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一种新型的马达︰ 气动步进马达
丹·斯托亚诺维奇、 亚历山德鲁 多鲁，杜米特鲁 bull; 卢和路易·卡瓦西
摘要— —本文提出了一种新型的气动马达，气动步进马达(PneuStep)。离散位移方向的旋转运动通过马达的三个端口按顺序加压来实现。由远程气动分配器产生脉冲的压力波。马达总成包括电机，减速机，和增量位置编码器，在一个紧凑中央孔内工作。一个特殊的电子驱动控制采用的是带电动步进分度器的新标准运动控制卡。马达接受开环步进操作，以及从封闭的位置反馈传感器的闭环控制。一个特别控制功能是为了便于经典控制算法控制新的电机和进行实验验证。电机的调速性能会降低分发服务器与电机之间的气动软管的长度。实验结果揭示了这种行为并设置期望水平。而且，步进电机容易实现其他气动马达无法控制的精确运动。电动机被设计为与核磁共振医学影像设备，驱动图像引导干预的机器人，医疗应用程序兼容。出于这个原因,电机完全是由非磁性和介电材料制成,如塑料、陶瓷、橡胶。由于使用光纤进行编码,因此马达不需要电力,只使用压力和光进行编码。PneuStep 很容易适用于其他气动或液压的精密运动应用。
索引术语 — — 图像引导介入、 磁共振成像 (MRI) 的兼容性，医疗机器人技术，气动液压电机，步进电机，步进。
Ⅰ导言
气动驱动广泛应用于工业和商业，其成本低、 紧凑尺寸、 高功率重量比、可靠性和低维护。在许多情况下，这些特点使它更好的由电驱动，尤其是当空气供应是现成的。经典气动执行器，旋转或线形的主要限制是少了精度控制的运动。这主要是由空气压缩和在阀门和执行器的摩擦使直列式柱塞泵动态系统高度非线性造成的。新的硬件和气动伺服系统控制方案被提出来应对这些问题,并在力的控制和调速方面取得了令人满意的成果。然而，这些复杂的解决方案需要特别注意，所以大多数实际应用仍局限于不规则的气动运动。
另外,本文提出了一种新的方法，通过在某些应用程序中引入气动步进电机来规避气动伺服系统的问题。
它和蒸汽机操作蒸汽的压力是通过量化每个活塞的冲程来控制运动一样。事实上，不同的气动马达都有相同的设计。比如，英国公司生产的一系列中央曲柄输出的三缸空气马达。这个曲柄参与给三个气缸供气的旋转空气分配器。最近,该公司用加了接近传感器的缸盖编码活塞的冲程。尽管他们声称，Dynatork 电动机并不是步进电机，因为它们是由连续供应的内部空气交换机控制的，所以与直流电刷电机相比更好。Dynatork电机不能执行和储存步进命令。PneuStep是四年的实验研究的结果。我们也介绍了其他几个版本的液压步进电机。其中一个版本中,“谐波电机”有点类似在1980年代早期报道应用于工业造纸厂机器的风动马达。谐波电机使用在常见机械波发生器流体动力使曲键进行谐波传动。我们之前报道的另一个版本,“行星运动”,是在最新的前体PneuStep设计这里介绍。
这种发展是为了医疗应用程序的执行,在一个项目内创建一个可以准确地操纵闭孔的高强度磁共振成像(MRI)设备的机器人。这允许在扫描仪在MRI的指导下执行远程过程。这套系统的诊断和治疗潜在价值是非常巨大的,因为核磁共振是软组织成像的首选方法。这个图像为操纵机器人供了一个路线图。举例来说，在进行肿瘤中心活检时运用可视化图像可以允许在一个小肿瘤的中心准确的插入一根针。现如今,活检程序通常由随机抽样技术进行。机器人的使用可以减少假阴性抽样的发生。一个由PneuStep马达驱动的机器人已经完成并正在评估。
