一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器

摘要

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，属于电磁力矩式力矩发生器，其特征在于，包括：外壳、磁铁组、电枢绕组、前端盖、后端盖、电机、电机支架，负载，外壳与欠驱动系统通过齿轮、凸轮或波纹配合连接。本发明利用电磁感应原理，使用电机驱动电枢绕组在磁场中转动产生一个与电机驱动方向反向的电磁转矩，同时磁铁组受到一个与电枢绕组等大反向的反电磁转矩并传递到欠驱动系统上，为其提供所需力矩。特别地本装置提供的力矩与速度项成正比，显著降低了控制难度。本发明系统设计简单可靠，结构清晰明了，可以应用于独轮机器人、卫星、航天飞机和导弹的姿态调整，亦可应用于直升飞机或蝶形飞行器反扭矩克服等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及科学研究或教学的实验装置，尤其涉及一种欠驱动系统外周驱动式辅助力 矩发生器，该发生器可为欠驱动系统提供所需的力矩，广泛地应用于独轮机器人侧向姿态 调整、独轮机器人转向、卫星姿态调整、航天器姿态调整、导弹姿态调整、直升飞机或蝶 形飞行器主螺旋桨反扭矩克服等领域。

背景技术

欠驱动系统由于缺少直接作用的力或力矩，给系统控制带来很大难度，例如独轮机器 人，由于只有一个轮子和地面接触，且普通轮子只可以前后移动，所以不能提供侧向力矩， 另外独轮机器人转向也需要力矩；卫星、航天器、导弹等为了指向预定的方向都需要力矩 驱动，现有技术中航天器和导弹一般通过向外喷出气体实现姿态调整，卫星采用惯性飞轮 旋转产生反作用轮和磁力矩器或液体回路实现姿态调整，直升飞机或蝶形飞行器主螺旋桨 的反旋转力矩克服使用与主桨正交的旋转尾桨实现。

文献《独轮自平衡机器人建模与控制研究》和《独轮机器人姿态控制研究》公开了一 种利用惯性飞轮控制独轮机器人侧平衡的方案，文献《六自由度独轮机器人本体研制及动 力学控制方法研究》公开了利用惯性飞轮控制独轮机器人转向的方案，惯性飞轮提供反转 力矩的方式也广泛的应用于卫星姿态调整上，但是经论证利用惯性飞轮提供反扭矩控制姿 态仍然控制起来难度大，这是因为惯性飞轮旋转提供的反扭矩大小与飞轮的旋转加速度成 正比，而电机是一速度伺服系统故对加速度的跟踪不易实现，当飞轮匀速旋转时就没有反 扭矩产生了，而且由于电机转速限制提供的反扭矩大小亦有限。发明专利号为 200510111490.3的主动磁控为主的微小卫星姿态控制方法及系统采用以磁力矩器主动磁控 为主，结合重力梯度杆与动量轮偏置稳定的控制系统作为卫星姿态稳定平台，利用地磁场 和卫星上的线圈电流相互作用提供转矩调整卫星姿态；这与本专利的公开的利用永磁铁和 电枢绕组在磁场中相互作用产生反力矩有显著区别。发明专利号为200910152010.6的专利 利用液体在管道中流动产生的角动量使得卫星姿态发生改变与本专利公开的利用电磁效应 调整卫星姿态方案亦有显著区别。对于航天器来说其携带的可供喷出的气体毕竟有限，而 本发明公开的利用电能转化为机械能方案可以应用太阳能可以说是取之不尽用之不竭。此 外本发明还可为导弹姿态调整和直升飞机反扭矩克服提供新的解决方案。

申请号分别为200720037988.4和200820120359.2，名称为电磁力矩实验仪的实用新型 专利，利用生活中常见的物品制作实验器材来完成电磁电动的产生原理、涡电流做功原理、 涡电流的产生作用、涡电流在磁场作用下产生力矩实验；公开号为CN102529574A名称为 移动式医疗设备电磁力矩平衡摩擦脚轮的发明专利公开了一种利用安装电磁力矩平衡电机 的移动式医疗设备脚轮，该专利利用脚轮转动时产生电磁力矩平衡脚轮的摩擦力矩以减小 人员的推力。以上专利与本发明的提出的方案均是基于麦克斯韦方程揭示的电磁感应原理 而提出的，但是以上专利在技术领域、技术方案和产生的有益效果方面均有显著区别。

