一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置。現(xiàn)有球面鉸鏈自由度檢測系統(tǒng)復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)還不成熟。本實(shí)用新型的第一球冠形傳感電容電極固定在球面鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極固定在球窩底部；球頭的赤道圓周均布固定有個第三球冠形電容電極，球窩的赤道圓周固定個第四球冠形電容電極；球窩緊貼第二球冠形電容電極的頂部圓周處均布固定多個弧形傳感電容電極，第二球冠形電容電極與所有弧形傳感電容電極均相互絕緣；絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤固定在球面鉸鏈的輸出桿上。本實(shí)用新型基于球冠形電容極板間的面積變化引起輸出電容變化的原理，對球面鉸鏈運(yùn)動的三個自由度進(jìn)行求解。
【專利說明】
一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，球面鉸鏈具有轉(zhuǎn)動靈活、能實(shí)現(xiàn)空間機(jī)構(gòu)運(yùn)動和力的傳遞等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、坐標(biāo)測量機(jī)、電子機(jī)械設(shè)備、醫(yī)療儀器設(shè)備、汽車零部件等領(lǐng)域。球面鉸鏈作為系統(tǒng)傳動中的關(guān)鍵部件，其運(yùn)動空間角度的測量有利于系統(tǒng)傳動的反饋控制和補(bǔ)償，對提高系統(tǒng)的傳動精度和整機(jī)的工作性能具有重要的意義。
[0003]球面鉸鏈運(yùn)動是一種典型的多自由度運(yùn)動。相比單自由度位移測量，多自由度位移測量難度較大，技術(shù)還不成熟，國內(nèi)外的部分學(xué)者開展了相關(guān)的研究。國外，美國佐治亞理工學(xué)院Kok-Meng Lee等先后提出了用光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器獲得變磁阻型球形電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動位置的接觸式測量方法和利用視覺傳感器、雙光學(xué)傳感器等非接觸式測量方法來獲取球形轉(zhuǎn)子位置。專利CN1643343A中提出用于測量一個球窩接頭的旋轉(zhuǎn)和傾翻角度的裝置，基于磁光效應(yīng)，該裝置通過在鉸接球中布置磁鐵，隨著球頭在球窩中位置的變化其磁場強(qiáng)度也發(fā)生變化，反映在磁光板上，被光學(xué)檢測裝置接受，進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理，獲得球窩接頭的旋轉(zhuǎn)和傾翻角度。國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)寇金橋等開展了三自由度球形電機(jī)位置測量研究，利用二自由度光學(xué)傳感器測量球電機(jī)三自由度位移的測量原理，提出了傳感器的安裝和位移計(jì)算方法。合肥工業(yè)大學(xué)李姜姜等開展了關(guān)于基于機(jī)器視覺的永磁球形電動機(jī)位置檢測方法的相關(guān)研究。
[0004]這些檢測方法所要構(gòu)建系統(tǒng)比較復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中受到安裝空間和工作環(huán)境等限制，并且要投入較大的成本，研究方案有明顯的局限性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置，基于球冠形電容極板間的面積變化引起輸出電容變化的原理，以實(shí)現(xiàn)球面鉸鏈運(yùn)動方位測量為目標(biāo)，通過球面電容電極的布置，對球面鉸鏈運(yùn)動的三個自由度進(jìn)行解耦和求解。
[0006]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是:
