CN108398663B - 运动轨迹跟踪装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了运动轨迹跟踪装置及其方法，包括光定位装置和六自由度磁悬浮结构，所述六自由度磁悬浮结构包括与运动载体固连的磁性腔体以及悬浮于该磁性腔体内六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体；磁性腔体形成六面体空间并相对于磁悬浮体可移动，任一面设置的第二永磁层与其相对的磁悬浮体一面的第一永磁层极性相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力使磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在该磁性腔体中。采用上述技术方案，通过巧妙设计三维磁悬浮结构实现六自由度悬浮，进而将载体运动状态变化转化为磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，通过光定位装置实时检测磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，就实现运动载体自身的轨迹跟踪。

Description

运动轨迹跟踪装置及其方法

技术领域

本发明属于运动轨迹跟踪领域，更具体地说涉及一种光磁结合的运动轨迹跟踪装置及其方法。

背景技术

现在技术中通常采用GPS进行定位导航，但GPS需要卫星协助完成且成本较高；也有采用外置位置传感器(比如雷达、超声波、激光以及摄像头等)对运动物体的轨迹进行追踪，这些方法结构复杂，而且对物体运动区域有着严格限制，实际使用并不方便。而随着无人驾驶技术的不断发展，运动体需要在运动过程中对其自身进行定位以实现惯性导航，近年来惯性导航技术在航空航天、航海、汽车电子、机器人技术、深海探测等领域得到了重要应用，目前通常使用MEMS加速度传感器和/或陀螺仪来侦测运动物体本身的位移。然而现有技术 MEMS传感器精度不高，只能应用于一些精度要求不高的领域。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术之不足，提出了一种运动轨迹跟踪装置及其方法，通过巧妙设计三维磁悬浮结构实现六自由度悬浮进而将载体位置变化转化为磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，通过检测磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，就实现运动载体自身的轨迹跟踪，可以作为惯性导航控制的重要参考。

本发明的技术解决措施如下：

本运动轨迹跟踪装置包括光定位装置和六自由度磁悬浮结构，所述六自由度磁悬浮结构包括与运动载体固连的磁性腔体以及悬浮于该磁性腔体内六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体；

所述磁性腔体六面内壁均带磁场并形成六面体磁场空间，其任一个面与其相对的磁悬浮体一面的磁极相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力使所述磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在该磁性腔体中；

载体运动时，所述磁性腔体相对于所述磁悬浮体移动并产生相对位移，使施加在所述磁性腔体与所述磁悬浮体之间的磁力的发生变化导致所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置变化；

所述光定位装置用于实时获取所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置并根据所述磁悬浮体的位置变化计算出载体的运动轨迹；

所述光定位装置包括控制板以及设置在所述磁性腔体六面内壁的光定位阵列，所述光定位阵列包括多个光发射管和/或光接收管，光发射管和光接收管一一对应设置在所述磁性腔体相对两侧的内壁上；所述控制板实时控制光定位阵列中每个光发射管的工作状态并接收对应的光接收管的信号从而获取所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化。

在上述的运动轨迹跟踪装置，所述磁性腔体任一个面的第二永磁层与其相邻面的第二永磁层之间留有间隙。

在上述的运动轨迹跟踪装置，还包括用于封闭所述磁性腔体的软磁密封层，所述软磁密封层采用软磁材料，用于封闭所述磁性腔体内的磁场，这样的结构设计防止外界的磁场对里边部件的干扰和阻止里边的磁场对外界的干扰，以提高加速度计的准确度。

在上述的运动轨迹跟踪装置，所述软磁密封层与固定板一体设置。

在上述的运动轨迹跟踪装置，所述磁性腔体由六块磁板拼接形成六面体空间，所述磁板从外到内依次固连设置固定板、第二永磁层和光定位阵列。

在上述的运动轨迹跟踪装置，所述磁板从外到内依次设置固定板、压电感应层、第二永磁层和光定位阵列。

在上述的运动轨迹跟踪装置，所述软磁密封层设有小孔，压电感应层的信号线从孔中引出并与控制板相连。

在上述的运动轨迹跟踪装置，还包括外壳，所述外壳内固连设置所述控制板和磁性腔体。

在上述的运动轨迹跟踪装置，第一永磁层采用充磁装置经均匀充磁。

在上述的运动轨迹跟踪装置，充磁装置包括竖直设置的下充磁头和位于下充磁头正上方的上充磁头，本装置还包括四个圆周分布且水平设置的侧向面充磁头，所述的侧向面充磁头位于下充磁头和上充磁头之间，在下充磁头的上端设有第一充磁接触平面，在上充磁头的下端设有与所述的第一充磁接触平面平行的第二充磁接触平面，在每个侧向面充磁头的内端分别设有竖直设置的第三充磁接触平面。

