CN106403944A - 惯性测量装置及运动控制设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种惯性测量装置以及运动控制设备。惯性测量装置包括：外部壳体、内部壳体、传感器组件及粘性阻尼液。所述内部壳体容纳在所述外部壳体中，所述传感器组件容纳在所述内部壳体中，所述粘性阻尼液容纳于所述外部壳体和所述内部壳体之间。所述外部壳体和所述内部壳体为密封结构。本公开采用粘性阻尼液作为隔振材料，与现有技术中采用泡棉相比，弹性更低，刚度更小，从而减小了惯性测量装置的固有频率。并且，相比于现有技术中不采用隔振材料填充的情况，其重量相对于不填充情况而言更大。从而更进一步地降低了系统的固有频率，提高隔振效率。

Description

惯性测量装置及运动控制设备

技术领域

本公开一般涉及测控领域，具体涉及惯性测量装置，尤其涉及具有减振装置的惯性测量装置及运动控制设备。

背景技术

惯性测量单元是用来测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态的装置。惯性测量单元大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上。也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。现有的惯性测量单元往往是直接安装在需要进行运动控制的设备上。然而，设备产生的高频振动会对惯性测量单元造成干扰，其检测精度及效率会受到设备高频振动的影响。

现有的解决上述问题的方法如下：在不进行物理结构设置减振的情况下运用软件实现。具体的，其通过软件算法将高频振动产生的干扰信号进行消除。然而，当干扰信号与惯性测量单元检测的信号相似时，采用软件消除很可能会同时将期望的检测信号也一并消除而造成信号失真。而且，软件的实现也跟机体本身的参数有关，如机体的固有频率。因此，需要将软件的参数不断地调整从而适用于不同的机体。这大大增加了软件实现的难度。

另外一种普遍采用的方法是使用泡棉减振垫作为弹性支撑系统。即，在整个惯性测量单元与使用环境之间铺设减振垫。或者，在惯性测量单元内部核心部件外铺设减振垫以期达到减振的效果。然而，采用泡棉用于减振时，其载荷特性表现为显著的非线性，产品很难保证质地均匀，长时间承压容易产生永久变形，隔振效率降低。并且减震垫本身具有弹性，增大了隔振系统的固有频率。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种通过物理结构设置达到良好减振效果的惯性测量装置，还提供一种运动控制设备。

为了实现上述公开目的，本公开第一方面提供了一种惯性测量装置，包括外部壳体、内部壳体、传感器组件和粘性阻尼液。所述内部壳体容纳在所述外部壳体中，所述传感器组件容纳在所述内部壳体中，所述粘性阻尼液容纳于所述外部壳体和所述内部壳体之间。所述外部壳体和所述内部壳体为密封结构。

可选的，外部壳体包括扣合后密封连接的下壳体和上盖。

优选的，外部壳体还包括夹设于下壳体与上盖之间的密封垫。

优选的，外部壳体还包括位于下壳体与上盖间的数据处理电路板。

优选的，数据处理电路板面向上盖的一端设有卡合凸起，上盖面向数据处理电路板的一端设有卡合凹槽，卡合凸起与卡合凹槽配合连接。

可选的，内部壳体包括护盖及与护盖扣合后形成密封的容纳空间的封盖。

优选的，内部壳体还包括夹设于护盖与封盖之间的密封垫。

可选的，传感器组件包括位于容纳空间内的骨架、固定安装于骨架上的电路板及安装于电路板上的惯性传感器。

优选的，惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。

优选的，骨架及护盖采用密度不小于铜的材料制成。

优选的，惯性测量装置还包括缓冲填充物。缓冲填充物分布于粘性阻尼液中。

优选的，外部壳体上还设置有粘性阻尼液注入孔，其通过孔塞进行密封。

本公开第二方面还提供一种运动控制设备，其包含上述惯性测量装置。所述运动控制设备可以为以下任意一项：汽车，机器人，潜艇、飞机、无人机、导弹和航天器。

通过本公开的采用粘性阻尼液作为隔振材料，与现有技术中采用泡棉比起来，弹性更低，而且刚度更小，从而减小了固有频率。并且，相比于现有技术中不采用隔振材料填充的情况，其重量相对于不填充情况而言更大。从而更进一步地降低了系统的固有频率。

还通过本公开的在壳体上设置粘性阻尼液注入孔，使得填充于其中的粘性阻尼液的液位可调节。从而避开共振频率，避免发生共振带来的剧烈振动。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本公开实施例的惯性测量装置的整体结构图；