发明内容

为了给欠驱动系统提供所需力矩，而且该力矩与速度成正比，方便利用电机进行控制， 本发明提出一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，可广泛应用于独轮机器人、卫星、 航天飞机和导弹的姿态调整，亦可应用于直升飞机或蝶形飞行器反扭矩克服。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，本发明特征在于，包括：外壳1、磁铁组 2、电枢绕组3、前端盖6、后端盖7、电机8、电机座10，负载11，其中

外壳1，外周一体连接着一个机电传动部件，所述的机电传动部件包括齿轮、凸轮或波 轮中任何一种，与位于所述的力矩发生器外部的某个欠驱动系统配合连接，所述的欠驱动 控制部件至少包括独轮机器人、直升飞机、蝶形飞行器、卫星、航天器、导弹中任何一个 待驱动的系统，，

磁铁组2，至少由四块永久磁铁组成，所述的永久磁铁对称固定分布于所述的外壳1内 侧，且固定连接，以形成恒定磁场，

电枢绕组3，同轴插入所述的外壳1内且固定，所述的磁铁组2与电枢绕组3之间有气 隙，所述的电枢绕组3并联连接负载11，

前端盖6，中心设有轴承槽，以安放与所述的电枢绕组3前端同轴转动连接的轴承，所 述的前端盖6扣压在所述的外壳1前端口上面，

后端盖7，中心设有轴承槽，以安放与所述的电枢绕组3后端同轴转动连接的轴承，所 述的后端盖7扣压在所述的外壳1后端口上面，

电机8，固定在电机座10上，所述的电机座10固定连接在欠驱动系统上，所述的电机 8的轴与伸出所述前端盖6的电枢绕组3的轴用弓形键同轴固定连接。

本发明可以取得如下有益效果：第一，通过控制电机转速产生正比于该转速的电磁反 力矩，该反力矩作用于欠驱动系统，简便地使欠驱动系统变为全驱动系统，大大降低了控 制难度；第二，本发明是以电磁式传动装置，可实现两级电磁式变速，在外壳直径一定情 况下通过改变与速度成正比的电磁转矩实现变速等功能，与通过不同大小齿轮咬合等实现 变速相比具有无死区、无机械损耗和无噪声等优点。

附图说明

图1一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器爆炸结构示意图；

图2一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器等轴测结构示意图；

图3一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器左视图；

图4一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器前视图；

图5一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器受力分析图；

其中：1、外壳，2、磁铁组，3、电枢绕组，6、前端盖,7、后端盖,8、电机,10、电机 座，11、负载

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对于本发明作进一步的说明。

本发明采用如下技术方案，参照图1、图2、图3、图4，一种欠驱动系统外周驱动式 辅助力矩发生器，包括：外壳1、磁铁组2、电枢绕组3、前端盖6、后端盖7、电机8、电 机座10，负载11，其中

外壳1，外周一体连接着一个机电传动部件，所述的机电传动部件包括齿轮、凸轮或波 轮中任何一种，与位于所述的力矩发生器外部的某个欠驱动系统配合连接，所述的欠驱动 控制部件至少包括独轮机器人、直升飞机、蝶形飞行器、卫星、航天器、导弹中任何一个 待驱动的系统，，

磁铁组2，至少由四块永久磁铁组成，所述的永久磁铁对称固定分布于所述的外壳1内 侧，且固定连接，以形成恒定磁场，

电枢绕组3，同轴插入所述的外壳1内且固定，所述的磁铁组2与电枢绕组3之间有气 隙，所述的电枢绕组3并联连接负载11，

前端盖6，中心设有轴承槽，以安放与所述的电枢绕组3前端同轴转动连接的轴承，所 述的前端盖6扣压在所述的外壳1前端口上面，

后端盖7，中心设有轴承槽，以安放与所述的电枢绕组3后端同轴转动连接的轴承，所 述的后端盖7扣压在所述的外壳1后端口上面，

电机8，固定在电机座10上，所述的电机座10固定连接在欠驱动系统上，所述的电机 8的轴与伸出所述前端盖6的电枢绕组3的轴用弓形键同轴固定连接。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，其特征还在于：所述的外壳1外周连接 着一层电磁屏蔽材料。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，其特征还在于：所述的磁铁组2的永久 磁铁用主磁极铁心和励磁绕组代替，以形成磁场。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，负载11亦可为电源装置，为电机8提供 部分电力，节约能源。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，电枢绕组3轴与电机8轴通过弓形键同 轴连接，其中弓形键数目可以为多个，或者电枢绕组3与电机8连接的轴为方形恰好与电 机8的轴吻合。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，电枢绕组3在磁铁组2每对磁极下的电 流方向相反。

