可实现回转角度测量的球铰链及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种可实现回转角度测量的球铰链及测量方法，其特征是：由底座和端盖构成内部具有球窝的球座，球头置入在球窝中，并在端盖的开口处露出球冠，在球头的球冠顶面连接球铰杆；球头与球窝为同心，并且球头可相对于球窝同心转动；在球头的下半球表面嵌装有永磁体，各永磁体均匀分布在球头的下半球表面；在球窝的表面嵌装有磁效应传感器，各磁效应传感器均匀分布在球窝的表面；利用磁效应传感器的感应输出信号判断球头与球窝之间的相对位置及相对运动的方向。本发明在不影响球关节运动精度、力学性能，不破坏其结构的前提下，实现三维角度测量。
【专利说明】可实现回转角度测量的球铰链及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种球铰链，更具体地说是可实现空间回转角度测量的球铰链及测
量方法。
【背景技术】
[0002]角度测量是最基本的测量，现有技术中已有各种角度传感器广泛应用，包括:光栅、磁栅、感应同步器等，但这类传感器都只能进行一维回转角度的测量。在科学研究和工业生产中，当需要测量多个方向的回转角度时只能采用多个角度传感器组合使用的办法。比如在精密测量仪器中，关节臂测量机、激光跟踪仪和精密数字转台等。这些组合角度测量部件的结构复杂、成本高，设备体积大、后续电路及数据采集工作量大，应用受到极大的限制；传统的角度传感器均是采用在一定回转半径的圆盘或圆柱面上等间距刻线来实现测量，其测量精度本质上依赖刻线精度，当精度不足时只能采用细分技术来予以补偿，这从根本上限制了传感器精度的进一步提升，也降低了稳定性。
[0003]近二十年来由于并联机构具有刚度好、运动惯量轻、天然的误差平均效应等优点在机床、机器人、微动工作台、坐标测量机等领域得到了广泛的应用。但一直以来并联机构中大量使用的球铰链和球关节的运动间隙误差严重制约了并联机构在高精度场合的应用和推广，而且球铰链在并联机构上使用时是由别的运动机构和动力源驱动其运动，球铰杆的在空间的回转角度无法实时获晓。
[0004]日本多摩川提出在球铰链球体上印刷类似二维码的图案，用CCD摄像机进行图像识别，然后根据与球体的三个坐标轴上的绝对角度相关的标准图案进行比对和计算，得出角度信息(ZL200780043541.0)。该技术本质上是基于机器视觉的光学测量方法，球铰链实际运动工作时需要加入润滑酯以减轻球铰杆和球窝之间的摩擦，润滑脂的存在严重影响光学成像质量，而且在结构尺寸上难以缩小无法嵌入到球铰链内部。
[0005]德国ZF腓特烈港股份公司提出了带有摆动角传感器的球型万向节，研发的目的是用在汽车底盘上用于检测底盘的变形及运动中的变形，基本原理是在铰链球体的底端嵌入一个永磁体磁铁，在球窝上嵌入一只磁阻传感器用来感知球杆和球体的摆动，该磁阻传感器可以直接获得穿过传感器的磁力线的角度的直接值，该方法是用磁效应进行传感，克服了润滑脂的影响，对使用环境要求也不苛刻，但仅用一只传感器和一只永磁体实现组合，因而不可避免地产生测量角度范围小，测量精度比较低的缺陷，无法满足并联机构在高精度场合应用时的精度要求和量程。
【发明内容】
[0006]本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可实现大量程、高精度的回转角度测量的球铰链及测量方法，在不影响球关节运动精度、力学性能，不破坏其结构的前提下，实现三维角度测量。
[0007]本发明为解决技术问题采用如下技术方案:[0008]本发明可实现回转角度测量的球铰链的结构特点是:
[0009]由底座和端盖构成内部具有球窝的球座，所述球窝的球冠部在端盖上形成为开口 ；球头置入在所述球窝中，并在端盖的开口处露出球冠，在所述球头的球冠顶面连接球铰杆；所述球头与球窝为同心，并且球头可相对于球窝同心转动；
[0010]在所述球头的下半球表面嵌装有永磁体，并有m只永磁体均匀分布在所述球头的下半球表面；在所述球窝的表面嵌装有磁效应传感器，并有η只磁效应传感器均勻分布在球窝的表面；其中，η和m均不为零；利用所述磁效应传感器的感应输出信号判断所述球头与球窝之间的相对角度位置及相对运动的方向。
