專利名稱：一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及科學(xué)研究或教學(xué)的實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種欠驅(qū)動系統(tǒng)用的力矩發(fā)生器，該發(fā)生器可為欠驅(qū)動系統(tǒng)提供所需的カ矩，廣泛地應(yīng)用于獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)向姿態(tài)調(diào)整、獨(dú)輪機(jī)器人轉(zhuǎn)向、衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整、航天器姿態(tài)調(diào)整、導(dǎo)彈姿態(tài)調(diào)整、直升飛機(jī)或蝶形飛行器主螺旋槳反扭矩克服等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
欠驅(qū)動系統(tǒng)由于缺少直接作用的力或カ矩，給系統(tǒng)控制帶來很大難度，例如獨(dú)輪機(jī)器人，由于只有一個(gè)輪子和地面接觸，且普通輪子只可以前后移動，所以不能提供側(cè)向カ矩，另外獨(dú)輪機(jī)器人轉(zhuǎn)向也需要力矩；衛(wèi)星、航天器、導(dǎo)彈等為了指向預(yù)定的方向都需要力矩驅(qū)動，現(xiàn)有技術(shù)中航天器和導(dǎo)彈一般通過向外噴出氣體實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，衛(wèi)星采用慣性飛 輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生反作用輪和磁力矩器或液體回路實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整，直升飛機(jī)或蝶形飛行器主螺旋槳的反旋轉(zhuǎn)カ矩克服使用與主槳正交的旋轉(zhuǎn)尾槳實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)《獨(dú)輪自平衡機(jī)器人建模與控制研究》和《獨(dú)輪機(jī)器人姿態(tài)控制研究》公開了ー種利用慣性飛輪控制獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡的方案，文獻(xiàn)《六自由度獨(dú)輪機(jī)器人本體研制及動力學(xué)控制方法研究》公開了利用慣性飛輪控制獨(dú)輪機(jī)器人轉(zhuǎn)向的方案，慣性飛輪提供反轉(zhuǎn)カ矩的方式也廣泛的應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)整上，但是經(jīng)論證利用慣性飛輪提供反扭矩控制姿態(tài)仍然控制起來難度大，這是因?yàn)閼T性飛輪旋轉(zhuǎn)提供的反扭矩大小與飛輪的旋轉(zhuǎn)加速度成正比，而電機(jī)是ー速度伺服系統(tǒng)故對加速度的跟蹤不易實(shí)現(xiàn)，當(dāng)飛輪勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)就沒有反扭矩產(chǎn)生了，而且由于電機(jī)轉(zhuǎn)速限制提供的反扭矩大小亦有限。發(fā)明專利號為200510111490. 3的主動磁控為主的微小衛(wèi)星姿態(tài)控制方法及系統(tǒng)采用以磁力矩器主動磁控為主，結(jié)合重力梯度桿與動量輪偏置穩(wěn)定的控制系統(tǒng)作為衛(wèi)星姿態(tài)穩(wěn)定平臺，利用地磁場和衛(wèi)星上的線圈電流相互作用提供轉(zhuǎn)矩調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)；這與本專利的公開的利用永磁鐵和電樞繞組在磁場中相互作用產(chǎn)生反力矩有顯著區(qū)別。發(fā)明專利號為200910152010. 6的專利利用液體在管道中流動產(chǎn)生的角動量使得衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生改變與本專利公開的利用電磁效應(yīng)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)方案亦有顯著區(qū)別。