[0007]本實(shí)用新型包括第一球冠形傳感電容電極、第二球冠形電容電極、第三球冠形電容電極、第四球冠形電容電極、弧形傳感電容電極和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器；所述的第一球冠形傳感電容電極固定在球面鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極固定在球窩底部；所述第一球冠形傳感電容電極和第二球冠形電容電極的大小相同；球頭的赤道圓周上均布固定有2η個第三球冠形電容電極，球窩的赤道圓周上固定2η個第四球冠形電容電極，η為正整數(shù)；所述第三球冠形電容電極、第四球冠形電容電極的球冠對應(yīng)圓心角均為Gtl;其中，兩個相鄰第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為1.5 Qtl，另兩個相鄰第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為2.5 Θ ^，其余每兩個相鄰第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為2 Qtl;球窩緊貼第二球冠形電容電極的頂部圓周處均布固定多個弧形傳感電容電極，所述的第二球冠形電容電極與所有弧形傳感電容電極均相互絕緣；所述絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤固定在球面鉸鏈的輸出桿上。
[0008]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0009]1、根據(jù)球冠形電容極板間的面積變化引起輸出電容變化的原理，結(jié)合絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器使用，實(shí)現(xiàn)球面鉸鏈運(yùn)動方位的非接觸式檢測。
[0010]2、采用絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器直接測量球面鉸鏈的輸出桿繞自身軸線的轉(zhuǎn)角大小，能獲得較高的測量精度。
[0011]3、適合球面副連接構(gòu)件的角度測量，對測量裝置的安裝空間要求降低，結(jié)構(gòu)緊湊，算法簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實(shí)用新型使用的裝置中各零件的結(jié)構(gòu)立體圖；
[0013]圖2為本實(shí)用新型中第一球冠形傳感電容電極、第二球冠形電容電極及弧形傳感電容電極的分布示意圖；
[0014]圖3為本實(shí)用新型中第三球冠形電容電極及第四球冠形電容電極的分布示意圖；
[0015]圖4為本實(shí)用新型中球窩底部的俯視示意圖；
[0016]圖5為球面鉸鏈的三自由度運(yùn)動分析示意圖；
[0017]圖6為本實(shí)用新型中第一球冠形傳感電容電極與第二球冠形電容電極的重疊面積計(jì)算分析示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1和2所示，一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置，包括第一球冠形傳感電容電極E1、第二球冠形電容電極E2、第三球冠形電容電極、第四球冠形電容電極、弧形傳感電容電極和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器Q3 ;第一球冠形傳感電容電極El固定在球面鉸鏈的球頭Ql的底部，第二球冠形電容電極E2固定在球窩Q2的底部；第一球冠形傳感電容電極E1、第二球冠形電容電極E2的球冠中心與邊緣間對應(yīng)的圓心角均為α =60°。由于球面鉸鏈的結(jié)構(gòu)限制，所要測量的輸出桿與ζ軸正向的夾角Ψ取值范圍一般不超過60°，因此第一球冠形傳感電容電極和第二球冠形電容電極的有效檢測面積足夠大，可以滿足測量要求。
[0019]如圖3所示，在球面鉸鏈的球頭赤道圓周上均布固定三十個第三球冠形電容電極，球面鉸鏈的球窩赤道圓周上固定三十個第四球冠形電容電極；第三球冠形電容電極、第四球冠形電容電極的球冠對應(yīng)圓心角均為9。= 6°，每兩個相鄰第三球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角均為2 Θ ^ = 12° ;編號15與編號16的第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為1.5 Θ ^ = 9°，編號I與編號30的第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為
