CN109855528A - 一种圆球关节移动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明一种圆球关节移动传感器，属于空间回转角度测量技术领域；所要解决的技术问题是提供了一套专门用于测量球关节转动空间角度的测量系统；解决该技术问题采用的技术方案为：包括球体、托架、外侧滑轨、内侧滑轨和单轴角度编码器，球体的赤道部被托架包围，球体和托架形成可转动配合，球体的顶端设有动作接收部，球体的底端设有解耦滑块，外侧滑轨和内侧滑轨均为中间设有狭缝的半圆弧轨道，外侧滑轨和内侧滑轨的两侧通过联轴装置铰接在托架上，解耦滑块贯穿内侧滑轨的狭缝后与外侧滑轨的狭缝铰接，联轴装置的外端与单轴角度编码器相连。

Description

一种圆球关节移动传感器

技术领域

本发明一种圆球关节移动传感器，属于空间回转角度测量技术领域。

背景技术

在机械制造领域，对高精度高质量的追求是整个大行业的共同目标，但随之带来的结构复杂、加工成本高昂、产量降低等弊端总是很难消除。如果加工在一个维度上进行时，高精度还是比较容易实现的，但是现在需求的产品结构越来越复杂，往往需要在并联或者混联机床上进行加工（苏勇. 浅谈并联机器人开放式数控系统构建[J]. 科技资讯,2015,(33):18-19.）。这些设备中都广泛使用了球形关节，而在并联机构中，球铰间隙是一个关键的误差因素，影响和制约并联机构在高精度领域的应用。但是目前对于球形关节的测量并没有得到很好的发展，并没有一种成熟的测量方案。目前现有的传感器如位移传感器、角度传感器等只能得到一个维度的参量。为了得到一个空间角度，传统的办法是为每个维度设计一套完整的测量系统，然后将这些系统组合成一个大的系统，完成一个空间角度的测量。这样的方案在短期内是可以满足相对复杂的加工工艺要求的，但是在加工精度与加工复杂度不断刷新的现代社会，这种方案的高成本与电路及机械结构复杂的弊端将越来越明显。

对于多自由度空间回转角度的测量，在国内外目前测量原理可分为利用磁场理论、利用机器视觉和利用光学原理这几类。另外，在医学研究领域也有利用关节角度传感器来研究功能性神经肌肉电刺激系统等问题的（戴金桥,俞阿龙,孙红兵等. 虚拟手术训练力觉交互技术的现状与趋势[J]. 测控技术,2014,(10):1-4.）。

日本多摩川精机株式会社以高精度，高可靠性，较长的使用寿命的编码器为工程领域所熟知，而目前应用最多的编码器为光电编码器。光电编码器主要组成部件是光栅盘和光电检测装置，光栅盘上沿圆周均匀分布着精密加工而成的许多狭缝，正是这些缝隙使光电检测装置能输出若干脉冲信号。所以对于圆光栅的细分程度就决定了光电编码器的性能，该公司利用现有的技术研究了一套检测球体空间回转角度的系统（Hama N. Sphereabsolute angle detection system, sphere actuator, and pointing device: U.S.Patent 20,090,303,181[P]. 2009-12-10.）。

在坐标测量机中关节式坐标测量机由于其成本低廉、安装方便、动作灵活、重量轻巧、理论上无测量死角等特性在近些年备受关注(黄平,路旭. 关节臂式坐标测量机运动学建模与误差分析[J]. 传感器世界,2015,(12):27-30.)。瑞典海克斯康测量集团的HomerL.Eaton等人在设计研发新式关节式坐标测量机时提出用球关节来替代传统的十字交叉双轴的想法(Eaton H L, Ferrari P A. Coordinate measurement machine withimproved joint: U.S. Patent 7,743,524[P]. 2010-6-29)。