一种欠驱动系统外周驱动式辅助力矩发生器，电机8驱动电枢绕组3在磁场中转动， 电枢绕组3切割磁感线产生感应电动势，该感应电动势接通电阻等负载时在电枢绕组3中 产生感应电流，进而电枢绕组3受到一个与电机驱动方向反向的电磁转矩τ_em，同时磁铁组 2受到一个与电枢绕组3等大反向的反电磁转矩τ_antiem，由于外壳与磁铁组2固定连接，所 以该反电磁转矩τ_antiem传递到外壳上，又因为外壳和欠驱动系统同轴固定连接或者通过齿轮 等传动部件，所以该反电磁转矩τ_antiem传递到欠驱动系统上，为其提供所需力矩。

参照图5，当欠驱动系统需要提供逆时针方向力矩时，依据力矩大小与电机转速成正比 即τ=k·n反计算出电机转速，驱动电机以所需的转速逆时针旋转，电枢绕组切割磁感线， 形成感应电动势Ea，该感应电动势Ea正比于电枢绕组转速n，由于感应电动势接通恒定负 载R,故在电枢绕组中尝试感应电流Ia，在磁场中电枢绕组受到的顺时针方向电磁转矩τ_em， 该电磁转矩正比于感应电流Ia，由于力的作用是相互的所有磁铁组同时受到等大的逆时针 方向的反电磁转矩τ_antiem，在该反电磁转矩τ_antiem作用下本发明装置将逆时针方向的力矩传 递并作用于欠驱动系统。同理当欠驱动系统需要提供顺时针方向力矩时，电机顺时针转动 受力分析同上，不再赘述。这样欠驱动系统简便的获取的所需力矩并按照期望绕定点或定 轴转动，完成姿态调整任务。

实施例1，独轮机器人侧平衡控制。将本发明装置加载到独轮机器人本体上，安装时保 持电枢绕组的转动所形成的面与独轮机器人前进方向垂直，即电枢绕组的轴与独轮机器人 系统的横滚轴roll平行。独轮机器人在正常行走时整体要保持竖直状态，即保持横滚角为 零度。如果不施加侧向力矩，在重力作用下独轮机器人受到一点干扰就会发生侧倒，而且 启动时亦不能从倾斜状态自动达到平衡状态。设独轮机器人的期望横滚角为Φ_E，独轮机器 人通过姿态传感器获得的实时横滚角为Φ，角度均以逆时针方向为正，下同。通过计算Φ_E-Φ 值，首先控制器参照预设的线性或非线性PID算法或值模糊算法等根据输入Φ_E-Φ的值计算 出所需力矩，然后根据装置具体参数计算出电枢绕组的转速，最后根据驱动电机的具体参 数输出电机的控制电压U。

实施例2，独轮机器人转向控制。将本发明装置加载到独轮机器人本体上，安装时保持 电枢绕组的转动所形成的面与独轮机器人前进方向平行，即电枢绕组的轴与独轮机器人系 统的偏航轴yaw平行。对偏航力矩的控制方案同独轮机器人侧平衡控制类似，不再赘述。

实施例3，卫星、航天飞机、导弹姿态控制。将三个本发明装置正交地固定安装在卫星、 航天飞机或导弹上，当检测到上述物体需要做出姿态调整时，首先根据控制算法计算出要 绕哪些轴转动，然后依次驱动该轴方向上的电机转动以提高所需的转动力矩，完成姿态调 整。在控制时效性很高情况下，在装置配置足够高时，可以三个轴的力矩同时提供，一步 到位完成姿态调整。

实施例4，直升飞机或蝶形飞行器反扭矩克服。将本发明装置加载到直升飞机或蝶形飞 行器机身上，安装时保持电枢绕组的转动所形成的面与直升飞机或蝶形飞行器主螺旋桨旋 转轴平行。从上面俯看直升飞机或蝶形飞行器，当直升飞机或蝶形飞行器主螺旋桨逆时针 方向转动时，由于角动量守恒所以机身会受到一个顺时针方向的力矩，为克服这一力矩驱 动电机逆时针方向旋转以提供逆时针方向反力矩，这样就可以使得两个力矩相互抵消，直 升飞机或蝶形飞行器就不会发生自旋现象了。

最后要说明的是:以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案; 因此尽管本说明书参照上述实施例已经进行了详细的说明,但是,本领域的普通技术人员应 当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明精神和范围的技术方 案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。