设计的上充磁头、下充磁头和四个侧向面充磁头，其可以实现一次六个面的充磁；上充磁头、下充磁头和四个侧向面充磁头，相对的两个磁头和被充磁的悬浮体形成闭合磁路，提高了充磁磁场强度，而且还提高了充磁效率，生产效率非常高。

其次，通过上述结构的设计，避免了在充磁的过程中六面磁悬浮体的位移，同时，由于磁头采用软磁材料，还大幅度减少了漏磁的现象。

充磁接触平面的面积与六面磁悬浮体的各个面的面积和形状相同。

在上述的六面磁悬浮体的充磁装置中，所述的下充磁头结构、上充磁头结构和侧向面充磁头的结构相同，包括锥形段和与锥形段大头端连接的平直段，在平直段和/或锥形段外侧分别套设有通电线圈。

锥形段的设计，其可以实现避让，同时，还可以进一步提高充磁效率。

在上述的运动轨迹跟踪装置中，所述的下充磁头固定在机架上；或者在机架上设有驱动所述的下充磁头在竖直方向升降的第一升降驱动机构。

第一升降驱动机构包括气缸、油缸和直线电机中的任意一种。

在下充磁头和机架之间设有第一竖直导向结构。

这里的第一竖直导向结构包括导柱结合导套的结构。

在上述的运动轨迹跟踪装置中，所述的机架上设有驱动所述的上充磁头在竖直方向升降的第二升降驱动机构。

第二升降驱动机构包括气缸、油缸和直线电机中的任意一种。

在上述的运动轨迹跟踪装置中，每个侧向面充磁头分别与水平驱动机构连接，且所述的水平驱动机构分别连接在机架上。

水平驱动机构包括气缸、油缸和直线电机中的任意一种。

通过上述的驱动机构的设计，其可以实现自动化的生产动作，无形中提高了生产效率。

在上述的运动轨迹跟踪装置中，所述的机架上设有套设在下充磁头外侧的筒状支撑，在筒状支撑的上端连接有四根圆周分布的悬臂梁，在每根悬臂梁的悬空端分别连接有倾斜向内朝上设置的倾斜支撑且所述的倾斜支撑上端汇聚至环形套周向，四个侧向面充磁头一一设置在所述的悬臂梁上，上充磁头设置在环形套内。

通过设计筒状支撑、悬臂梁、倾斜支撑和环形套，其构成一个固定支撑架，充磁头集于一个固定支撑架上，不仅便于装置的拆装，而且还进一步降低了装置的维修难度。

在上述的运动轨迹跟踪装置中，在下充磁头的上端套设有固定框，以及位于固定框上方的定位框，在固定框和定位框之间设有轴向弹性结构且定位框套在第一充磁接触平面外围，在机架或固定框上设有驱动所述的定位框在竖直方向升降的升降驱动机构。

定位框的内壁上沿口设有倒角。

升降驱动机构包括若干圆周分布的气缸或者油缸。

通过上述结构的设计，其可以实现六面磁悬浮体定位的准确性，避免了位置的偏离导致后续需要重新矫正，无形中提高了生产效率。

在上述的运动轨迹跟踪装置中，所述的固定框外侧设有若干下定位缺口，在定位框的外侧设有若干与所述的下定位缺口一一对应的上定位缺口，在定位框和固定框之间设有导向框，在导向框的周向设有若干与所述的下定位缺口一一对应的导向凸条且所述的导向凸条竖直设置，导向凸条的上端卡于所述的上定位缺口内并与上定位缺口固定连接，导向凸条的下端卡于所述的下定位缺口内并与下定位缺口滑动连接。

通过上述结构的设计，其可以实现在竖直方向上升降的平顺性，同时，还可以进一步提高整体的结构强度。

在上述的六面磁悬浮体的充磁装置中，所述的轴向弹性结构包括设置在导向框下端和固定框上端之间的若干弹簧。

本运动轨迹跟踪方法包括以下步骤：

(1)、形成六自由度磁悬浮结构，并利用六面同时产生相斥磁力使磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在磁性腔体中；

(2)、磁性腔体感应运动载体的运动状态变化，使其相对于所述磁悬浮体移动并产生相对位移，使施加在所述磁性腔体与所述磁悬浮体之间的磁力的发生变化导致所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置变化；

(3)、设置光定位装置以实时获取所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置并根据所述磁悬浮体的位置变化计算出载体的运动轨迹。

在上述的运动轨迹跟踪方法中，在上述步骤(3)中，所述光定位装置包括控制板以及设置在所述磁性腔体六面内壁的光定位阵列，所述光定位阵列包括多个光发射管和/或光接收管，光发射管和光接收管一一对应设置在所述磁性腔体相对两侧的内壁上；所述控制板实时控制光定位阵列中每个光发射管的工作状态并接收对应的光接收管的信号从而获取所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化。

