CN109029298A - 一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置及其检测方法，属于非接触式的位姿检测技术领域，装置由底座、机架和球形转子构成，球形转子上设有纬向环形凹槽和经向环形凹槽，凹槽内设有由LED灯珠构成的环形光源，机架内壁上设有硅光电池阵列，采用两组环形光源和三组环形光电池分别作为光源和光探测器，光源照射到硅光电池产生的短路电流与照射所成的光斑面积满足一定的函数关系，并由此建立短路电流与转子偏转角度之间的函数关系，通过使用非接触式的检测方法，检测精度高，检测算法精确，不仅可适用于球形关节转子，还可适用于其他在一定范围内自由运动刚体的旋转角度检测，为研究球形转子检测提供了的理论基础。

Description

一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置及其检 测方法

技术领域

本发明属于非接触式的位姿检测技术领域，涉及一种角度数值检测装置及其检测方法，具体的说是涉及一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置及其检测方法。

背景技术

随着工业控制领域和机器人等高新技术领域中对可在空间任意方向进行定位、执行伺服功能的元件需求与日俱增，球形多自由度电机得到了广泛关注。磁悬浮球形主动关节转子的位姿检测作为磁悬浮球形主动关节控制过程中不可缺少的反馈环节，其检测精度直接影响到系统的控制精度。因此，磁悬浮球形主动关节转子的位姿检测也是磁悬浮球形主动关节研究的重点和关键性内容。

基于光电检测技术角度检测的方法有许多种，在现有技术中，除了最常见的光学分度头法和多面棱体法外，还有光电编码器法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、激光干涉法、光学内反射法、以及环形激光法等。但是由于磁悬浮球形主动关节转子的为球形结构，以及其工作状态为悬浮状态。导致上述方法通常并不适合用来进行球形主动关节转子的旋转姿态角度测量。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足，提出一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置及其检测方法，本检测装置不仅可适用于球形关节转子，还可适用于其他在一定范围内自由运动刚体的旋转角度检测，在球形转子位姿检测领域提出了一种新的方法，为研究球形转子检测提供了的理论基础。

本发明的技术方案是：一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，包括底座；其特征在于：所述底座上设有由第一纵向环形支架、第二纵向环形支架和水平环形支架构成的机架，所述第一纵向环形支架和第二纵向环形支架相互垂直交错固定设置在底座上，所述水平环形支架固定连接在第一纵向环形支架和第二纵向环形支架的一端，所述机架内设有球形转子，所述球形转子的顶部设有转子输出轴，所述球形转子的纬度中线上开设有360°纬向环形凹槽，所述球形转子的经度中线上开设有240°经向环形凹槽，所述纬向环形凹槽的槽底面上设有由LED灯珠构成的纬向环形光源，所述经向环形凹槽内槽底面上设有由LED灯珠构成的经向环形光源，所述纬向环形凹槽和经向环形凹槽内均设有透镜，所述透镜与球形转子表面形成光滑过渡的球形面，所述第一纵向环形支架的内表面上均布设有由若干个硅光电池构成的第一环形硅光电池阵列，所述第二纵向环形支架的内表面上均布设有由若干个硅光电池构成的第二环形硅光电池阵列，所述水平环形支架的内表面上均布设有若干个硅光电池构成的第三环形硅光电池阵列，所述球形转子表面与第一环形硅光电池阵列、第二环形硅光电池阵列、第三环形硅光电池阵列之间均存在间隙。

