在很多场合中，直线或者旋转运动就足够满足被控制对象的需要；但是在一些比较复杂的运动场合或任务(如机器人手臂的控制、雷达的定位控制等)，需要机器人进行灵活动作，一个自由度不能满足需要，必需要有多个电动机的配合使用才能达到目的。但是，如果由多台电动机实行控制就会产生很多的问题，如机械结构复杂、体积和重量增加、精度和动态特性难以保证等。正是由于在多自由度控制中如果采用多台电动机控制存在诸多缺陷，人们便逐渐开始研究是否能够将一台电动机做成多自由度的，使之能够模拟被控对象所要实现的运动轨迹。

多自由度电动机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转的电动机。它具有机械集成度高、电动机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等特点，在具有多个运动自由度的机械系统中，一台多自由度电动机可以代替两台或多台单自由度电动机，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，从而提高系统的精度和动态性能，提高性能价格比。因此多自由度电动机在机器人、多坐标机械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、球形阀等具有多个运动自由度的设备中具有广泛的应用前景。

多自由度电动机的研究起源于五十年代，到了八十年代中期，空间技术、机器人及自动化技术的迅速发展，促进了多自由度电动机研究的发展，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，对其研究也进入了高潮阶段。20世纪50年代初，为改善感应电动机的调速性能，英国E.C.Williams等人研制了一种变速球形感应电动机，该电机的定转子都是可动的，可以说是多自由度电机的雏形。与此同时，前苏联学者研制出一种自整角原理的三自由度电动机。自此后直到80年代初期，多自由度电动机的研究处于低潮，主要研究成果有N.S.Bers的球形绕组电动机专利，I.Laing和N.Laing的球形电动机泵专利，以及球形电动机在陀螺方面的应用。进入20世纪80年代，机器人和空间技术的迅速发展促进了多自由度电动机研究的发展，同时电机新材料的出现和制造工艺水平的提高、电机理论和自动控制理论研究的深入以及电力电子技术和计算机技术的飞速发展，为多自由度电动机本体制造及其驱动控制系统的实现提供了有利的条件。此后，美国、日本和欧洲等地学者的研究工作十分活跃，各种工作原理和不同结构的多自由度电动机层出不穷，比较典型的有法国的A.Foggia等人研制的外转子两自由度球形感应电动机、美国G.J.Vanchtsevanos等人研制的三自由度球形感应电动机、美国Kok-Meng Lee等人研制的球形步进电动机、A.R.Miles等人研制的三相自整角原理的两自由度球形电动机、日本的K.Kaneko等人研制的三自由度球形直流伺服电动机、日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机等等。

我国对多自由度电动机的研究始于20世纪80年代后期，虽然起步较晚，但国家有关部门非常重视，863计划和国家自然科学基金都资助过多自由度电动机方面的研究项目。主要研究成果有西北工业大学研制了一种三自由度球形电动机，华中理工大学研制了一台三自由度球形感应电动机，浙江大学基于日本电气精器公司提出的框架结构两自由度电动机原理研制了一种用于机器人球关节的正交结构两自由度混合式步进电动机，哈尔滨工业大学研制出了一种正交圆柱结构两自由度电动机，山东大学研制出了一种用于驱动机器人仿生眼球的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机。

纵观前人所做的工作，多自由度结构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。其中，传统球形结构的多自由度电动机制造和加工工艺比较困难，且电动机控制系统过于复杂，必须安装位置检测装置以构成闭环控制，从而实现输出轴的准确定位，造成电动机整体体积和重量较大；基于正交结构的两自由度电动机制造和加工工艺较为成熟，电动机可采用开环方式进行控制，从而省去了位置传感器、简化了控制系统、减小了电动机整体体积和重量，但是仍存在一系列难以解决的问题，例如：

1.图1为哈尔滨工业大学研制的正交圆柱结构两自由度电动机示意图，该电动机由第1自由度电机1-1和第2自由度电机2-1构成，其中，1-1工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，2-1工作于永磁式步进电动机状态，步距角大、开环定位精度低，因此两自由度电动机整体定位精度较差。