创建核磁共振机器人是一个非常具有挑战性的工程任务。核磁共振扫描仪在脉冲磁场和射频领域使用磁场非常高的密度(几个特斯拉)。为核磁共振干预创造被动仪表包括谨慎与非磁性材料选择,最好有,介电性能。在仪器活动情况下，确保核磁共振兼容性是一个更艰巨的任务。因为,除此之外, 所使用的能量驱动和传感不应干涉成像的功能。
通常电磁马达用于机器人原理上是矛盾的。机器人研究领域一致利用超声波(压电)马达。这些虽然是无磁的,但仍然存在导电组件和用电创建图像扭曲在小于0.5米的图像等深点操作时。气动驱动从根本上是核磁共振兼容性一个完美的选择。气动一直用于手持钻头类仪表和测试机器人末端执行器的设计,但不可以参与精确控制运动。
我们所有PneuStep原型与核磁共振完全兼容(核磁共振半透明性,医学上的安全和精确) 由非磁性和介电材料,使用空气压力驱动,光纤编码。在其他应用程序中,电机可以采用金属组件,以提高机械性能和耐久性，并且在液压操作下可能潜在的得到更高的扭矩尺寸比。
II马达运动
PneuStep发明是基于一个简单的理论, 活塞在汽缸端到端的运动总是准确的。这可以通过简单的增压缸，比中间行程的活塞气动伺服定位控制更容易实现。步进电机被设计去连续收集在旋转运动中端到端之间细微的振动。每一步都是由行程结束运动产生。
一个新的运动学原理用于使用相同的机制诱导步进运动和分频（齿轮上的）。一般电机都是旋转的，但是综合减速机可以配置成旋转或各种大小的步进线性输出。
电动机的运动图呈现在图1。尽管运动是平面的(XY),这个示意图显示了平面外的等距视图组件。电机是由三个隔离气缸D1,D2和D3和基础端建立的。这些都是满足中心轴的机制径向等距的一个轴。气缸加压通过他们的接口，压力作用于隔板。这些都是通过连接链接连接到外部的内齿轮。连杆的支持装置由三个平行四边形等效曲柄机械C1,C2,C3。曲柄也根据相同的中心轴径向，在缸体中等距放置。底轴承曲柄是接地的，而且曲柄轴承支撑连杆。内部齿轮用接地中心轴上的轴承持续的啮合中心齿轮。
上面提到的几个组件形成一个刚性部分，名字叫“环形齿轮”。这是内齿轮、三连杆,和三个链接的组合。这个环形齿轮与曲柄C1,C2,C3连接形成3倍平行四边形机构:C1,C2-C3,C3-C1。这使机构能够约束环形齿轮去做平动环形轨迹。环形齿轮不旋转，但是它在一个圆形轨迹里面运动，它的任何点都能描述一个圆。
环形齿轮在运动膜片D1,D2、D3压力迫使下离开各自的汽缸进行运动。三平行四边形机制确保了三曲柄有相同的旋转和一些三横隔膜的运动。曲柄的定向旋转是通过连续的对隔膜施压来集成的。因为环形齿轮在一个圆轨迹上运动，它的轮齿与正齿轮相接触，使其在相反的方向上自旋来给马达总成旋转输出。像动画电影1那样，显示与1950年代加利福尼亚的制造商的呼啦圈玩具Wham-0相似性运动。
功能上，步进马达机构展示了两个组件:电机和减速箱。电机由隔膜圆柱体D1-D3、曲柄C1-C3、环形齿轮表示。即使在没有中央正齿轮的情况下曲柄的旋转运动也能由膜片生成，所以假想电动机的输出本身是曲柄的运动。同时,曲柄C1-C3、环形齿轮、正齿轮也能分别作为传动装置独立运动。如果旋转运动应用于曲柄，分频旋转由正齿轮收集。在马达这里，这些组件用作减速机。