所述第一纵向环形支架、第二纵向环形支架和水平环形支架均为圆心角为180°的环形支架，每个环形支架的宽度相同。

所述纬向环形凹槽、经向环形凹槽的槽宽与环形支架的宽度相同。

所述球形转子表面与第一环形硅光电池阵列、第二环形硅光电池阵列、第三环形硅光电池阵列之间均存在间隙，间隙距离为0.5～1mm。

所述透镜与纬向环形凹槽、经向环形凹槽均为卡合相接。

所述LED灯珠均匀分布在纬向环形凹槽和经向环形凹槽的槽底面上，每个LED灯珠互呈15°设置。

所述硅光电池均匀分布在第一纵向环形支架、第二纵向环形支架和水平环形支架的内表面，每个硅光电池互呈15°设置。

一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值检测装置的检测方法，包括如下步骤：

(1)将角度检测装置平放在桌面上，驱动球形转子偏转，导致光斑的面积S发生变化，利用如下公式对S进行计算：

其中d₁为环形光电池阵列宽度，d₂为环形光源宽度，L为环形光电池阵列长度；

(2)纬向环形光源和经向环形光源发射的白光经过透镜调制照射到三组硅光电池阵列上，硅光电池会产生短路电流I_ls，I_ls＝k·E·S，其中k为常数，与光电池的灵敏度相关，光照度E为一恒定值，通过硅光电池阵列和光源的组合使用得到三组短路电流信号；

(2-1)光源2照射第一环形硅光电池阵列得到的短路电流用以检测角度x₁^x₂；

(2-2)光源1照射第三环形硅光电池阵列得到的短路电流用以检测角度y₁^y₂；

(2-3)光源2照射第二环形硅光电池阵列得到的短路电流用以检测角度z₁^z₂；

(3)将三组硅光电池输出的短路电流信号通过检测系统进行处理得到对应的角度数值，面积S与偏转角度θ在θ∈[0～30°]为一一对应的关系：

本发明的有益效果为：本发明提供的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，装置由底座、机架和球形转子构成，球形转子上设有纬向环形凹槽和经向环形凹槽，凹槽内设有由LED灯珠构成的环形光源，机架内壁上设有硅光电池阵列，采用两组环形光源和三组环形光电池分别作为光源和光探测器，光源照射到硅光电池产生的短路电流与照射所成的光斑面积满足一定的函数关系，并由此建立短路电流与转子偏转角度之间的函数关系，通过使用非接触式的检测方法，避免了摩擦阻力，且检测精度高，近似误差小于0.19％，检测算法精确，不仅可适用于球形关节转子，还可适用于其他在一定范围内自由运动刚体的旋转角度检测，在球形转子位姿检测领域提出了一种新的方法，为研究球形转子检测提供了的理论基础。

附图说明

图1为本发明装置整体结构示意图。

图2为本发明装置中机架结构示意图。

图3为本发明装置侧视结构示意图。

图4为本发明装置俯视结构示意图。

图5为本发明角度数值检测原理示意图。

图6为本发明球形转子角度数值检测原理示意图。

图7为本发明实施例中A组检测单元示意图。

图8为本发明实施例中B组检测单元示意图。

图9为本发明检测中光源与硅光电池阵列第一投影关系示意图。

图10为本发明检测中光源与硅光电池阵列第二投影关系示意图。

图中：球形转子1、机架2、第一纵向环形支架2-1、第二纵向环形支架2-2、水平环形支架2-3、经向环形光源3、纬向环形光源4、第一环形硅光电池阵列5、第二环形硅光电池阵列6、第三环形硅光电池阵列7、底座8、纬向环形凹槽9、经向环形凹槽10、转子输出轴11、透镜12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-4所示，一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，包括底座8；底座8上设有由第一纵向环形支架2-1、第二纵向环形支架2-2和水平环形支架2-3构成的机架2，第一纵向环形支架2-1和第二纵向环形支架2-2相互垂直交错固定设置在底座8上，水平环形支架2-3固定连接在第一纵向环形支架2-1和第二纵向环形支架2-2的一端，机架2内设有球形转子1，球形转子1的顶部设有转子输出轴11，球形转子1的纬度中线上开设有360°纬向环形凹槽9，球形转子1的经度中线上开设有240°经向环形凹槽10，纬向环形凹槽9的槽底面上设有由LED灯珠构成的纬向环形光源4，经向环形凹槽10内槽底面上设有由LED灯珠构成的经向环形光源3，纬向环形凹槽6和经向环形凹槽10内均设有透镜12，透镜12与球形转子1表面形成光滑过渡的球形面，第一纵向环形支架2-1的内表面上均布设有由若干个硅光电池构成的第一环形硅光电池阵列5，第二纵向环形支架2-2的内表面上均布设有由若干个硅光电池构成的第二环形硅光电池阵列6，水平环形支架2-3的内表面上均布设有若干个硅光电池构成的第三环形硅光电池阵列7，球形转子1表面与第一环形硅光电池阵列5、第二环形硅光电池阵列6、第三环形硅光电池阵列7之间均存在间隙。