對于航天器來說其攜帯的可供噴出的氣體畢竟有限，而本發(fā)明公開的利用電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能方案可以應(yīng)用太陽能可以說是取之不盡用之不竭。此外本發(fā)明還可為導(dǎo)彈姿態(tài)調(diào)整和直升飛機(jī)反扭矩克服提供新的解決方案。申請?zhí)柗謩e為200720037988. 4和200820120359. 2，名稱為電磁力矩實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)用新型專利，利用生活中常見的物品制作實(shí)驗(yàn)器材來完成電磁電動的產(chǎn)生原理、渦電流做功原理、渦電流的產(chǎn)生作用、渦電流在磁場作用下產(chǎn)生カ矩實(shí)驗(yàn)；公開號為CN102529574A名稱為移動式醫(yī)療設(shè)備電磁力矩平衡摩擦腳輪的發(fā)明專利公開了ー種利用安裝電磁力矩平衡電機(jī)的移動式醫(yī)療設(shè)備腳輪，該專利利用腳輪轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生電磁力矩平衡腳輪的摩擦力矩以減小人員的推力。以上專利與本發(fā)明的提出的方案均是基于麥克斯韋方程掲示的電磁感應(yīng)原理而提出的，但是以上專利在技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)方案和產(chǎn)生的有益效果方面均有顯著區(qū)別。

發(fā)明內(nèi)容
為了給欠驅(qū)動系統(tǒng)提供所需力矩，而且該力矩與速度成正比，方便利用電機(jī)進(jìn)行控制，本發(fā)明提出一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，可廣泛應(yīng)用于獨(dú)輪機(jī)器人、衛(wèi)星、航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的姿態(tài)調(diào)整，亦可應(yīng)用于直升飛機(jī)或蝶形飛行器反扭矩克服。一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，本發(fā)明特征在于，包括外殼I、磁鐵組2、電樞繞組3、前端蓋6、電機(jī)8、電機(jī)座10，負(fù)載11，其中外殼1，由一個(gè)一端開口的圓筒及圓筒底部的變截面的軸一體連接而成，圓筒內(nèi)底中心設(shè)有軸承槽，所述的變截面的軸與位于所述的力矩發(fā)生器外部的某個(gè)欠驅(qū)動控制部件同軸固定連接，所述的欠驅(qū)動控制部件至少包括獨(dú)輪機(jī)器人、直升飛機(jī)、蝶形飛行器、衛(wèi)星、航天器、導(dǎo)彈中任何一個(gè)待驅(qū)動的系統(tǒng)，磁鐵組2，至少由四塊永久磁鐵組成，所述的永久磁鐵對稱固定分布于所述的外殼
I內(nèi)側(cè)，且固定連接，以形成恒定磁場，電樞繞組3，同軸插入所述的外殼I內(nèi)且固定，所述的磁鐵組2與電樞繞組3之間有氣隙，所述的電樞繞組3并聯(lián)連接負(fù)載11，前端蓋6，中心設(shè)有軸承槽，以安放與所述的電樞繞組3前端同軸轉(zhuǎn)動連接的軸承，所述的前端蓋6扣壓在所述的外殼I前端口上面，電機(jī)8，固定在電機(jī)座10上，所述的電機(jī)座10固定連接在欠驅(qū)動系統(tǒng)上，所述的電機(jī)8的軸與伸出所述前端蓋6的電樞繞組3的軸用弓形鍵同軸固定連接。本發(fā)明可以取得如下有益效果第一，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生正比于該轉(zhuǎn)速的電磁反力矩，該反力矩作用于欠驅(qū)動系統(tǒng)，簡便地使欠驅(qū)動系統(tǒng)變?yōu)槿?qū)動系統(tǒng)，大大降低了控制難度;第二，本發(fā)明是以電磁式傳動裝置，可實(shí)現(xiàn)兩級電磁式變速，在外殼直徑一定情況下通過改變與速度成正比的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)變速等功能，與通過不同大小齒輪咬合等實(shí)現(xiàn)變速相比具有無死區(qū)、無機(jī)械損耗和無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。