在上述的运动轨迹跟踪方法中，所述控制板至少包括驱动单元、信号提取模块、处理单元；所述驱动单元用于产生驱动信号，以驱动所述光发射管产生光信号；所述信号提取模块用于获取所述光接收管由光信号产生的感应信号并将该感应信号发送给处理单元；所述处理单元根据感应信号计算所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化，并依此计算出载体的运动轨迹。

在上述的运动轨迹跟踪方法中，所述磁悬浮体采用软磁内层以及固连设置该软磁内层每个面上的第一永磁层且相对两面的第一永磁层相向磁极极性相反进而形成六面都具有剩磁磁场。

与现有技术相比较，本发明通过巧妙设计三维磁悬浮结构实现六自由度悬浮，进而将载体运动状态变化转化为磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，通过光定位装置实时检测磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，就实现运动载体自身的轨迹跟踪，从而为惯性导航控制提供重要参考信息。

附图说明

图1为本发明运动轨迹跟踪装置结构示意图。

图2为本发明提供的磁性腔体内内置有磁悬浮体的结状态示意图。

图3为本发明提供的磁性腔体内内置有磁悬浮体的剖视图。

图4为本发明提供的磁性腔体剖视图。

图5为本发明提供的磁悬浮体立体结构图。

图6为本发明提供的磁悬浮体的剖视图。

图7是本发明提供的充磁装置的简化结构示意图。

图8是本发明提供的充磁头结构示意图。

图9是本发明提供的充磁装置的结构示意图。

图10是图9中的A处放大结构示意图。

图11是本发明提供的固定框结构示意图。

图12是本发明提供的筒状支撑内置有竖直杆的结构示意图。

图13是本发明提供的六面磁悬浮体放置在定位框内的状态示意图。

图14为本发明磁板结构示意图。

图15为本发明另一视角磁板结构示意图。

图中，控制板1、磁性腔体2、压电感应层21、固定板22、第二永磁层23、磁悬浮体3、软磁内层31、第一永磁层32、软磁密封块4、外壳5、下充磁头A1、第一充磁接触平面A11、上充磁头A2、第二充磁接触平面A21、侧向面充磁头A3、第三充磁接触平面A31、机架A4、筒状支撑A5、悬臂梁A51、倾斜支撑A52、环形套A53、固定框A6、定位框A61、下定位缺口A62、上定位缺口A63、导向框A64、导向凸条A65、弹簧A66、锥形段a、平直段b、通电线圈c。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。

参见图1-3，所示为本发明运动轨迹跟踪装置的结构框图，包括控制板1、磁性腔体2以及设置在该磁性腔体2中的磁悬浮体3，磁性腔体2为密闭磁性腔体2，与载体固连设置，用于感应载体运动状态变化；控制板1与密闭磁性腔体 2组装一体并分别与设置在磁性腔体2的六面的光定位阵列电性连接，用于实时获取所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置并根据所述磁悬浮体的位置变化计算出载体的运动轨迹。当然，在某些应用场合，控制板1与密闭磁性腔体2 也可以分体安装，仅需保持电气连接即可。

参见图3-4，密封磁性腔体2由六块磁板拼接形成封闭六面体空间，从而形成密闭磁场空间。磁板从外到内依次设置固定板22、第二永磁层23以及光定位阵列，每个磁板的固定板22与其相邻磁板的固定板22之间具有固定结构，该固定结构可以采用现有技术的常规技术手段，其目的是使磁板紧密固定并形成密封腔体。磁性腔体2每面的第二永磁层23与其相对的磁悬浮体3一面的磁极相同，从而能够同时产生相斥磁力使磁悬浮体3达到六面磁力平衡状态并悬浮在磁性腔体2中。在静止时，磁悬浮体3能够一直处于平衡状态。载体运动时，由于磁性腔体2与载体固连，跟随载体一起运动，而磁悬浮体3由于惯性作用仍然保持静止，由此，磁性腔体2相对于所述磁悬浮体3移动并产生相对位移，使施加在所述磁性腔体2与所述磁悬浮体3之间的磁力的发生变化导致磁悬浮体3在相斥磁力作用下运动，由此导致所述磁悬浮体3在六面体磁场空间中的位置变化。也即本发明采用上述六自由度磁悬浮结构，将载体的运动过程转化为磁悬浮体3在磁性腔体2内六面体磁场空间中的位置变化，通过实时获取磁悬浮体3的位置信息以及结合初始状态便能计算出载体的运动轨迹。