2.图2为浙江大学研制的正交结构两自由度混合式步进电动机示意图，图3为山东大学研制的仿生眼球用两自由度混合式步进电动机示意图，两者均由第1自由度电机1-2、1-3和第2自由度电机2-2、2-3构成，且1-2、1-3、2-2、2-3均工作于混合式步进电动机状态，步距角小、开环定位精度高，由于2-2、2-3均采用特殊的非圆柱结构电机，转动过程中会在非对称电磁力和重力影响下产生机械方面的不平衡力，造成电机扰动，严重时可能导致电机无法正常运行。

3.由图1、图2可见，此两种结构两自由度电动机的第1自由度电机(1-1、1-2)两端部和第2自由度电机(2-1、2-2)内部存在部分空间未得到充分利用，这在一定程度上降低了两自由度电动机整体的机械集成度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，本发明减小了电磁方面的不平衡力、彻底消除了机械方面的不平衡力，可实现电动机的开环位置控制，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。进一步的可以实现驱动机器人关节和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多自由度电动机结构更为简单、更容易加工制造、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：

机器人用正交圆柱结构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圆柱状结构的内转子电机，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，所述第一自由度电机的定子部分在空间静止不动，而转子部分绕定、转子中心轴线转动；

所述第二自由度电机为圆柱状结构的外转子电机，设置在所述第一自由度电机的外沿，且将第一自由度电机套装于其内部，且其轴心与所述第一自由度电机的轴心垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的轴心为转轴，绕其转动；

所述第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中又保持相对于第一自由度电机的独立运动，使设置在第二自由度电机外侧的输出轴实现运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度的运动。

所述第一自由度电机为内转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心外侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心内侧分布有磁极，极间槽内设有定子绕组。

所述第二自由度电机为外转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心内侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心外侧分布有磁极，极间槽内设有定子绕组。

所述转子部分的两段转子铁心上的小齿互错1/2齿距，所述极靴上分布的定子小齿之间的齿距与转子小齿齿距相同。

所述第一自由度电机的定子铁心外径小于第二自由度电机的定子铁心外径，并且第二自由度电机的定子铁心内部开设有槽口，所述第一自由度电机能够嵌放到槽口里面。

所述第二自由度电机的定子铁心上设有机械连杆，机械连杆的一端与第二自由度电机的定子铁心固定，另一端与第一自由度电机的转轴固定，使得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，第一自由度电机的转轴带动第二自由度电机整体绕第一自由度电机的定、转子中心轴线在一定范围内转动。

所述输出轴末端端点的运行轨迹始终位于同一球面上。

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)θ_r机械角度；具有相同绕制方向的两相定子绕组所在的两个定子磁极相互错开(180°±θ_r/4)机械角度，其中，k为正整数，θ_r为转子齿距角。

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。

一种机器人关节，具体包括上述两自由度混合式步进电动机。

一种机器人仿生眼球，包括上述两自由度混合式步进电动机。

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部分和转轴连同第二自由度电机整体相对于第一自由度电机的定子部分绕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，第二自由度电机的转子部分相对于第二自由度电机的定子部分绕Y轴转动，使输出轴实现绕Y轴方向摆动。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类似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关节或者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，扩展了多自由度电动机的种类，电机机械集成度和材料利用率较高，定位精度较高，输出轴的偏转范围较大，能够达到甚至超过±45°，电机本体和机械连接结构较为简单，加工制造容易，有利于实现多自由度电动机(特别是两自由度电动机)的实用化、轻量化和小体积化。

2、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的机械机构固定在一起的，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，解决了多自由度电动机研究过程中的关键问题之一。

3、彻底消除了机械方面的不平衡力，大大削弱了电磁方面的不平衡力。本发明的两个自由度电机均采用圆柱结构电机，且两者的转动部分(暂不考虑输出轴及其外接负载)相对于各自的转动轴为恒定负载，即转动部分转动到任意位置所产生的机械力相对于各自的转动轴恒定不变，因而彻底消除了转动过程中机械方面的不平衡力。另一方面，第一自由度电机的定、转子部分均采用完全对称圆柱电机结构，彻底消除了电磁方面的不平衡力；第二自由度电机的转子部分采用完全对称圆柱电机结构，定子部分采用非对称圆柱电机结构，因此会产生电磁不平衡力，但相比于正交结构两自由度混合式步进电动机(图2)和仿生眼球用两自由度混合式步进电动机(图3)，这一电磁不平衡力因采用圆柱电机结构而得到大大削弱。