这种双重角色的零件是三平行四边形结构的一部分。单一平行四边形机构(1 p)也代表TC运动。然而,三平行四边形机构消除了一平行四边形机构典型的突出位置。这些发生在曲柄和连杆共线时。对于三平行四边形机构来说,同时对齐可能永远不会发生,这使得其异常自由。结果是三平行四边形机构必须被精确构建，因为它是无解的，或者换个说法，它是可以被添加在一个曲柄里的机构。
步进运动是通过密封膜片实现的。其方向是由序列的顺序,即minus;z D1-D2-D3序列和旋转 z旋转D1-D3-D2序列确定。电机每一步尺寸是120◦曲柄旋转周长。常见的半步操作提供了一个双重的步长减少，运动性能也有所改善。相比较电动步进,这种方法大大降低共振问题的发生机率, 这个问题是步进电动机负载动态系统是会经历一些速度波动的。
半步是通过演示1所示D1-D1D2-D2-D2D3-D3-D3D1序列单双相交互实现的。发动机曲轴输出有六个步骤。
齿轮传动比和运动步长: TC运动的半径是由平等的离心率e曲柄(图2)确定的。齿轮滚动条件：
PDh minus;PDg =2 e (1)
这里PDh和PDg分别是环和正齿轮的节圆直径。铁环(Zh型)的数量和齿轮(Zg型) 牙齿与齿轮模块M一样
M =PDh Zh=PDg Zg. (2)
齿轮的传动比可以表示为：
T = alpha;c alpha;g=minus; Zg Zh minus;Zg和Zh gt;Z g. (3)
这表明可以高达Zg传动比。齿轮头减少步进电动机的尺寸。
III.电机设计
一个等距的电机设计图和两个中心横截面如图3所示。图数字识别的元素运动图和额外的建设性的组件。这个马达提供了一个圆柱形状的外形被一个盖子限定。隔膜气缸D1-D3是体内构建的。隔膜是由环和汽缸盖螺纹固定在机体里。隔膜的活跃端是由两个垫圈之间的螺杆附着在环形齿轮上。注意,洗涤机是用来减少环形齿轮的大小，允许其装配在机体内。环形齿轮是由三个相同的偏心的三曲柄C1-C3构成的车轴固定的。（动画二）每根轴包括曲柄部分(圆柱偏心孔),轴、衬套,和四个轴承。中心轮由轴承从各个方向固定。从密实度来说，这些轴承的环都是建立在身体和帽盖部分，并使用蔚蓝色的夹层和聚四氟乙烯球(滚笼设计)。
中央装置提供了一个内螺纹与螺纹部分(未表现), 假设平动电机的输出是设计好的。衬套、辊和针出于同样的原因也包括在内。即, 支持和向上方向螺旋轴(取向呈现相反的平面, 如果空间允许，三个或四个平面更可取)。根据旋转输出,中央孔驱动直通负载轴是很方便的。
电机运动学的一个重要观察有，电机横隔膜的运动不是直线的。展品平动循环运动的膜片附着在环形齿轮上。因此,中央隔膜描述了圆周运动的一部分。为了防止过早磨损并允许持续有效运行，这种不寻常的轨迹需要特殊设计和制造方面的考虑。隔膜的侧向位移与应仔细协调与其他设计参数的偏心曲柄直接相关。
其次, 隔膜设计在其位置也应该允许足够的侧隙,以便它可以自由行动而不伸展和楔入。建设性地，,我们使用一个薄,尼龙织物涂以硅橡胶硫化缸的面定制的膜片。保持外端无覆盖减小与侧面底下摩擦。我们还观察到隔膜织物的编织方向横向灵活性和重大影响,甚至,它的寿命。织物容易在编织的对角线方向延伸。出于这个原因,该织物应该选择较高的对角线的灵活性,和隔膜组装,因此,其灵活的方向是一致的方向侧向位移(图3 b平面)。
膜片僵硬造成启动转矩(不耐压电动机所需的扭矩),这是不可取的。
由于核磁共振兼容性的原因,电动机是用表中列出的材料建造的。