磁性腔体2六面内壁均设置光定位阵列，该光定位阵列包括多个光发射管和/或光接收管，光发射管和光接收管一一对应设置在所述磁性腔体相对两侧的内壁的光定位阵列；光定位阵列中设置的管子越多，定位精度越高。在实际中，可以将磁性腔体某一面的光定位阵列均设置为光发射管，而其相对一面的光定位阵列均设置光接收管，当然也可以将光发射管和光接收管混合设置在光定位阵列中。

进一步的，电路板至少包括驱动单元、信号提取模块、处理单元；所述驱动单元用于产生驱动信号，以驱动所述光发射管产生光信号；所述信号提取模块用于获取所述光接收管由光信号产生的感应信号并将该感应信号发送给处理单元；所述处理单元根据感应信号计算所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化，并依此计算出载体的运动轨迹。

采用光定位阵列实现磁悬浮体定位的原理如下，在无遮挡情况下，光发射管和相对应的光接收管之间的光路是连同的，也即，当光发射管发射光信号时光接收管能够接收到相应的光信号，如果光发射管发射光信号而光接收管没有接收到相应的光信号，则说明光路被磁悬浮体3所遮挡，所有被遮挡的光路即为磁悬浮体3所处的空间位置，通过六面光定位阵列从而能够精确获取磁悬浮体3在磁性腔体内的空间位置。控制板实时控制光定位阵列中每个光发射管的工作状态并接收对应的光接收管的信号从而获取磁悬浮体在磁性腔体中的实时位置变化，并以此计算出载体的运动轨迹。

采用上述技术方案，通过巧妙设计三维磁悬浮结构实现六自由度悬浮，进而将载体运动状态变化转化为磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，通过实时检测磁悬浮体在磁性腔体内的位置变化，就实现运动载体自身的轨迹跟踪，从而为惯性导航控制提供重要参考信息。本发明技术方案，可以在惯性导航系统中单独使用，也可以结合现有MEMS加速度传感器、陀螺仪等共同使用，为惯性导航系统提供重要参量，以提高定位导航精度。

参见图5-6，磁悬浮体3采用软磁内层31且在其每个面设置与其尺寸相适应的第一永磁层32并形成六面磁场，设置在磁悬浮体3相对两面的第一永磁层的相向磁极极性相反。其中，第一永磁层为永磁体，由硬磁材料制成，其特点是具有高矫顽力、剩磁大、磁化后不易退磁；正六面体软磁内层31为软磁体，由软磁材料制成，其特点是矫顽力低、剩磁低、易磁化、易去磁。在相对两面的相向磁极极性相反的第一永磁层的作用下，由于软磁内层31本身不带磁性且极易磁化，第一永磁层能磁化与紧密设置的软磁内层31，使软磁内层31也呈现磁极性，从而能够起到磁传导的作用。也即，软磁内层31与第一永磁层N级端相连接的一面被磁化为S极，而其对面与另一第一永磁层S级端相连接被磁化为N极，由此，在软磁内层31内部形成由N极到S极磁通路，这样两片第一永磁层形成了完整的磁通路。同理，当在六面带磁性的第一永磁层的作用下，由于软磁内层31的磁化作用，便能形成六面带磁的悬浮体。本发明通过软磁和永磁相结合的方式，巧妙地使软磁内层31成为了传递第一永磁层固有磁能量媒介，从而形成六面带磁的悬浮体。同时，软磁和永磁都极易加工，可以方便地将悬浮体小型化。

当将上述磁悬浮体3置于所示密闭磁性腔体2中，并使磁悬浮体3任一面的磁极与其对应的磁板永磁层的磁极极性相同从而在磁悬浮体3的六面同时产生相斥磁力，这样磁悬浮体3在六面相斥磁力的作用下能够达到六面磁力平衡状态，从而悬浮在该密封磁性腔体2中。

采用上述技术方案，通过在密闭六面体磁场空间设置六面带磁的悬浮体，在六面相斥磁力的作用下使悬浮体达到六面磁力平衡状态，从而仅采用永磁结构便实现六自由度悬浮；采用上述结构，载体运动状态的变化完全反应在磁悬浮体3在密闭磁性腔体2中运动轨迹的变化，因此，实时获取磁悬浮体3的实时位置变化，便能够跟踪载体的运动过程。

在一种优选实施方式中，还包括用于封闭所述磁性腔体的软磁密封层，软磁密封层采用软磁材料，用于封闭所述磁性腔体内的磁场。采用该结构设计，能够有效防止外界的磁场对里边部件的干扰同时阻止里边的磁场对外界的干扰。进一步地，软磁密封层包括六块与所述固定板一一对应的软磁密封块4，各块软磁密封块4之间密封连接且内部形成密封空腔。