圖I 一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器爆炸結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 —種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器等軸測結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 —種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器左視圖；圖4 一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器受力分析圖；其中1、外殼，2、磁鐵組，3、電樞繞組，6、前端蓋，8、電機(jī)，10、電機(jī)座，11、負(fù)載
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對于本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，參照圖I、圖2、圖3，一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，包括外殼I、磁鐵組2、電樞繞組3、前端蓋6、后端蓋7、電機(jī)8、電機(jī)支架9,電機(jī)座10，負(fù)載11，其中外殼1，由一個(gè)一端開口的圓筒及圓筒底部的變截面的軸一體連接而成，圓筒內(nèi)底中心設(shè)有軸承槽，所述的變截面的軸與位于所述的力矩發(fā)生器外部的某個(gè)欠驅(qū)動控制部件同軸固定連接，所述的欠驅(qū)動控制部件至少包括獨(dú)輪機(jī)器人、直升飛機(jī)、蝶形飛行器、衛(wèi)星、航天器、導(dǎo)彈中任何一個(gè)待驅(qū)動的系統(tǒng)，磁鐵組2，至少由四塊永久磁鐵組成，所述的永久磁鐵對稱固定分布于所述的外殼I內(nèi)側(cè)，且固定連接，以形成恒定磁場，電樞繞組3，同軸插入所述的外殼I內(nèi)且固定，所述的磁鐵組2與電樞繞組3之間有氣隙，所述的電樞繞組3并聯(lián)連接負(fù)載11，前端蓋6，中心設(shè)有軸承槽，以安放與所述的電樞繞組3前端同軸轉(zhuǎn)動連接的軸承，所述的前端蓋6扣壓在所述的外殼I前端口上面，電機(jī)8，固定在電機(jī)座10上，所述的電機(jī)座10固定連接在欠驅(qū)動系統(tǒng)上，所述的電
機(jī)8的軸與伸出所述前端蓋6的電樞繞組3的軸用弓形鍵同軸固定連接。一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，其特征還在于所述的外殼I外周連接著一層電磁屏蔽材料。一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，其特征還在于所述的磁鐵組2的永久磁鐵用主磁極鐵心和勵磁繞組代替，以形成磁場?！N欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，負(fù)載11亦可為電源裝置，為電機(jī)8提供部分電力，節(jié)約能源。一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，電樞繞組3軸與電機(jī)8軸通過弓形鍵同軸連接，其中弓形鍵數(shù)目可以為多個(gè)，或者電樞繞組3與電機(jī)8連接的軸為方形恰好與電機(jī)8的軸吻合。一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，電樞繞組3在磁鐵組2每對磁極下的電流方向相反。一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，電機(jī)8驅(qū)動電樞繞組3在磁場中轉(zhuǎn)動，電樞繞組3切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該感應(yīng)電動勢接通電阻等負(fù)載時(shí)在電樞繞組3中產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而電樞繞組3受到一個(gè)與電機(jī)驅(qū)動方向反向的電磁轉(zhuǎn)矩T em,同時(shí)磁鐵組2受到一個(gè)與電樞繞組3等大反向的反電磁轉(zhuǎn)矩T antieffl,由于外殼與磁鐵組2固定連接，所以該反電磁轉(zhuǎn)矩T anti6m傳遞到外殼上，又因?yàn)橥鈿ず颓夫?qū)動系統(tǒng)同軸固定連接或者通過齒輪等傳動部件，所以該反電磁轉(zhuǎn)矩T anti 傳遞到欠驅(qū)動系統(tǒng)上，為其提供所需力矩。