国内合肥工业大学胡鹏浩科研团队基于磁场理论研发了一种智能球关节，利用霍尔传感器阵列对永磁体产生的磁场进行感知从而得到转动角度，霍尔传感器分布在球窝内或加装在现有的球关节上，相对应的永磁体也有两种分布方式，一种是将永磁体制成圆环永磁体套在球较杆上，一种是将永磁体嵌入球头内部 (王文,张敏,朱晔文等. 球铰链的多维回转角度测量方法研究综述[J]. 电子测量与仪器学报,2017,(01):1-8)。这种方法实用意义较高，可以对已有的普通球铰链进行改造升级，但是其精度主要靠霍尔传感器的数量和性能来保证，并且由于磁场的衰变需要周期性的标定整个系统，可靠性难以保证。

在汽车工业领域也有过对空间角度测量的研究(陈建,高云. 汽车电子排挡的开发与设计思路初探[J]. 电子技术与软件工程,2015,(13):245.)，领域内的知名公司比利时迈来芯公司推出过一种三维霍尔传感器。该传感器主要应用领域为汽车方向盘和工程车辆的操作手柄中，能实现对于一个小范围内的位置测量和角度测量，但是一旦超过范围则会引起较大的测量误差。目前霍尔传感器主要应用于汽车行业和医疗行业中(沙敏,王一枫,丁宁等. 基于电控旋转磁场与非迭代几何算法的电磁跟踪方法仿真研究[J]. 航天医学与医学工程,2016,(01):28-33.)。

通过查阅国内外相关文献，了解到国内外主要测量空间回转角度的方案都还处于发展阶段，还没有得到很好的推广。其主要原因是现有成果都有系统造价昂贵、精度难以保证、系统稳定性欠佳等缺陷。

发明内容

本发明一种圆球关节移动传感器，克服了现有技术存在的不足，提供一套专门用于测量球关节转动空间角度的测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种圆球关节移动传感器，包括球体、托架、外侧滑轨、内侧滑轨和单轴角度编码器，球体的赤道部被托架包围，球体和托架形成可转动配合，球体的顶端设有动作接收部，球体的底端设有解耦滑块，外侧滑轨和内侧滑轨均为中间设有狭缝的半圆弧轨道，外侧滑轨和内侧滑轨的两侧通过联轴装置铰接在托架上，解耦滑块贯穿内侧滑轨的狭缝后与外侧滑轨的狭缝铰接，联轴装置的外端与单轴角度编码器相连。

进一步，所述联轴装置包括球体轴承、支柱轴承和连接轴，连接轴的两侧分别套接在球体轴承和支柱轴承的中心，球体轴承设置在所述托架上，连接轴远离所述球体的一端与单轴角度编码器相连。

进一步，所述托架包括托架上盖和托架下盖，托架上盖和托架下盖沿所述球体的赤道面对称分布，托架上盖和托架下盖通过螺丝固定。

进一步，所述外侧滑轨的半径大于所述内侧滑轨的半径。

进一步，所述单轴角度编码器的数量为2个，其中一个与所述外侧滑轨上的第一连接轴相连，另外一个与所述内侧滑轨上的第二连接轴相连，两个所述单轴角度编码器的转轴轴线正交，交点与所述球体的球心重合。

进一步，还包括支柱、底座和传感器支架，支柱的数量为4个，设置在底座上，所述单轴角度编码器设置在传感器支架顶端，所述支柱轴承设置在支柱上，所述支柱轴承的上方设有压盖，两个所述单轴角度编码器的转轴组成的平面与底座提供的平面平行。

进一步，所述解耦滑块的外形为圆锥体，所述解耦滑块与所述半圆弧轨道的狭缝存在预紧力保证在运动过程中始终无间隙。

进一步，所述动作接收部包括支撑架和环形圈，支撑架与环形圈相连，环形圈的圆心位于支撑架的中心轴上，支撑架的中心轴线与所述解耦滑块的轴线在同一直线上。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

