应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器

摘要

本发明公开了应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，包括机座、第一永磁体、绕组、背铁和末端执行器，第一永磁体、绕组和背铁的形状均呈球状，第一永磁体固定在机座上，绕组和背铁自内而外套装在第一永磁体上，背铁的下端与机座固定连接，背铁的上端开设有可供末端执行器倾斜摆动的通孔，末端执行器通过通孔与绕组的上端固定连接，绕组的内面与第一永磁体的外面滑动配合，绕组的外面与背铁的内面滑动配合，第一永磁体的充磁方向指向机座或背向机座，绕组的线圈沿绕组的任一水平截面的圆周方向缠绕。采用本发明，具有主动和被动的两种不同运动效果，而且系统转矩刚度可变，能够为操纵负荷系统实现多自由度运动以及提供力感知。

权利要求

1.应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，其特征在于，包括机座、第一永磁体、绕组、背铁和末端执行器，所述第一永磁体、所述绕组和所述背铁的形状均呈球状，所述第一永磁体固定在所述机座上，所述绕组和所述背铁自内而外套装在所述第一永磁体上，所述背铁的下端与所述机座固定连接，所述背铁的上端开设有可供所述末端执行器倾斜摆动的通孔，所述末端执行器通过所述通孔与所述绕组的上端固定连接，所述绕组的内面与所述第一永磁体的外面滑动配合，所述绕组的外面与所述背铁的内面滑动配合，所述第一永磁体的充磁方向指向所述机座或背向所述机座，所述绕组的线圈沿所述绕组的任一水平截面的圆周方向缠绕。

2.根据权利要求1所述的应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，其特征在于，所述背铁的中部环设有第二永磁体，所述第二永磁体的充磁方向与所述第一永磁体的充磁方向相反。

3.根据权利要求1所述的应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，其特征在于，所述绕组沿其周向均布有若干个牛眼轴承。

4.根据权利要求1所述的应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，其特征在于，所述通孔为圆孔。

说明书

应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器

技术领域

[0001] 本发明涉及航空飞行器操纵负荷系统技术领域，特别是涉及一种应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器。

背景技术

[0002] 操纵负荷系统根据航空飞行器的飞行状态及操纵模式(主动驾驶或自动驾驶)实时计算应施加在操纵杆上的力，向飞行员提供操纵力感知。飞行员需要凭借操纵力感知的
变化做出相应的判断并执行相应操作，操纵力感知为飞行员判断飞行状态提供了主要依
据。传统操纵负荷系统为机械式或液压式来实现操纵杆的多自由度运动与力感知，然而其
存在空间体积大、不易于安装和维护、存在滞后现象等缺点。随着电传操纵系统逐渐成为航
空飞行器的发展趋势，需要一种可以实现多自由度运动以及提供力感知的操纵负荷系统。

[0003] 现有的驱动器多为单自由度运动输出，如旋转运动或平行移动。为了实现多自由度运动，需要通过多个驱动器、多个运动传递结构采取串联或并联等复杂连接方式，才能够
输出多自由度运动。

[0004] 现有的单一驱动器无法满足多自由度运动的需要，而进行多驱动器串联或并联会造成末端执行元件的累积误差、效率低等诸多问题。同时由于多自由度输出系统由多个构
件组成，系统结构及其复杂，可靠性受每个组件的限制。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器。该多自由度球型驱动器具有主动和被动的两种不同运动效果，而且系统转矩刚度可变，
能够为操纵负荷系统实现多自由度运动以及提供力感知。

[0006] 为了实现上述目的，本发明提供了一种多自由度球型驱动器，其包括机座、第一永磁体、绕组、背铁和末端执行器，所述第一永磁体、所述绕组和所述背铁的形状均呈球状，所
述第一永磁体固定在所述机座上，所述绕组和所述背铁自内而外套装在所述第一永磁体
上，所述背铁的下端与所述机座固定连接，所述背铁的上端开设有可供所述末端执行器倾
斜摆动的通孔，所述末端执行器通过所述通孔与所述绕组的上端固定连接，所述绕组的内
面与所述第一永磁体的外面滑动配合，所述绕组的外面与所述背铁的内面滑动配合，所述
第一永磁体的充磁方向指向所述机座或背向所述机座，所述绕组的线圈沿所述绕组的任一
水平截面的圆周方向缠绕。

[0007] 作为本发明的优选方案，所述背铁的中部环设有第二永磁体，所述第二永磁体的充磁方向与所述第一永磁体的充磁方向相反。

[0008] 作为本发明的优选方案，所述绕组沿其周向均布有若干个牛眼轴承。

[0009] 作为本发明的优选方案，所述通孔为圆孔。

[0010] 实施本发明提供的应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，与现有技术相比，其有益效果在于：