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，并且两个自由度电机均采用完整圆柱电机结构，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，两个自由度电机可分别进行制造和加工，加工完成后进行简易组装即可，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，从而提高两自由度电动机整体的加工精度。

5、简化了电机的驱动控制系统。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系统的研制，便于开发计算机控制系统，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，彻底解决了普通正交圆柱结构两自由度电动机(图1)开环运行定位精度低的问题。

7、提高了电动机整体的机械集成度。如图4所示，由于本发明的第二自由度电机2-4采用了外转子结构，使得第一自由度电机两端部和第二自由度电机内部之间的空间得到了有效利用，相比于普通正交圆柱结构两自由度电动机(图1)和正交结构两自由度混合式步进电动机(图2)机械集成度更高。

8、方便对电机进行性能测试和实验研究。本发明的两个自由度电机相互独立，并且均为完整圆柱结构电机，各自的转动范围均大于360°，因此可分别进行性能测试和实验研究。其中，第一自由度电机为双出轴的内转子电机，可直接作为测试样机并进行性能测试实验；第二自由度电机为外转子电机，可在转子上安装转轴构成测试样机，进而进行性能测试实验。

可以看出，本发明的组合型正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机与传统的多自由度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、开环控制定位精度较高的优势，大大降低了电机和驱动控制系统整体的制造和研发成本，有益于推动和实现多自由度电动机(尤其是两自由度电动机)的实用化、产业化和商业化。

附图说明

图1为正交圆柱结构两自由度电动机的整体结构图；

图2为正交结构两自由度混合式步进电动机的整体结构图；

图3为仿生眼球用两自由度混合式步进电动机的整体结构图；

图4为本发明的整体结构图；

图5为本发明的整体结构侧视图；

图6为本发明的第一自由度电机和底座整体结构图；

图7为本发明的第二自由度电机和输出轴整体结构图；

图8为本发明的第一自由度电机结构分解图；

图9为本发明的第二自由度电机结构分解图；

图10为本发明第一自由度电机的定子绕组各线圈接线图(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11为本发明第二自由度电机的定子绕组各线圈接线图；

图12为本发明的第一自由度电机极限转动角度示意图；

图13为本发明的第二自由度电机极限转动角度示意图；

图14为本发明的输出轴末端端点运行轨迹范围示意图；

图15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11)；

图16为本发明第二自由度电机的实验测试样机结构分解图(测试样机的定子绕组各线圈接线方式如图11)。

图中，1-4.第一自由度电机，2-4.第二自由度电机，3-4.输出轴，4-4.底座，5.定子端盖(不导磁)，6.转子端盖(不导磁)，7.X轴轴承，8.转子铁心，9.转轴，10.永磁体，11.定子铁心，12.Y轴轴承，13.Y轴轴承套轴，14.机械连杆，15.定子绕组，16.输出轴末端端点运行轨迹所在球面，17.东经60°经线，18.南纬45°纬线，19.西经60°经线，20.北纬45°纬线，21.第二自由度电机测试样机转轴，22.第二自由度电机测试样机转子端盖，23.第二自由度电机测试样机底座。