把复杂的多自由度的转动问题分解成并行的单自由度的转动问题，从而利用现有的成熟技术组成一套符合精度要求的空间回转角度测量系统。

附图说明

图1为本发明的外观结构示意图。

图2为使用本发明的基本测量方案示意图。

图3为空间回转角度常规坐标示意图。

图4为使用本发明的空间回转角度坐标定义示意图。

图中，1-第二连接轴，2-托架上盖，3-球体，4-压盖，5-球体轴承，6-托架下盖，7-第一连接轴，8-支柱轴承，9-支柱，10-传感器支架，11-底座，12-外侧滑轨，13-内侧滑轨，14-解耦滑块，15-动作接收部，16-支撑架，17-环形圈，18-托架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明一种圆球关节移动传感器，包括球体3、托架18、外侧滑轨12、内侧滑轨13和单轴角度编码器，球体3的赤道部被托架18包围，球体3和托架18形成可转动配合，球体3的顶端设有动作接收部15，球体3的底端设有解耦滑块14，外侧滑轨12和内侧滑轨13均为中间设有狭缝的半圆弧轨道，外侧滑轨12和内侧滑轨13的两侧通过联轴装置铰接在托架18上，解耦滑块14贯穿内侧滑轨13的狭缝后与外侧滑轨12的狭缝铰接，联轴装置的外端与单轴角度编码器相连。外侧滑轨12的半径大于内侧滑轨13的半径。

联轴装置包括球体轴承5、支柱轴承8和连接轴，连接轴的两侧分别套接在球体轴承5和支柱轴承8的中心，球体轴承5设置在托架18上，连接轴远离球体3的一端与单轴角度编码器相连。

托架18包括托架上盖2和托架下盖6，托架上盖2和托架下盖6沿球体3的赤道面对称分布，托架上盖2和托架下盖6通过螺丝固定。

具体进行测量时，单轴角度编码器可采用磁电编码器，其数量为2个，其中一个与外侧滑轨12上的第一连接轴7相连，另外一个与内侧滑轨13上的第二连接轴1相连，两个单轴角度编码器的转轴轴线正交，交点与球体3的球心重合。外侧滑轨12沿第一连接轴7转动动作与内侧滑轨13的沿第二连接轴1转动动作在工作过程中始终无干涉，外侧滑轨12运动中所包络的球面与内侧滑轨13运动中所包络的球面始终保持同心。

本发明还包括支柱9、底座11和传感器支架10，支柱9的数量为4个，设置在底座11上，单轴角度编码器设置在传感器支架10顶端，支柱轴承8设置在支柱9上，支柱轴承8的上方设有压盖4，两个单轴角度编码器的转轴组成的平面与底座11提供的平面平行。支柱9为半圆弧滑轨提供了相对底座9稳定的轴线空间位置，联轴装置为带轴半圆弧滑轨绕其轴线做相对转动提供了机械基础。

解耦滑块14的外形为圆锥体，解耦滑块14与半圆弧轨道的狭缝存在预紧力保证在运动过程中始终无间隙。一方面，动作接收部15包括支撑架16和环形圈17，支撑架16与环形圈17相连，环形圈17的圆心位于支撑架16的中心轴上，支撑架16的中心轴线与解耦滑块14的轴线在同一直线上。另一方面，动作接收部15也可以采用拨杆，拨杆的中心轴线与解耦滑块14的轴线在同一直线上。

由图2可以看出，托架18通过四个均匀分布的支柱9支撑，支柱9与底座11可以看作是刚性的连接形式，所以托架18相对于底座11或者大地是静止的相当于整个传感器的机械结构的机架部分。而球体3与托架18为面接触，组成球面副，两构件能绕球体3的球心作三个独立的相对转动，即可以是以图2中定义的X、Y、Z轴为轴心的转动。本发明中不涉及其球体3的自转，故只要得到X、Y两轴的转动情况就可以得到球体3的空间回转角度。

空间回转角度求解原理如下：

以球体的球心为原点O，如图2所示，以托架18外壁上均匀分布在球心所在水平面上的四个连接轴所在的正交轴为X、Y轴方向，建立坐标系O-XYZ；由于本身机械结构的硬限位，球体3在托架18的支撑下可以在某一限定大小的空间角度内自由回转。假设球体3上安装的可以手动转动的拨杆顶端一点为P，在此坐标系下的坐标为P（x,y,z），如图3所示。