进一步的，软磁密封层与固定板一体设置，也即软磁密封块4与固定板一体设置。固定板22采用软磁材料，比如硅钢片、坡莫合金、纯铁等，由于固定板22采用软磁形成密闭腔体，从而能够防止密闭磁性腔体2漏磁，也防止外边磁场对内部磁力的干扰，提高加速度检测准确度和精度。

在一种优选实施方式中，相邻磁板的磁力感应结构之间形成间隙，即，磁性腔体2任一个面的第二永磁层与其相邻面的第二永磁层之间留有间隙，由于存在间隙，即便温度变化引起热胀冷缩，也不会破坏腔体的密闭结构。

在一种优选实施方式中，还包括外壳，所述外壳内固连设置所述控制板和磁性腔体。从而形成一体化商用产品。

在一种优选实施方式中，磁性腔体2由六块磁板拼接形成六面体空间，所述磁板从外到内依次设置固定板22、第二永磁层23和光定位阵列。采用磁板拼接工艺，大大降低了磁性腔体制造难度。当然，磁性腔体2也可以采用五面一体成型另一面封闭形成固定封闭结构，一体成型工艺可以采用3D打印技术，在将第二永磁层23和光定位阵列安装规定在其每个内壁上。

在一种优选实施方式中，所述磁性腔体2设有小孔，压电感应层的信号线从孔中引出并与控制板相连。

在一种优选实施方式，第一永磁层紧贴设置在正六面体软磁内层31的面上，这是因为永磁体与软磁体之间的气隙磁导率小于软磁材料的磁导率，在一种优选实施方式中，磁悬浮体3的六面形成强度均等的磁场，这样，如果密闭磁性腔体2六面内壁也形成均匀强度均等的磁场，磁悬浮体3将悬浮在密闭磁性腔体2的中心位置，从而使磁悬浮体3六向的自由行程均等，提高了测量的量程和精度。

在一种优选实施方式中，第一永磁层采用充磁装置经均匀充磁之后，再设置在正六面体软磁内层31的六个面，从而能够以一种简单的工艺制备磁悬浮体 3。

采用现有技术充磁方法虽然可以获得磁场强度相同的多片第一永磁层，但其设置在六面体软磁内层31后，由于工艺原因，磁悬浮体3的六面磁场会出现强度偏差。为了克服该技术问题，本发明提出一种用于三维加速度计的磁悬浮体3的充磁方法，在正六面体软磁内层31的六个面均设置第一永磁层后再对磁悬浮体3进行整体充磁，通过充磁强度控制从而确保磁悬浮体3六面的磁场强度均等。

如图7-13所示，所述的充磁装置包括竖直设置的下充磁头A1和位于下充磁头A1正上方的上充磁头A2，本装置还包括四个圆周分布且水平设置的侧向面充磁头A3，

上述的下充磁头A1、上充磁头A2和侧向面充磁头A3分别设置在机架上。

进一步地，下充磁头A1固定在机架A4上。

在机架A4上设有驱动所述的上充磁头A2在竖直方向升降的第二升降驱动机构。

每个侧向面充磁头A3分别与水平驱动机构连接，且所述的水平驱动机构分别连接在机架A4上。

侧向面充磁头A3两两一组且相向运动或者相反运动。

所述的侧向面充磁头A3位于下充磁头A1和上充磁头A2之间。

如图7和图9所示，在下充磁头A1的上端设有第一充磁接触平面A11，在上充磁头A2的下端设有与所述的第一充磁接触平面A11平行的第二充磁接触平面A21，在每个侧向面充磁头A3的内端分别设有竖直设置的第三充磁接触平面 A31。下

具体地，如图8所示，本实施例的下充磁头A1结构、上充磁头A2结构和侧向面充磁头A3的结构相同，包括锥形段a和与锥形段a大头端连接的平直段 b，在平直段b和锥形段a外侧分别套设有通电线圈c。

锥形段a的设计，其扩大了磁场。

在机架A4上设有套设在下充磁头A1外侧的筒状支撑A5，在筒状支撑A5 的内壁设有若干圆周分布的竖直杆，在每根竖直杆上分别包覆有铝箔反射层，竖直杆合围成一圈且下充磁头A1位于围成一圈的竖直杆内，其次，在筒状支撑 A5下端设有若干圆周分布的通孔，在每个通孔内分别设有轴流风扇，在筒状支撑A5的上端连接有四根圆周分布的悬臂梁A51，在每根悬臂梁A51的悬空端分别连接有倾斜向内朝上设置的倾斜支撑A52且所述的倾斜支撑A52上端汇聚至环形套A53周向，即，倾斜支撑A52上端与环形套A53周向连接，四个侧向面充磁头A3一一设置在所述的悬臂梁A51上，上充磁头A2设置在环形套A53 内。