图2为根据本公开实施例的惯性测量装置的爆炸图；

图3为根据本公开实施例的壳体组件的展开图；

图4为根据本公开实施例的封装俯视图。

标号说明：

11…下壳体 12…数据处理电路板 13…上盖

2…内部壳体 21…护盖 22…封盖

3…传感器组件 31…骨架 32…电路板 33…惯性传感器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关公开，而非对该公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1和图4所示，一种惯性测量装置，包括：外部壳体、内部壳体2、传感器组件3及粘性阻尼液。内部壳体2容纳在外部壳体中，传感器组件3容纳在内部壳体2中，粘性阻尼液容纳于外部壳体和内部壳体2之间。外部壳体和内部壳体2为密封结构。

具体地，在本实施例中，所述密封结构为液密(liquid tight)结构，即液体无法通过的密封结构。在更多实施例中，所述密封结构还可根据实际需求设置为不同密封标准的密封结构，只要粘性阻尼液无法通过密封结构流出，即可实现相同的技术效果。

参考图3，外部壳体包括下壳体11，数据处理电路板12及上盖13。下壳体11与上盖13扣合形成密封的容纳空间。上盖13面向容纳空间一面的一端设置有凹槽，数据处理电路板12跟上盖13贴合的一面上的一端设置有凸起。通过凸起和凹槽的配合使得数据处理电路板12稳固连接于上盖13。此外，数据处理电路板12与上盖13上均设置有螺纹孔，通过螺钉进一步将数据处理电路板12稳固连接于上盖13。下壳体11底部边缘设置台阶，上盖13边缘与下壳体11咬合处设置成适应于下壳体11底部边缘台阶的凹凸状边缘。上盖13的凹凸状边缘与下壳体11底部边缘台阶同样设置螺纹孔，在上盖13与下壳体11扣合后，进一步通过螺钉穿过螺纹孔将两者固定。下壳体11与上盖13均采用密度较大的材料制成。密度较大是指在常态下，密度不小于铜的材料。如钢、铜、铅或者其合金。在体积相同的情况下，采用密度较大材料使得惯性测量装置的重量增大，从而降低隔振系统的固有频率，提高隔振效率。

参见图2所示，内部壳体2包括护盖21及封盖22。封盖22与护盖21扣合后形成密封的容纳空间。在某种实现中，护盖21与封盖22吻合处的边缘设置螺纹孔，封盖22也同样设置螺纹孔，通过螺钉的连接实现两者吻合密封。优选的，在另外一个实现中，还可以通过设置密封垫夹设于护盖21与封盖22之间进一步实现密封。当然，护盖21与封盖22吻合处的边缘不限定为平面，其也可以设置成凹凸的台阶结构实现护盖21与封盖22的扣合。本公开的内部壳体2的密封方式也不限于上述护盖21以及封盖22的配合，其也可以采用诸如橡胶塞与护盖21配合或者采用其他类似方式达到密封的情形。

传感器组件3包括骨架31、电路板32以及惯性传感器33。护盖21为三面封闭一面开口的凹槽结构，其内部凹槽用以容纳骨架31、电路板32以及惯性传感器33。惯性传感器33包括陀螺仪，加速度计等。骨架31面向容纳空间一面设置立柱，电路板32通过卡合嵌入的方式固定于立柱上。惯性传感器33电连接于电路板32上。当然，在另外一种实现中，通过在立柱上设置螺纹孔，通过螺钉可以将电路板32稳固连接于立柱上。电路板32与骨架3装配形成的核心测量部件置入护盖21的容纳空间中，核心测量部件的长度与宽度与凹槽内部容纳空间的长度宽度大体一致，这样在核心测量部件装配进入护盖21后能顶设于容纳空间内壁而不会因为晃动与护盖21的内壁发生摩擦碰撞。封盖22边缘以及护盖21与封盖22边缘吻合处设置螺纹孔，封盖22与护盖21扣合后通过螺钉密封。在另外一种实现中，封盖22与护盖21之间还可以通过夹设密封垫进一步密封，从而防止外部液体进入核心测量部件。

护盖21和骨架31均采用高密度材料制成，所述高密度是指在常态下密度不小于铜的金属或者合金固态材料，如钢、铜、铅或者其合金。这样一来，核心测量部件的重量增大，从而降低隔振系统的固有频率，提高隔振效率。同时，电路板32可以采用柔性材料制成的电路板，从而减小核心测量部件的刚度，进一步降低系统的固有频率，提高隔振效率。