2.5 Θ ^ = 15° ,編號I至15、編號16至30的第四球冠形電容電極中，每兩個第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為12°，保證了球頭在球窩中轉(zhuǎn)動到任意位置時均能輸出電容信號。
[0020]如圖1、2和4所示，在球窩緊貼第二球冠形電容電極的頂部圓周處均布固定四個弧形傳感電容電極Hl、H2、H3和H4，第二球冠形電容電極與四個弧形傳感電容電極均相互絕緣。弧形傳感電容電極在平行球窩赤道面、垂直球窩赤道面的方向上對應(yīng)圓心角均為S=6°，每兩個相鄰弧形傳感電容電極中心間對應(yīng)的圓心角均為90° ;將絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器Q3的碼盤固定在球面鉸鏈的輸出桿上。
[0021]該基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置的檢測過程如下:
[0022]如圖2和5所示，球面鉸鏈運(yùn)動具有三個自由度，可表示為球面鉸鏈的輸出桿與ζ軸正向的夾角V、輸出桿在Xoy平面上的投影與X軸正向的夾角Θ和輸出桿繞自身軸線的轉(zhuǎn)角Φ ;其中，絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器能測出輸出桿繞自身軸線旋轉(zhuǎn)角度擎。
[0023]當(dāng)輸出桿傾斜時，第一球冠形傳感電容電極El和第二球冠形電容電極E2的有效重疊面積改變，導(dǎo)致其電容值變化，可以解得輸出桿與ζ軸正向的夾角Ψ。
[0024]如圖6所示，建立第一球冠形傳感電容電極和第二球冠形電容電極的重疊面積數(shù)學(xué)模型，第一球冠形傳感電容電極和第二球冠形電容電極的球冠中心與邊緣間對應(yīng)的圓心角分別為\和Ci2，球頭的半徑為R，可得:
[0025]曲線θι的方程:
X2 + y2 =(Rsinai)2,、
[0026]I J(I)
Z = Rcosa1
[0027]曲線e2的方程:
X2+(y +RcosOtl sin ψ)2 / cos2 ψ = (Rsina1)2
[0028]{ ο , ' ⑵
χ" + (ζ + R cos a, cos ψ)" / siir ψ = (R sin a, Y
[0029]曲線θι和曲線e2在球面上的存在交點(diǎn)Pp P2，其中P1的坐標(biāo)為:

X1 I R / sin f-^(sin α( δ?ηψ)2 -(cosa； cos\]f-cosa2)2
[0030]P1= y, = -R /sinis/(cosa, cos ψ-cos a,)(3)
z,」 Rcosoti
[0031]交點(diǎn)P2和P1關(guān)于yoz平面對稱，因此，P2的坐標(biāo)為:
[0032]P2 = [x2 y2 z2]T = [-X1 Y1 Z1]T(4)
[0033]通過球心O和交點(diǎn)P” P2的平面OP1P2將兩個球冠的重疊面積S分成兩個部分S1和S2，令平面OP1P2和平面XOZ的夾角為β，則平面OP1P2和球面的交線e3的方程為:
ix2 + y2/sin2 P = R2t、
[0034](m
[x~ + ζ /cos-β = R'
[0035]式(5)中，β= tarf1 [ (cos a 2_cos α jcos Ψ) / (cos α jsin Ψ)]。
[0036]曲線ei (i = I, 2)和曲線e3在球面上圍成的面積Si的計(jì)算公式:
[0037]Si^JT...............................................^ i = l,2(6)
ο, r - r
[0038]式(6)中，01表示曲線ei(i = 1,2)和曲線e3所圍的面積在xoy平面上的投影。
[0039]通過計(jì)算可得:
[0040]Si = R2 {[1+sgn (cos α iCOS ψ-cos a i+1) ] (1-cos a J π +
[0041](7)
[0042]2sgn (cos a ^os Ψ—cos a i+1) [ γ ^os a「sin 1 (cos η iSin Yi)])
[0043]式(7)中，

,Jism at sin -(cos a cos ψ 篇 cos ai+1 )2
[0044]Ji = tan"—--—^--；—■—?

Icosai cosy-cosahl I
[0045]η i = tan"1 [ (cos a i+1_cos a ^os Ψ) / (cos a ^in Ψ)]，
[0046]a 3 = a 1?