在下充磁头A1的上端套设有固定框A6，以及位于固定框A6上方的定位框 A61，在固定框A6和定位框A61之间设有轴向弹性结构且定位框A61套在第一充磁接触平面A11外围，在机架A4或固定框A6上设有驱动所述的定位框A61 在竖直方向升降的升降驱动机构。

其次，在固定框A6外侧设有若干下定位缺口A62，在定位框A61的外侧设有若干与所述的下定位缺口A62一一对应的上定位缺口A63，在定位框A61和固定框A6之间设有导向框A64，在导向框A64的周向设有若干与所述的下定位缺口A62一一对应的导向凸条A65且所述的导向凸条A65竖直设置，导向凸条 A65的上端卡于所述的上定位缺口A63内并与上定位缺口A63固定连接，导向凸条A65的下端卡于所述的下定位缺口A62内并与下定位缺口A62滑动连接。

下定位缺口的敞口处口径小于下定位缺口的内径。

上定位缺口的敞口处口径小于上定位缺口的内径。

导向凸条A65的外径大于下定位缺口的敞口处口径，导向凸条A65的外径大于上定位缺口的敞口处口径。

进一步地，轴向弹性结构包括设置在导向框A64下端和固定框A6上端之间的若干弹簧A66。

当六面磁悬浮体放置到位后，此时的升降驱动机构驱动定位框A61向下移动，避免干扰侧向面充磁头靠近六面磁悬浮体。

本六面磁悬浮体的充磁方法包括如下步骤：

A、定位，将六面磁悬浮体放置在下充磁头A1的第一充磁接触平面A11上，上充磁头A2向下移动并迫使第二充磁接触平面A21与六面磁悬浮体的上表面接触，然后四个侧向面充磁头A3中的两两相向对置的侧向面充磁头A3分别相向向内移动并迫使第三充磁接触平面A31一一压迫在六面磁悬浮体的四个周向平面上；

B、充磁，下充磁头A1、上充磁头A2和侧向面充磁头A3通电，即，实现充磁。

本发明还公开了一种运动轨迹跟踪方法，包括以下步骤：

(1)、形成六自由度磁悬浮结构，并利用六面同时产生相斥磁力使磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在磁性腔体中；

(2)、磁性腔体感应运动载体的运动状态变化，使其相对于所述磁悬浮体移动并产生相对位移，使施加在所述磁性腔体与所述磁悬浮体之间的磁力的发生变化导致所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置变化；

(3)、设置光定位装置以实时获取所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置并根据所述磁悬浮体的位置变化计算出载体的运动轨迹。

在上述步骤(3)中，所述光定位装置包括控制板以及设置在所述磁性腔体六面内壁的光定位阵列，所述光定位阵列包括多个光发射管和/或光接收管，光发射管和光接收管一一对应设置在所述磁性腔体相对两侧的内壁上；所述控制板实时控制光定位阵列中每个光发射管的工作状态并接收对应的光接收管的信号从而获取所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化。

进一步的，控制板至少包括驱动单元、信号提取模块、处理单元；所述驱动单元用于产生驱动信号，以驱动所述光发射管产生光信号；所述信号提取模块用于获取所述光接收管由光信号产生的感应信号并将该感应信号发送给处理单元；所述处理单元根据感应信号计算所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化，并依此计算出载体的运动轨迹。

在上述步骤(1)中，磁性腔体由六块磁板拼接而成并形成六面体磁场空间，所述磁板从外到内依次固连设置固定板、第二永磁层和光定位阵列。

在上述步骤(1)中，所述磁悬浮体3采用正六面体软磁内层31且在每个面设置与其尺寸相适应的永磁层并形成六面磁场，且所述磁悬浮体3相对两面的相向磁极极性相反。

在上述运动轨迹跟踪装置及其方法中，另一种优选的实施方式中，所述磁板从外到内依次设置固定板22、压电感应层21、第二永磁层23和光定位阵列，控制板1还包括为其提供供电的储能单元，该储能单元与密闭磁性腔体2的六面的压电感应层21电性连接，用于存储压电感应层21产生的电能(感应电流)。固定板22、压电感应层21和第二永磁层23之间形成磁力感应结构，压电感应层21紧密设置在固定板22和第二永磁层23之间，第二永磁层所受相斥磁力的变化能够完全转化为压电感应层21所受的压力，并产生与受力强度相对应的电能；其实现原理是，当第二永磁层受到一定相斥磁力时，该相斥磁力传导至压电感应层21使其所承受的压力发生变化，由于压电感应层21由压电材料制备而成，在受力后压电材料的微观结构发生变化会产生与受力强度相对应的电能，因此，上述结构能够实现将运动的动能转换为电能，收集所产生的电能就能够用于为外接设备提供电能。