两个马达大小构造(图4)的总体尺寸为外径,内径,和宽度分别为70毫米times;20毫米times;25毫米,和更大的一个85毫米times;30毫米times;30毫米。大PDg模型= 37毫米,Zh型= Zg 2和6毫米/转距和四个开始线程。电机产生的步长是3.33◦(角)和0.055毫米(线性)。
汽车设计的一个具有挑战性的问题是减少消除大小齿轮的牙齿之间的干扰时的步尺寸。小的步距需要许多相同齿的齿轮。这就造成了牙齿顶部不相交区域的干扰。通常，用大角度接触的牙齿或修改配置文件会被用来纠正这个问题。在低径向力下后者是首选。一个有趣的观察是,在这些条件下齿轮是“粘性”,这意味着它们可能不是由径向退出啮合的。b部分的图3表明,牙齿的分离受到牙齿的接触区域限制。这个事实有两个含义。首先,应该进行轴向装配。更有趣的是,这表明马达可能没有三平行四边形曲柄机构, 但是通过膜片的灵活性，输出将成为兼容的。这用于我们早些时候与气动步进电机相比没有三平行四边形机构和反向输入输出的马达进行行星运动。
IV. 气动分配
电动机的三个端口被连接到气动分离盘上，去生成变换压力波。
有两种实现了的类型：机械和电子。
1)气动旋转分离盘: 这个设计在图5中已经表示。这个定子拥有三个等距的径向接口。压强P和返回R通过定子盖耦合。转子安装在轴承上并在轴上连接一个电动马达。转子的构造会生成6个压力周期。这个设计出现了转子和定子之间的空气泄漏问题。这可能可以使用密封或精确制造组件来解决，这样气隙是最小的。我们选择了后者,因为它是无摩擦的,但生产是困难的。出于这个原因,下面介绍的电子方案是更好的方法。
然而,旋转分配器能直观的起作用，在特殊的情况下还可以实现简单的远程驱动。远程驱动是通过简单地连接马达的接口和分配器来实现的。它甚至可能是使用手动输入。1:1运动转移率和转矩放大的不使用电机械通过泵转子和电机曲柄实现的。短片3展示了环形齿轮在三平行四边形机制下由旋转分配器驱动的运动。为表达清楚,马达盖,正齿轮,和几个轴承已被移除。
2)电子分配器：一个气动分配器是使用三个电动阀门安装在一个歧管来组成的。阀门通常是封闭的,三相,两通直流电磁阀。这些增压时激活,其他时候则排气。一个特殊的电子驱动程序旨在控制新电机标准电动步进电机分度器和运动控制卡。这个驱动器定向循环激活这个阀门在六步序列下作为控制的步骤和方向信号的索引器。图7的电路实现了一个6 步进，它旋转寄存器U2-U3(通用移位寄存器)在步骤输入信号的方向的时钟信号。然后使用逻辑门U1变换其状态所需的D1-D1D2-D2-D2D3-D3-D3D1序列去命令固态继电器U9-U11的阀门。预设和逻辑方向是由单稳态U6,和阀门U4 U5A还有U7实现的。触发电路(包括U8,U6)降低输入信号的噪声灵敏度。
通过三种类型的阀门测试, 我们发现速效阀NVKF334V-5D SMC公司(麦克马斯特61975 k7)是我们应用中去平衡响应时间/空气流量最好的。这是一个24 - v直流，4.3 - w阀门和0.2 Cv。最大的循环频率是不确定的，但是阀门实验时超过额定值50赫兹，并且能稳定工作。
阀门的最大循环频率(fmax(Hz))给电机速度第一个限制。独立于换向顺序的使用 (满或半步)，曲柄每转动一次阀门进行一次循环。因此,最大的步进频率(vmax)和输出齿轮的最大速度(omega;g)
Vmax =6 fmax[steps/s] or [Hz] 六步/转
omega;g = 60 fmax/T
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