如图1-4所示，一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，第一纵向环形支架2-1、第二纵向环形支架2-2和水平环形支架2-3均为圆心角为180°的环形支架，每个环形支架的宽度相同；纬向环形凹槽9、经向环形凹槽10的槽宽与环形支架的宽度相同；球形转子1表面与第一环形硅光电池阵列5、第二环形硅光电池阵列6、第三环形硅光电池阵列7之间均存在间隙，间隙距离为0.5～1mm；透镜12与纬向环形凹槽9、经向环形凹槽10均为卡合相接；LED灯珠均匀分布在纬向环形凹槽9和经向环形凹槽10的槽底面上，每个LED灯珠互呈15°设置；硅光电池均匀分布在第一纵向环形支架2-1、第二纵向环形支架2-2和水平环形支架2-3的内表面，每个硅光电池互呈15°设置。

如图5所示，当环形光源发射一束经调制的矩形平行光束照射到硅光电池上，会产生光斑，根据光生伏特效应，硅光电池会产生光生短路电流，当环形光源的角度θ垂直光敏元件发生偏转，则会导致光斑的面积S发生变化。

如图6所示，布置于转子x₁oy₁平面上的环形光源沿法向发射的光照射到布置于机架xoy平面上的环形光电池阵列上形成了两处光斑S。两平面在转子的运动过程中会因为偏转引发光斑S的面积发生变化，进而引发光电池输出电流的变化。通过检测光电池输出电流的变化，从而检测到此时的z与z₁轴偏转角度数值。

由于球形主动关节定转子之间的气隙很小，导致环形硅光电池阵列与环形光源之间的间隙很小。无论转子如何旋转，置于转子上的环形光源必然会在环形硅光电池阵列上产生光斑。如图7所示，将产生的光斑展开，可知环形光源与环形光电池阵列形成的光斑面积等价于两矩形的重叠面积，且光斑面积关于坐标系原点中心O对称，计算其中任一侧面积即可。为方便计算，取其中一侧光斑中心位置计算。当球形转子转动一周时，其光斑面积呈周期变化，不考虑转子产生平动位移的情况下，其周期为考虑转子产生平动位移的情况下，其周期为π。

如图7-8所示，为A、B两组检测单元布置简图，由于球形转子输出轴转动范围的限制，环形光源与光电池阵列无需360度布置。设环形光源布置角度为α，其对应环形光源光电池阵列布置角度为β。对于A组检测单元满足下式即可保证检测精度：

对于A组检测单元设α＝240°，β＝180°。对于B组检测单元设α＝360°，β＝180°。依据角度比例在A组光源均布20个LED灯珠，在B组光源均布30个LED灯珠。如图9所示，当机座环形光束的左侧边未与环形光电池阵列右侧边顶点重叠时，其光斑面积：S＝d₁d₂secθ

并可推得：

如图10所示，当环形光束的左侧边未超过于光敏元件右侧边顶点重叠位置时，即旋转角度θ＜θ₁时，其光斑面积：S＝Ld₁-(S₁+S₂)

直线L₁:y＝kx，直线L₂:

则直线L₂与的交点坐标A，B的坐标分别为：

可知

代入k＝tanθ，即可知其随光通面积S随角度变化的函数

球形转子旋转所引发的角度变化导致硅光电池受光面积的变化从而引发硅光电池短路电流的输出变化，可通过精确检测其光电流来反推出其球形转子旋转角度变化。

Claims (8)