上述六自由度磁悬浮结构用于在运动载体运动状态下产生微能量并将产生的微能量存储在储能单元中。该技术方案，可以作为辅助供电以提高运动轨迹跟踪装置中储能单元(电池)的使用寿命，或者实现一种自供电的运动轨迹跟踪装置而无需设置电池。

具体原理如下：通过在密闭六面体磁场空间设置六面带磁的悬浮体，在六面相斥磁力的作用下使悬浮体达到六面磁力平衡状态，从而仅采用永磁结构便实现六自由度悬浮；采用上述结构，任一方向的运动状态变化均能完全反应在密闭磁性腔体的六面与磁悬浮体之间的相斥磁力，同时，本发明有创造性的提出了磁力感应结构从而能够将六面的磁力变化转换为电能。这样，在运动载体运动时，磁力平衡状态不断打破，运动状态变化均能使密闭磁性腔体的六面与磁悬浮体之间的相斥磁力发生变化并通过磁力感应结构转换为电能。

如图14-15所示，在固定板22的每个侧边分别设有倾斜配合面221，在其中两个对应的倾斜配合面221上设有定位槽一222，在每个定位槽一222中分别设有厚度小于定位槽一222深度的连接块一223，在连接块一223远离定位槽一 222槽底的一面设有至少一配合槽224。

连接块一223其通过靠近定位槽一222的一面设有若干定位盲孔，在每个定位盲孔中分别注入粘结胶，通过还结构的设计，其可以避免胶水的溢流现象。

在另外两个对应的倾斜配合面221上设有定位槽二225，在每个定位槽二 225中分别设有厚度小于定位槽二225深度的连接块二226，在连接块二226远离定位槽二225槽底的一面设有至少一与所述的配合槽224相互匹配的配合凸起227，在配合凸起227上套设有密封垫228且当所述的配合凸起227与配合槽 224配合时该密封垫228位于连接块一223和连接块二226之间。

密封垫228的两个表面分别设有若干弧形凸起，凸起的设计，其可以形成内部空气的流动，避免由于内部空气无法流动导致组装不到位。

在固定板22的内表面设有压电感应层21和设置压电感应层21远离在固定板22一面的第二永磁层23，所述的压电感应层21呈方形结构且在压电感应层 21的每个侧边分别具有倾斜避让面一211，第二永磁层23呈方形结构且在第二永磁层23的每个侧边分别具有倾斜避让面二231，所述的倾斜避让面一211与倾斜避让面二231一一对应且平滑拼接。

优化方案，本实施例的倾斜配合面221与倾斜避让面一211一一对应。

优化方案，本实施例的倾斜配合面221与倾斜配合面221相互平行，所述的倾斜配合面221与倾斜避让面二231相互平行。

优化方案，本实施例的定位槽一222和连接块一223之间通过粘结胶连接。

优化方案，本实施例的定位槽二225和连接块二226之间通过粘结胶连接。

还有，在固定板22内表面设有方形沉槽229，所述的压电感应层21部分位于所述的方形沉槽229内。

设计的方形沉槽229，其可以形成预定位作用，可以避免由于位置的不准确导致安装偏位的现象。

还有，在压电感应层21和第二永磁层23之间设有若干呈阵列分布的弹簧 29。

在压电感应层21靠近第二永磁层23的一面设有若干供所述的弹簧29一一卡入的半圆槽一212，在第二永磁层23靠近压电感应层21的一面设有若干与所述的半圆槽一212一一对应的半圆槽二232，半圆槽一212和半圆槽二232连通形成圆柱形空腔，所述的弹簧29长度长于圆柱形空腔的长度且弹簧29的两端分别作用在圆柱形空腔的两端。

圆柱形空腔内径大于弹簧29的外径。

设计的弹簧29，当本磁板发生移动时，由于移动导致磁力的变化，此时的弹簧其发生形变，即，来回的伸缩动作，该动作可以迫使压电感应层21进行自行发电，同时，还进一步提高了位置发生变化后的感应精度。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种运动轨迹跟踪装置，其特征在于，包括光定位装置和六自由度磁悬浮结构，所述六自由度磁悬浮结构包括与运动载体固连的磁性腔体以及悬浮于该磁性腔体内六面都具有剩磁磁场的磁悬浮体；

所述磁性腔体六面内壁均带磁场并形成六面体磁场空间，其任一个面与其相对的磁悬浮体一面的磁极相同从而在磁悬浮体的六面同时产生相斥磁力使所述磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在该磁性腔体中；

载体运动时，所述磁性腔体相对于所述磁悬浮体移动并产生相对位移，使施加在所述磁性腔体与所述磁悬浮体之间的磁力的发生变化导致所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置变化；