參照圖4，當(dāng)欠驅(qū)動系統(tǒng)需要提供逆時(shí)針方向力矩時(shí)，依據(jù)力矩大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比即T =k *n反計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速,驅(qū)動電機(jī)以所需的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁感線，形成感應(yīng)電動勢Ea,該感應(yīng)電動勢Ea正比于電樞繞組轉(zhuǎn)速n,由于感應(yīng)電動勢接通恒定負(fù)載R，故在電樞繞組中嘗試感應(yīng)電流Ia，在磁場中電樞繞組受到的順時(shí)針方向電磁轉(zhuǎn)矩T ，該電磁轉(zhuǎn)矩正比于感應(yīng)電流Ia，由于力的作用是相互的所有磁鐵組同時(shí)受到等大的逆時(shí)針方向的反電磁轉(zhuǎn)矩I—在該反電磁轉(zhuǎn)矩Tantiffli作用下本發(fā)明裝置將逆時(shí)針方向的力矩傳遞并作用于欠驅(qū)動系統(tǒng)。同理當(dāng)欠驅(qū)動系統(tǒng)需要提供順時(shí)針方向力矩時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動受力分析同上，不再贅述。這樣欠驅(qū)動系統(tǒng)簡便的獲取的所需力矩并按照期望繞定點(diǎn)或定軸轉(zhuǎn)動，完成姿態(tài)調(diào)整任務(wù)。實(shí)施例1，獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制。將本發(fā)明裝置加載到獨(dú)輪機(jī)器人本體上，安裝時(shí)保持電樞繞組的轉(zhuǎn)動所形成的面與獨(dú)輪機(jī)器人前進(jìn)方向垂直，即電樞繞組的軸與獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的橫滾軸roll平行。獨(dú)輪機(jī)器人在正常行走時(shí)整體要保持豎直狀態(tài)，即保持橫滾角為零度。如果不施加側(cè)向力矩，在重力作用下獨(dú)輪機(jī)器人受到一點(diǎn)干擾就會發(fā)生側(cè)倒，而且啟動時(shí)亦不能從傾斜狀態(tài)自動達(dá)到平衡狀態(tài)。設(shè)獨(dú)輪機(jī)器人的期望橫滾角為Oe，獨(dú)輪機(jī)器人通過姿態(tài)傳感器獲得的實(shí)時(shí)橫滾角為O，角度均以逆時(shí)針方向?yàn)檎?，下同。通過計(jì)算Oe-O值，首先控制器參照預(yù)設(shè)的線性或非線性PID算法或值模糊算法等根據(jù)輸入Oe-O的值計(jì)算出所需力矩，然后根據(jù)裝置具體參數(shù)計(jì)算出電樞繞組的轉(zhuǎn)速，最后根據(jù)驅(qū)動電機(jī)的具體參數(shù)輸出電機(jī)的控制電壓U。實(shí)施例2，獨(dú)輪機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制。將本發(fā)明裝置加載到獨(dú)輪機(jī)器人本體上，安裝時(shí)保持電樞繞組的轉(zhuǎn)動所形成的面與獨(dú)輪機(jī)器人前進(jìn)方向平行，即電樞繞組的軸與獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的偏航軸yaw平行。對偏航力矩的控制方案同獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制類似，不再贅述。實(shí)施例3，衛(wèi)星、航天飛機(jī)、導(dǎo)彈姿態(tài)控制。將三個(gè)本發(fā)明裝置正交地固定安裝在衛(wèi)星、航天飛機(jī)或?qū)椛?，?dāng)檢測到上述物體需要做出姿態(tài)調(diào)整時(shí)，首先根據(jù)控制算法計(jì)算出要繞哪些軸轉(zhuǎn)動，然后依次驅(qū)動該軸方向上的電機(jī)轉(zhuǎn)動以提高所需的轉(zhuǎn)動力矩，完成姿態(tài)調(diào)整。在控制時(shí)效性很高情況下，在裝置配置足夠高時(shí)，可以三個(gè)軸的力矩同時(shí)提供，一步到位完成姿態(tài)調(diào)整。實(shí)施例4，直升飛機(jī)或蝶形飛行器反扭矩克服。將本發(fā)明裝置加載到直升飛機(jī)或蝶形飛行器機(jī)身上，安裝時(shí)保持電樞繞組的轉(zhuǎn)動所形成的面與直升飛機(jī)或蝶形飛行器主螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸平行。