[0011] 本发明的多自由度球型驱动器通过缠绕在球状第一永磁体表面的绕组，以简单的结构实现了多自由度运动，加工制造成本低；同时由于第一永磁体与绕组的结构及电磁关
系，能够使固定在绕组上的末端执行器绕任意轴实现倾斜运动，既解决了只能沿固定轴倾
斜摆动的问题，又解决了传统多驱动器串联或并联造成末端执行器的累积误差、效率低、系
统结构复杂等诸多问题；并且，本发明的多自由度球型驱动器通过给绕组通入不同方向的
电流，能够使绕组具有主动运动和被动运动的两种不同运动效果；最后，本发明的多自由度
球型驱动器的输出力矩能够随绕组的转角而发生变化，实现系统转矩可变刚度的效果。可
见，本发明的多自由度球型驱动器能适用于航空飞行器操纵负荷系统，为操纵负荷系统实
现多自由度运动以及提供力感知。

附图说明

[0012] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

[0013] 图1是本发明提供的应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器的结构示意图。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0015] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发
明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位
构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0016] 如图1所示，本发明的优选实施例提供了一种应用于航空飞行器操纵负荷系统的多自由度球型驱动器，其包括机座1、第一永磁体2(作为定子)、绕组3(作为转子)、背铁4和
末端执行器5，所述第一永磁体2、所述绕组3和所述背铁4的形状均呈球状，所述第一永磁体
2固定在所述机座1上，所述绕组3和所述背铁4自内而外套装在所述第一永磁体2上，所述背
铁4的下端与所述机座1固定连接，所述背铁4的上端开设有可供所述末端执行器5倾斜摆动
的通孔8，所述末端执行器5通过所述通孔8与所述绕组3的上端固定连接，所述绕组3的内面
与所述第一永磁体2的外面滑动配合，所述绕组3的外面与所述背铁4的内面滑动配合，所述
第一永磁体2的充磁方向指向所述机座1或背向所述机座1，所述绕组3的线圈沿所述绕组3
的任一水平截面的圆周方向缠绕。

[0017] 本实施例的多自由度球型驱动器的工作原理是：以所述第一永磁体2的充磁方向背向所述机座1为例，即第一永磁体2的上侧磁极为N极、下侧磁极为S极，当绕组3的电流方
向在图1中俯视下为逆时针方向时，根据物理电磁学中的右手定则，能够判断出绕组3电流
产生的磁场方向，在绕组3上侧为电流产生磁场的N极，在绕组3下侧为电流产生磁场的S极，
故在同极相斥的作用下，绕组3能绕任意轴做主动运动，使其上的末端执行器5倾斜，因而在
操作航空器操控杆的过程中，飞行员只需给航空器操控杆一个倾斜趋势，航空器操控杆就
能主动向该倾斜趋势倾斜，实现自动驾驶；当绕组3的电流方向在图1中俯视下为顺时针方
向时，根据物理电磁学中的右手定则，能够判断出绕组3电流产生的磁场方向，在绕组3上侧
为电流产生磁场的S极，在绕组3下侧为电流产生磁场的N极，故在异极相吸的作用下，若末
端执行器5处于倾斜状态，则绕组3能绕任意轴做被动运动，使倾斜状态下的末端执行器5具
有复位至中心位置的复位力，因而能够使飞行员操作航空飞行器操控杆的过程中感知到操
纵负荷系统施加到操纵杆上的力，提高飞行员驾驶航空飞行器时力感知的逼真程度。

[0018] 由此，本发明的多自由度球型驱动器通过缠绕在球状第一永磁体2表面的绕组3，以简单的结构实现了多自由度运动，加工制造成本低；同时由于第一永磁体2与绕组3的结
构及电磁关系，能够使固定在绕组3上的末端执行器5绕任意轴实现倾斜运动，既解决了只
能沿固定轴倾斜摆动的问题，又解决了传统多驱动器串联或并联造成末端执行器5的累积
误差、效率低、系统结构复杂等诸多问题；并且，本发明的多自由度球型驱动器通过给绕组3
通入不同方向的电流，能够使绕组3具有主动运动和被动运动的两种不同运动效果；最后，
本发明的多自由度球型驱动器的输出力矩能够随绕组3的转角而发生变化，实现系统转矩
可变刚度的效果。可见，本发明的多自由度球型驱动器能应用于航空飞行器操纵负荷系统，
为操纵负荷系统实现多自由度运动以及提供力感知。

[0019] 示例性的，如图1所示，所述背铁4的中部环设有第二永磁体6，所述第二永磁体6的充磁方向与所述第一永磁体2的充磁方向相反。由此，通过第二永磁体6的设置，能够增大磁
通密度，增强输出力矩。

[0020] 示例性的，如图1所示，所述绕组3沿其周向均布有若干个牛眼轴承7。由此，通过牛眼轴承7的设置，能够起到支撑的作用，使得绕组3和第一永磁体2之间的气隙更加均匀，同
时保证了绕组3和第一永磁体2的同心度。

[0021] 示例性的，所述通孔8优选为圆孔，使得多自由度球型驱动器在任意方向下倾斜运动的最大倾斜角度相同。

[0022] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机
械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元
件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中
的具体含义。

[0023] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换
也应视为本发明的保护范围。