il χ >0
[0047]Sgn(X) = ^0
[-1 χ <0
[0048]因此，兩個球冠形電容電極的重疊面積為:

I
[0049]S = ^Si(8)

i I
[0050]使a I = a2 = a，因此建立第一球冠形傳感電容電極和第二球冠形電容電極的重疊面積S與Ψ的對應(yīng)關(guān)系,記為:
[0051]S = g(￥)(9)

!:'SCd
[0052]由電容計(jì)算公式C = 二，得S =—代入式(9)中,其中d表示兩極板間隙，ε表
dε
示介電常數(shù)，球頭和球窩表面分布一層環(huán)氧樹脂作為電介質(zhì)；當(dāng)ε和d不變時，得電容值的表達(dá)式C = f(uO，因此輸出桿和ζ軸正向的夾角為:
[0053]Ψ = Γ1 (C)(10)
[0054]如圖3、4和5所示，當(dāng)輸出桿傾斜角度較大時，球頭赤道面和球窩赤道面始終有兩個交點(diǎn)，其對應(yīng)編號N和編號N+15(其中I彡N彡15)檢測到最大的電容值時，可以得出球面鉸鏈輸出桿傾斜位置的Θ大小:
[0055]Θ = (N-1) X12。+Λ Θ +kX 180°(11)
[0056]式中，Δ Θ表不球頭和球窩的赤道面交點(diǎn)偏離編號N的第四球冠形電容電極中心的角度，-6° ^ Δ Θ ^ 6°，其值由編號N和編號N+15的第四球冠形電容電極與各自對應(yīng)的第三球冠形電容電極間的電容值求出，具體可按公式(I)至(10)的步驟求解，其中取
0
%= a,k的取值為ο或1，可根據(jù)檢測到電容值不為零的弧形傳感電容電極所在的位置編號判斷出k的取值，從而確定Θ的值。當(dāng)弧形電極H4檢測到的電容值不為零且H2電容值為零時，k = O ;當(dāng)弧形電極H2檢測到的電容值不為零且H4電容值為零時，k = I ;當(dāng)弧形電極Hl、H2和H4電容值都不為零，且H3電容值為零時，k = O ;當(dāng)弧形電極H2、H3和H4電容值都不為零，且Hl電容值為零時，k = I。
[0057]當(dāng)球面鉸鏈的球頭在球窩中轉(zhuǎn)動，檢測到所有編號的第四球冠形電容電極上都有不為零的電容值時，說明此時球面鉸鏈的輸出桿不發(fā)生傾斜，處于豎直位置；當(dāng)球面鉸鏈的輸出桿傾斜但傾斜角度較小時，部分第四球冠形電容電極檢測的電容值不為零，其中編號為N電極的電容值最大，則只取編號N的電容值分析，忽略其它電容值的影響，帶入式(11)中計(jì)算。
[0058]第一球冠形傳感電容電極和所有的第四球冠形電容電極均加載電壓Vinput;四個弧形傳感電容電極均加載電壓V input ;第二球冠形電容電極和所有的第三球冠形電容電極均加載電壓O。所有的電容電極均由電纜連接至電容傳感器信號處理電路，計(jì)算機(jī)內(nèi)置有數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理軟件，對來自電容的信號進(jìn)行分析處理。根據(jù)球冠形傳感電容電極間的面積變化引起輸出電容變化的原理，結(jié)合絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器，對獲得各個電容的電容量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以實(shí)現(xiàn)球面鉸鏈運(yùn)動方位測量。
【權(quán)利要求】
1.一種基于球面電容的球面鉸鏈運(yùn)動方位測量裝置，包括第一球冠形傳感電容電極、第二球冠形電容電極、第三球冠形電容電極、第四球冠形電容電極、弧形傳感電容電極和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器，其特征在于: 所述的第一球冠形傳感電容電極固定在球面鉸鏈的球頭底部，第二球冠形電容電極固定在球窩底部；所述第一球冠形傳感電容電極和第二球冠形電容電極的大小相同；球頭的赤道圓周上均布固定有2η個第三球冠形電容電極，球窩的赤道圓周上固定2--個第四球冠形電容電極，《為正整數(shù)；所述第三球冠形電容電極、第四球冠形電容電極的球冠對應(yīng)圓心角均為0(3 ;其中，兩個相鄰第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為1.5ΘΙ=Ι ,另兩個相鄰第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為2.50|:|，其余每兩個相鄰第四球冠形電容電極中心間對應(yīng)的圓心角為20q ;球窩緊貼第二球冠形電容電極的頂部圓周處均布固定多個弧形傳感電容電極，所述的第二球冠形電容電極與所有弧形傳感電容電極均相互絕緣；所述絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的碼盤固定在球面鉸鏈的輸出桿上。
【文檔編號】G01D5/241GK204007654SQ201420387364
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月14日
【發(fā)明者】張敏, 王文, 袁科杰, 諸麗燕, 盧科青, 范宗尉 申請人:杭州電子科技大學(xué)