所述光定位装置用于实时获取所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置并根据所述磁悬浮体的位置变化计算出载体的运动轨迹；

所述光定位装置包括控制板以及设置在所述磁性腔体六面内壁的光定位阵列，所述光定位阵列包括多个光发射管和/或光接收管，光发射管和光接收管一一对应设置在所述磁性腔体相对两侧的内壁上；所述控制板实时控制光定位阵列中每个光发射管的工作状态并接收对应的光接收管的信号从而获取所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化；

所述磁性腔体由六块磁板拼接而成并形成六面体磁场空间，所述磁板从外到内依次固连设置固定板、第二永磁层和光定位阵列；

在固定板的每个侧边分别设有倾斜配合面，在其中两个对应的倾斜配合面上设有定位槽一，在每个定位槽一中分别设有厚度小于定位槽一深度的连接块一，在连接块一远离定位槽一槽底的一面设有至少一配合槽；

连接块一其通过靠近定位槽一的一面设有若干定位盲孔，在每个定位盲孔中分别注入粘结胶，通过还结构的设计，其可以避免胶水的溢流现象；

在另外两个对应的倾斜配合面上设有定位槽二，在每个定位槽二中分别设有厚度小于定位槽二深度的连接块二，在连接块二远离定位槽二槽底的一面设有至少一与所述的配合槽相互匹配的配合凸起，在配合凸起上套设有密封垫且当所述的配合凸起与配合槽配合时该密封垫位于连接块一和连接块二之间；

密封垫的两个表面分别设有若干弧形凸起，凸起的设计，其可以形成内部空气的流动，避免由于内部空气无法流动导致组装不到位；

在压电感应层和第二永磁层之间设有若干呈阵列分布的弹簧；

在压电感应层靠近第二永磁层的一面设有若干供所述的弹簧一一卡入的半圆槽一，在第二永磁层靠近压电感应层的一面设有若干与所述的半圆槽一一一对应的半圆槽二，半圆槽一和半圆槽二连通形成圆柱形空腔，所述的弹簧长度长于圆柱形空腔的长度且弹簧的两端分别作用在圆柱形空腔的两端；

圆柱形空腔内径大于弹簧的外径。

2.根据权利要求1所述的运动轨迹跟踪装置，其特征在于，所述磁悬浮体采用软磁内层以及固连设置该软磁内层每个面上的第一永磁层且相对两面的第一永磁层相向磁极极性相反。

3.根据权利要求1所述的运动轨迹跟踪装置，其特征在于，所述磁性腔体任一个面的第二永磁层与其相邻面的第二永磁层之间留有间隙。

4.根据权利要求1所述的运动轨迹跟踪装置，其特征在于，还包括用于封闭所述磁性腔体的软磁密封层，所述软磁密封层采用软磁材料，用于封闭所述磁性腔体内的磁场。

5.根据权利要求4所述的运动轨迹跟踪装置，其特征在于，所述软磁密封层与固定板一体设置。

6.根据权利要求1所述的运动轨迹跟踪装置，其特征在于，所述磁性腔体设有小孔，光定位阵列的信号线从孔中引出并与控制板电气连接。

7.一种运动轨迹跟踪方法，利用权利要求1-6任意一项所述的运动轨迹跟踪装置，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、形成六自由度磁悬浮结构，并利用六面同时产生相斥磁力使磁悬浮体能够达到六面磁力平衡状态并悬浮在磁性腔体中；

(2)、磁性腔体感应运动载体的运动状态变化，使其相对于所述磁悬浮体移动并产生相对位移，使施加在所述磁性腔体与所述磁悬浮体之间的磁力的发生变化导致所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置变化；

(3)、设置光定位装置以实时获取所述磁悬浮体在六面体磁场空间中的位置并根据所述磁悬浮体的位置变化计算出载体的运动轨迹。

8.根据权利要求7所述的运动轨迹跟踪方法，其特征在于，在上述步骤(3)中，所述光定位装置包括控制板以及设置在所述磁性腔体六面内壁的光定位阵列，所述光定位阵列包括多个光发射管和/或光接收管，光发射管和光接收管一一对应设置在所述磁性腔体相对两侧的内壁上；所述控制板实时控制光定位阵列中每个光发射管的工作状态并接收对应的光接收管的信号从而获取所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化。

9.根据权利要求8所述的运动轨迹跟踪方法，其特征在于，所述控制板至少包括驱动单元、信号提取模块、处理单元；所述驱动单元用于产生驱动信号，以驱动所述光发射管产生光信号；所述信号提取模块用于获取所述光接收管由光信号产生的感应信号并将该感应信号发送给处理单元；所述处理单元根据感应信号计算所述磁悬浮体在所述磁性腔体中的位置变化，并依此计算出载体的运动轨迹。

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