1.一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，包括底座(8)；其特征在于：所述底座(8)上设有由第一纵向环形支架(2-1)、第二纵向环形支架(2-2)和水平环形支架(2-3)构成的机架(2)，所述第一纵向环形支架(2-1)和第二纵向环形支架(2-2)相互垂直交错固定设置在底座(8)上，所述水平环形支架(2-3)固定连接在第一纵向环形支架(2-1)和第二纵向环形支架(2-2)的一端，所述机架(2)内设有球形转子(1)，所述球形转子(1)的顶部设有转子输出轴(11)，所述球形转子(1)的纬度中线上开设有360°纬向环形凹槽(9)，所述球形转子(1)的经度中线上开设有240°经向环形凹槽(10)，所述纬向环形凹槽(9)的槽底面上设有由LED灯珠构成的纬向环形光源(4)，所述经向环形凹槽(10)内槽底面上设有由LED灯珠构成的经向环形光源(3)，所述纬向环形凹槽(6)和经向环形凹槽(10)内均设有透镜(12)，所述透镜(12)与球形转子(1)表面形成光滑过渡的球形面，所述第一纵向环形支架(2-1)的内表面上均布设有由若干个硅光电池构成的第一环形硅光电池阵列(5)，所述第二纵向环形支架(2-2)的内表面上均布设有由若干个硅光电池构成的第二环形硅光电池阵列(6)，所述水平环形支架(2-3)的内表面上均布设有若干个硅光电池构成的第三环形硅光电池阵列(7)，所述球形转子(1)表面与第一环形硅光电池阵列(5)、第二环形硅光电池阵列(6)、第三环形硅光电池阵列(7)之间均存在间隙。

2.根据权利要求1所述的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，其特征在于：所述第一纵向环形支架(2-1)、第二纵向环形支架(2-2)和水平环形支架(2-3)均为圆心角为180°的环形支架，每个环形支架的宽度相同。

3.根据权利要求1所述的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，其特征在于：所述纬向环形凹槽(9)、经向环形凹槽(10)的槽宽与环形支架的宽度相同。

4.根据权利要求1所述的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，其特征在于：所述球形转子(1)表面与第一环形硅光电池阵列(5)、第二环形硅光电池阵列(6)、第三环形硅光电池阵列(7)之间均存在间隙，间隙距离为0.5～1mm。

5.根据权利要求1所述的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，其特征在于：所述透镜(12)与纬向环形凹槽(9)、经向环形凹槽(10)均为卡合相接。

6.根据权利要求1所述的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，其特征在于：所述LED灯珠均匀分布在纬向环形凹槽(9)和经向环形凹槽(10)的槽底面上，每个LED灯珠互呈15°设置。

7.根据权利要求1所述的一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，其特征在于：所述硅光电池均匀分布在第一纵向环形支架(2-1)、第二纵向环形支架(2-2)和水平环形支架(2-3)的内表面，每个硅光电池互呈15°设置。

8.一种对磁悬浮球形关节进行光电角度数值检测装置的检测方法，其特征在于，使用权利要求1-7任一项所述的对磁悬浮球形关节进行光电角度数值的检测装置，包括如下步骤：

(1)将角度检测装置平放在桌面上，驱动球形转子偏转，导致光斑的面积S发生变化，利用如下公式对S进行计算：

其中d₁为环形光电池阵列宽度，d₂为环形光源宽度，L为环形光电池阵列长度；

(2)纬向环形光源和经向环形光源发射的白光经过透镜调制照射到三组硅光电池阵列上，硅光电池会产生短路电流I_ls，I_ls＝k·E·S，其中k为常数，与光电池的灵敏度相关，光照度E为一恒定值，通过硅光电池阵列和光源的组合使用得到三组短路电流信号；

(2-1)光源2照射第一环形硅光电池阵列得到的短路电流用以检测角度x₁^x₂；

(2-2)光源1照射第三环形硅光电池阵列得到的短路电流用以检测角度y₁^y₂；

(2-3)光源2照射第二环形硅光电池阵列得到的短路电流用以检测角度z₁^z₂；

(3)将三组硅光电池输出的短路电流信号通过检测系统进行处理得到对应的角度数值，面积S与偏转角度θ在θ∈[0～30°]为一一对应的关系：