從上面俯看直升飛機(jī)或蝶形飛行器，當(dāng)直升飛機(jī)或蝶形飛行器主螺旋槳逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動時(shí)，由于角動量守恒所以機(jī)身會受到一個(gè)順時(shí)針方向的力矩，為克服這一力矩驅(qū)動電機(jī)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)以提供逆時(shí)針方向反力矩，這樣就可以使得兩個(gè)力矩相互抵消，直升飛機(jī)或蝶形飛行器就不會發(fā)生自旋現(xiàn)象了。最后要說明的是以上實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而并非限制本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此盡管本說明書參照上述實(shí)施例已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或等同替換；而一切不脫離發(fā)明精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，其特征在于，包括外殼(I)、磁鐵組(2)、電樞繞組(3)、前端蓋(6)、電機(jī)(8)、電機(jī)座(10)、負(fù)載(11)，其中 外殼(1)，由ー個(gè)一端開ロ的圓筒及圓筒底部外側(cè)的變截面的軸一體連接而成，圓筒內(nèi)底中心設(shè)有軸承槽，所述的變截面的軸與位于所述的力矩發(fā)生器外部的某個(gè)欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸固定連接，所述的欠驅(qū)動系統(tǒng)至少包括獨(dú)輪機(jī)器人、直升飛機(jī)、蝶形飛行器、衛(wèi)星、航天器、導(dǎo)彈中任何ー個(gè)待驅(qū)動的系統(tǒng)， 磁鐵組(2)，至少由四塊永久磁鐵組成，所述的永久磁鐵對稱固定分布于所述的外殼(O內(nèi)側(cè)，且固定連接，以形成恒定磁場， 電樞繞組(3)，同軸插入所述的外殼(I)內(nèi)且固定，所述的磁鐵組(2)與電樞繞組(3)之間有氣隙，所述的電樞繞組(3)并聯(lián)連接負(fù)載(11)， 前端蓋出)，中心設(shè)有軸承槽，以安放與所述的電樞繞組(3)前端同軸轉(zhuǎn)動連接的軸承，所述的前端蓋(6)扣壓在所述的外殼(I)前端口上面， 電機(jī)(8)，固定在電機(jī)座(10)上，所述的電機(jī)座(10)固定連接在欠驅(qū)動系統(tǒng)上，所述的電機(jī)(8)的軸與伸出所述前端蓋(6)的電樞繞組(3)的軸用弓形鍵同軸固定連接。
全文摘要
一種欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸驅(qū)動式輔助力矩發(fā)生器，屬于電磁力矩式力矩發(fā)生器，其特征在于，包括外殼1、磁鐵組2、電樞繞組3、前端蓋6、電機(jī)8、電機(jī)座10，負(fù)載11，外殼與欠驅(qū)動系統(tǒng)同軸固定連接。本發(fā)明利用電磁感應(yīng)原理，使用電機(jī)驅(qū)動電樞繞組在磁場中轉(zhuǎn)動產(chǎn)生一個(gè)與電機(jī)驅(qū)動方向反向的電磁轉(zhuǎn)矩，同時(shí)磁鐵組受到一個(gè)與電樞繞組等大反向的反電磁轉(zhuǎn)矩并傳遞到欠驅(qū)動系統(tǒng)上，為其提供所需力矩。特別地本裝置提供的力矩與速度項(xiàng)成正比，顯著降低了控制難度而且本裝置可實(shí)現(xiàn)兩級電磁式變速。本發(fā)明系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單可靠，結(jié)構(gòu)清晰明了，可以應(yīng)用于獨(dú)輪機(jī)器人、衛(wèi)星、航天飛機(jī)和導(dǎo)彈的姿態(tài)調(diào)整，亦可應(yīng)用于直升飛機(jī)或蝶形飛行器反扭矩克服等領(lǐng)域。
文檔編號G05D1/08GK102820731SQ20121027279
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月1日
發(fā)明者阮曉鋼, 朱曉慶, 馬圣策, 于乃功, 龔道雄, 左國玉, 孫榮毅, 魏若巖, 林佳, 張曉平 申請人:北京工業(yè)大學(xué)