粘性阻尼液填充于外部壳体与内部壳体2所形成的容纳空间中。下壳体11在机体振动时会跟随机体一起振动，并将运动传导至粘性阻尼液。粘性阻尼液在流动时与下壳体11内表面发生摩擦，从而将大量传导于其的能量消耗掉。从而使得传到至其包裹的内部壳体2的能量大大降低。由于采用粘性阻尼液作为隔振材料，与现有技术中采用泡棉比起来，弹性更低，而且刚度更小，从而减小了固有频率。并且，相比于现有技术中不采用隔振材料填充的情况，即相对于中空情况而言，粘性阻尼液的注入使得惯性测量单元的重量进一步增大。从而进一步地降低系统的固有频率。并且，不使用弹性元件作为减振单元使得避免出现载荷特性表现为显著非线性的情形。

在另外一个实施例中，相比于上述实施例，惯性测量单元还包括缓冲填充物(未示于图中)。缓冲填充物可选地包括棉花，石棉绒等。缓冲填充物分布于粘性阻尼液之中，其可以将传导于内壳体的振动进一步缓冲，从而进一步的起到隔振减振效果。

在本公开的一个优选实施例中，下壳体11上还可以设置粘性阻尼液注入孔(未示于图中)，其可以通过密封塞进行密封。通过粘性阻尼液注入孔的设置可以使得填充于内部壳体1与外部壳体2之间注入的粘性阻尼液的液位可调节。即，粘性阻尼液可以通过粘性阻尼液注入孔注入内部壳体1与外部壳体2之间形成的容纳空间。同样的，粘性阻尼也可以通过此孔排出上述容纳空间。从而达到注入的粘性阻尼液的液位可调并由此导致惯性测量单元的重量可调的技术效果。在某个实现中，通过计算得到惯性测量装置的固有频率跟机体的振动频率一致或者位于振动频率附近时，为了防止共振的发生，可以通过粘性阻尼液注入孔调节下壳体11内容纳的粘性阻尼液的重量，从而避开共振频率，防止共振的发生。当然，上述粘性阻尼液注入孔和密封塞的配合只是为了解释本公开示意性的示例，其他的配合方式如采用螺旋盖与螺纹孔，或者其他类似的不脱离本公开中心思想的方式也应该落入本公开中。

在不冲突的情况下，本实施例中的粘性阻尼液注入孔设置也可适用于前面描述的实施例中。

本公开还提供一种运动控制设备，其内安装有前面实施例提及的惯性测量装置。运动控制设备包括汽车、机器人，以及需要用姿态进行精密位移推算的设备，如潜艇、飞机、导弹和航天器等。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (13)

1.一种惯性测量装置，其特征在于，包括外部壳体、内部壳体、传感器组件和粘性阻尼液；

所述内部壳体容纳在所述外部壳体中，所述传感器组件容纳在所述内部壳体中，所述粘性阻尼液容纳于所述外部壳体和所述内部壳体之间；

所述外部壳体和所述内部壳体为密封结构。

2.根据权利要求1所述的惯性测量装置，其特征在于，所述外部壳体包括扣合后密封连接的下壳体和上盖。

3.根据权利要求2所述的惯性测量装置，其特征在于，所述外部壳体还包括夹设于所述下壳体与所述上盖之间的密封垫。

4.根据权利要求2所述的惯性测量装置，其特征在于，所述外部壳体还包括位于所述下壳体与所述上盖间的数据处理电路板。

5.根据权利要求4所述的惯性测量装置，其特征在于，所述数据处理电路板面向所述上盖的一端设有卡合凸起，所述上盖面向所述数据处理电路板的一端设有卡合凹槽，所述卡合凸起与所述卡合凹槽配合连接。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的惯性测量装置，其特征在于，所述内部壳体包括护盖及与所述护盖扣合后形成密封的容纳空间的封盖。

7.根据权利要求6所述的惯性测量装置，其特征在于，所述内部壳体还包括夹设于所述护盖与所述封盖之间的密封垫。

8.根据权利要求6所述的惯性测量装置，其特征在于，所述传感器组件包括位于所述容纳空间内的骨架、固定安装于所述骨架上的电路板及安装于所述电路板上的惯性传感器。

9.根据权利要求8所述的惯性测量装置，其特征在于，所述惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。

10.根据权利要求8所述的惯性测量装置，其特征在于，所述骨架及所述护盖采用密度不小于铜的材料制成。

11.根据权利要求6所述的惯性测量装置，其特征在于，还包括缓冲填充物；所述缓冲填充物分布于所述粘性阻尼液中。

12.根据权利要求6所述的惯性测量装置，其特征在于，所述外部壳体上还设置有粘性阻尼液注入孔，所述粘性阻尼液注入孔通过孔塞进行密封。

13.一种运动控制设备，其特征在于，包含权利要求1-12任意一项所述的惯性测量装置。