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。

机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，如图4所示，包括第一自由度电机1-4、第二自由度电机2-4、输出轴3-4和底座4-4，第一自由度电机1-4为内转子电机，包括转子部分、定子部分、定子端盖5、转轴9，第二自由度电机2-4为外转子电机，包括转子部分、定子部分、转子端盖6；所述两个自由度电机的转子部分结构原理相同，包括环形永磁体10及其两侧的两段环形叠压转子铁心8，转子铁心8外侧(第一自由度电机1-4)或内侧(第二自由度电机2-4)均匀布置若干小齿，两段转子铁心8上的小齿互错1/2齿距；所述两个自由度电机的定子部分均包括叠压定子铁心11、定子绕组15，定子铁心11内侧(第一自由度电机1-4)或外侧(第二自由度电机2-4)分布有磁极，极间槽内设有定子绕组15，磁极的极靴上分布有与转子小齿齿距相同的若干定子小齿；所述第二自由度电机2-4的定子铁心11上额外设有轴承12和轴承套轴13，轴承12与转子端盖6配合，转子部分通过转子端盖6、轴承12、轴承套轴13与定子铁心11固定在一起；所述第一自由度电机1-4的定子端盖5中心设有轴承7，转子部分中心设有转轴9，轴承7与转轴9配合，定子铁心11通过定子端盖5、轴承7、转轴9与转子部分固定在一起。

所述底座4-4与第一自由度电机1-4的定子端盖5固定，定子端盖5与定子铁心11固定，因此第一自由度电机1-4的定子端盖5和定子部分在空间静止不动，而转子部分和转轴9可绕定、转子中心轴线X轴在一定范围内转动；

所述第一自由度电机1-4的定子铁心11-1外径小于第二自由度电机2-4的定子铁心11-2外径，并且后者的定子铁心11-2内部开有足够大的槽口，使得第一自由度电机1-4整体能够嵌放到槽口里面；

所述第二自由度电机2-4的定子铁心11-2上设有机械连杆14，机械连杆14的一端与第二自由度电机2-4的定子铁心11-2固定，另一端与第一自由度电机1-4的转轴9固定，使得X轴与第二自由度电机2-4的定、转子中心轴线Y轴垂直正交，因此第一自由度电机1-4的转轴9可带动第二自由度电机2-4整体绕X轴在一定范围内转动；

所述第二自由度电机的转子端盖6外侧设有输出轴3-4，转子部分可带动输出轴3-4绕Y轴在一定范围内转动，输出轴3-4可接负载设备。

本发明实现两自由度运行原理如下：如图4、图6、图8、图10所示，第一自由度电机1-4的定子部分(包括定子铁心11-1、轴承7-1和7-2和定子绕组15-1～15-8)和定子端盖5-1、5-2通过底座4-4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(包括转子铁心8-1、8-2和永磁体10-1)和转轴9可通过轴承7-1、7-2绕X轴转动,并驱动输出轴3-4和第二自由度电机2-4整体绕X轴转动。在此基础上，当第二自由度电机2-4的两相定子绕组(15-9～15-12)按(+A)—(+B)—(-A)—(-B)的顺序通电时，其定子部分(包括定子铁心11-2、Y轴轴承12、Y轴轴承套轴13和定子绕组15-9～15-12)可通过Y轴轴承12绕Y轴转动，并驱动输出轴3-4绕Y轴转动，如图4、图7、图9、图11所示。因此，输出轴3-4可在第一自由度电机1-4、第二自由度电机2-4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电机的球心，并且输出轴3-4的中心轴线穿过球心，因此在电机转动过程中，输出轴3-4末端端点到球心的距离恒定不变，即输出轴3-4末端端点的运行轨迹始终位于同一球面16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1-4的极限转动角度如图12中的θ₁所示，第二自由度电机2-4的极限转动角度如图13中的θ₂所示。以两个自由度电机的极限转动角度θ₁＝60°、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3-4末端端点的运行区域恰好包含在东经60°经线17、南纬45°纬线18、西经60°经线19、北纬45°纬线20所围成的球面区域范围之内，如图14所示，这一球面区域范围内的点阵即为输出轴3-4末端端点所能达到达的空间所有位置。由图14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3-4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电动机结构，图10、图11分别为本发明用作两相电动机时第一自由度电机1-4和第二自由度电机2-4的定子绕组接线示意图，定子绕组15-1～15-12为集中绕组，缠绕在定子铁心11-1、11-2的磁极上。第一自由度电机1-4为普通结构混合式步进电动机，其定子绕组接线方式、定子磁极数及定转子齿数的确定方法属于本领域公知常识，在此重点介绍第二自由度电机2-4。如图11所示，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A相定子绕组15-9、15-10)，此相邻两个定子磁极相互错开(k+0.5)θ_r机械角度；具有相同绕制方向的A、B两相定子绕组(如A相定子绕组15-9和B相定子绕组15-11)所在的两个定子磁极相互错开(180°±θ_r/4)机械角度。其中，k为正整数，θ_r为转子齿距角(机械角度)，k的选取需保证同一相定子绕组所在的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11中A相定子绕组15-9和15-10所在的两个定子磁极相互错开(3+0.5)θ_r(θ_r＝7.2°)，A相定子绕组15-9和B相定子绕组15-11所在的两个定子磁极相互错开(180°+1.8°)。