按照常规的空间角度表示方法，P点方位角为φ，仰角为θ，与原点的距离为r，则将其球坐标（r,θ,φ）转换为直角坐标P（x,y,z）计算公式为：

（1）

在本发明中第一手的数据并非其方位角φ与仰角θ而是其绕X，Y轴旋转的角度α1和β1，如图2.4所示，所以要求得其球坐标中的方位角φ与仰角θ需要通过绕X，Y轴旋转的角度α1和β1间接求得。

如图4所示，P点坐标与α1和β1之间有如下关系式：

（2）

通过式（1）与式（2）联立可以求得以绕X，Y轴旋转的角度α1和β1为参数表示的空间回转角度方位角φ与仰角θ：

（3）

根据上述测量思路中的测量方法得到球体绕X，Y轴回转的角度α1和β1，通过式(3)反算出球坐标（r,θ,φ）中两个重要的参数方位角φ与仰角θ，通过采集多组数据就可以获得球关节的运动方向和空间回转角度。

尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (8)

1.一种圆球关节移动传感器，其特征在于：包括球体（3）、托架（18）、外侧滑轨（12）、内侧滑轨（13）和单轴角度编码器，球体（3）的赤道部被托架（18）包围，球体（3）和托架（18）形成可转动配合，球体（3）的顶端设有动作接收部（15），球体（3）的底端设有解耦滑块（14），外侧滑轨（12）和内侧滑轨（13）均为中间设有狭缝的半圆弧轨道，外侧滑轨（12）和内侧滑轨（13）的两侧通过联轴装置铰接在托架（18）上，解耦滑块（14）贯穿内侧滑轨（13）的狭缝后与外侧滑轨（12）的狭缝铰接，联轴装置的外端与单轴角度编码器相连。

2.根据权利要求1所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：所述联轴装置包括球体轴承（5）、支柱轴承（8）和连接轴，连接轴的两侧分别套接在球体轴承（5）和支柱轴承（8）的中心，球体轴承（5）设置在所述托架（18）上，连接轴远离所述球体（3）的一端与单轴角度编码器相连。

3.根据权利要求2所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：所述托架（18）包括托架上盖（2）和托架下盖（6），托架上盖（2）和托架下盖（6）沿所述球体（3）的赤道面对称分布，托架上盖（2）和托架下盖（6）通过螺丝固定。

4.根据权利要求1所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：所述外侧滑轨（12）的半径大于所述内侧滑轨（13）的半径。

5.根据权利要求2所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：所述单轴角度编码器的数量为2个，其中一个与所述外侧滑轨（12）上的第一连接轴（7）相连，另外一个与所述内侧滑轨（13）上的第二连接轴（1）相连，两个所述单轴角度编码器的转轴轴线正交，交点与所述球体（3）的球心重合。

6.根据权利要求2或5所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：还包括支柱（9）、底座（11）和传感器支架（10），支柱（9）的数量为4个，设置在底座（11）上，所述单轴角度编码器设置在传感器支架（10）顶端，所述支柱轴承（8）设置在支柱（9）上，所述支柱轴承（8）的上方设有压盖（4），两个所述单轴角度编码器的转轴组成的平面与底座（11）提供的平面平行。

7.根据权利要求1所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：所述解耦滑块（14）的外形为圆锥体，所述解耦滑块（14）与所述半圆弧轨道的狭缝存在预紧力保证在运动过程中始终无间隙。

8.根据权利要求1或7所述的一种圆球关节移动传感器，其特征在于：所述动作接收部（15）包括支撑架（16）和环形圈（17），支撑架（16）与环形圈（17）相连，环形圈（17）的圆心位于支撑架（16）的中心轴上，支撑架（16）的中心轴线与所述解耦滑块（14）的轴线在同一直线上。