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4、图6、图7、图15、图16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4)是由两个相互独立的完整圆柱结构电机组成的，即第一自由度电机1-4(如图6)和第二自由度电机2-4(如图7)，并且能分别构造测试样机并进行实验测试。其中，第一自由度电机1-4为双出轴的普通混合式步进电动机，可直接作为测试样机进行实验测试，如图6所示。第二自由度电机2-4为特殊的外转子混合式步进电动机，由于没有转轴，因而较难直接进行实验测试，有必要构造图15、图16所示的测试样机，具体构造方法如下：(1)在转子部分的一侧安装转子端盖22，转子端盖22的中心处设有转轴21；(2)在转子部分的另一侧安装底座23，底座23与定子铁心11-2通过螺钉固定在一起。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情况下最大起动频率，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 (10)

1.机器人用正交圆柱结构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圆柱状结构的内转子电机，且所述第一自由度电机以其圆柱状结构的底面直径方向为转轴，所述第一自由度电机的定子部分在空间静止不动，而转子部分绕定、转子中心轴线转动；

所述第二自由度电机为圆柱状结构的外转子电机，设置在所述第一自由度电机的外沿，且将第一自由度电机套装于第二自由度电机内部，且第二自由度电机与所述第一自由度电机的中轴线垂直正交，所述第二自由度电机以第一自由度电机的中心轴为转轴，绕转轴转动；

所述第二自由度电机随着第一自由度电机转动的过程中又保持相对于第一自由度电机的独立运动，使设置在第二自由度电机外侧的输出轴实现运行轨迹范围受限于两个自由度电机的极限转动角度的运动。

2.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构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为内转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心外侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心内侧分布有磁极，极间槽内设有定子绕组。

3.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述第二自由度电机为外转子电机，包括转子部分、定子部分和转轴，所述转子部分通过转轴设置在定子部分的中心处，所述转子部分包括环形永磁体及其两侧的两段环形叠压转子铁心，转子铁心内侧均匀布置若干小齿，定子部分均包括叠压定子铁心、定子绕组，定子铁心外侧分布有磁极，极间槽内设有定子绕组。

4.如权利要求2或3所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述转子部分的两段转子铁心上的小齿互错1/2齿距，极靴上分布的定子小齿之间的齿距与转子小齿齿距相同。

5.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构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外径小于第二自由度电机的定子铁心外径，并且第二自由度电机的定子铁心内部开设有槽口，所述第一自由度电机能够嵌放到槽口里面。

6.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：所述第二自由度电机的定子铁心上设有机械连杆，机械连杆的一端与第二自由度电机的定子铁心固定，另一端与第一自由度电机的转轴固定，使得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，第一自由度电机的转轴带动第二自由度电机整体绕第一自由度电机的定、转子中心轴线在一定范围内转动。

7.如权利要求2或3所述的机器人用正交圆柱结构两自由度混合式步进电动机，其特征是：

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)θ_r机械角度；具有相同绕制方向的两相定子绕组所在的两个定子磁极相互错开(180°±θ_r/4)机械角度，其中，k为正整数，θ_r为转子齿距角。

8.如权利要求1所述的机器人用正交圆柱结构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。

9.一种机器人关节，其特征是：具体包括如权利要求1-3中任一所述的两自由度混合式步进电动机。

10.一种机器人仿生眼球，其特征是：包括权利要求1-3中任一所述的两自由度混合式步进电动机。