[0011]本发明可实现回转角度测量的球铰链的结构特点也在于:所述永磁体圆柱体，并套装在由非磁性材料制成的隔套中，所述隔套连带永磁体嵌入在球头表面设置的各圆柱形盲孔中；所述各永磁体的轴线均穿过球头的球心。
[0012]所述球头和球铰杆是以铁磁材料为材质。
[0013]所述各磁效应传感器嵌入在所述球窝表面设置的各传感器孔中，各磁效应传感器同处在以球窝中心为中心、半径为R的球面上，各磁效应传感器的轴线穿过球窝中心；设置各传感器孔为台阶孔，磁效应传感器胶接在非磁材料制成的传感器座上，所述传感器座连带磁效应传感器嵌装在所述台阶孔中。
[0014]利用本发明中球铰链实现回转角度测量的方法的特点是:对于球铰链绕球心O在任意方向上的回转，永磁体产生的磁场随之转动，根据等效磁荷模型计算磁效应传感器所在空间位置的磁感应强度，得出磁效应传感器轴线方向的磁感应强度分量与球铰链回转角度之间的关系；根据磁效应传感器的输入输出特性，建立每个磁效应传感器的电压输出信号与球铰链回转角度的函数关系；联立各个磁效应传感器的函数关系建立方程组，利用最小二乘法实现方程组的求解，得出球铰链回转角度。
[0015]本申请发明人在研究中发现:在并联机构中球铰链间隙本质上与球铰杆工作空间角度和位姿相关，如能实时获取球铰链的空间回转精度对于修正和补偿球铰链间隙误差乃至提高并联机构运动精度都有重要的意义和价值。本发明即是为实现球铰链的智能化，并且其结构简单，性能可靠，可应用在常规机器人控制及其它有多维运动关节的场合实现其空间角度的实时测量。
[0016]与已有技术相比，本发明有益效果体现在:
[0017]1、本发明实现了三维角度检测，也可以作为独立的测量技术应用于工程实际。
[0018]2、本发明相比于传统的空间等间距划分来获取角度测量信息的形式，通过多个磁效应传感器的组合测量获取冗余角度信息，可以提高分辨率和测量精度，同时可根据实际需要配置永磁体个数以也扩大量程。
[0019]3、传统的游标读数是一种机械式细分读数的方法，本发明将这种测量原理应用在球面上，以此来确定和优化永磁铁和传感器芯片的个数以及在球面上的空间排列间距。
[0020]4、本发明采用磁效应进行传感，有效地克服了球铰链实际使用时外界环境因素对测量精度的干扰和影响，且对润滑脂的影响不敏感。
[0021]5、本发明结构简单、紧凑，成本低，也可以做成单独的部件，直接配置在已有设备的关节上实现其空间内任意方向回转角度的测量，具有较大的应用推广价值。【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本发明主视结构示意图；
[0023]图2为本发明结构立体爆炸示意图；
[0024]图3为本发明中永磁体与磁效应传感器配合结构示意图；
[0025]图4圆柱体永磁体等效磁荷模型示意图；
[0026]图5为本发明中测量原理示意图；
[0027]图中标号:1底座；2球铰杆；3球头；4永磁体；5磁效应传感器；6端盖；7螺栓半轴；8隔套；9传感器座。
【具体实施方式】
[0028]参见图1、图2和图3，本实施例中可实现回转角度测量的球铰链的结构形式是:
[0029]由底座I和端盖6构成内部具有球窝的球座,球窝的球冠部在端盖6上形成为开口 ；球头3置入在球窝中，并在端盖6的开口处露出球冠，在球头3的球冠顶面连接球铰杆
2;球头3与球窝为同心,并且球头3可相对于球窝同心转动。
[0030]在球头3的下半球表面嵌装有永磁体4,并有m只永磁体4均勻分布在球头3的下半球表面；在球窝的表面嵌装有磁效应传感器5,并有η只磁效应传感器5均勻分布在球窝的表面；其中，η和m均不为零；利用磁效应传感器5的感应输出信号判断球头3与球窝之间的相对角度位置及相对运动的方向。
[0031]如图2和图3所示，永磁体4为圆柱体，并套装在由非磁性材料制成的隔套8中，隔套8连带永磁体4嵌入在球头表面设置的各圆柱形盲孔中；各永磁体4的轴线均穿过球头3的球心；球头和球铰杆是以铁磁材料为材质。
[0032]各磁效应传感器5嵌入在球窝表面设置的各传感器孔中，各磁效应传感器5同处在以球窝中心为中心、半径为R的球面上，各磁效应传感器5的轴线穿过球窝中心；设置各传感器孔为台阶孔，磁效应传感器胶接在非磁材料制成的传感器座9上，传感器座9连带磁效应传感器嵌装在台阶孔中。
[0033]球铰杆2及球轴颈3由钢材经过热处理和精密切削加工而成，是铁磁材料,永磁体4镶嵌于球轴颈内时，其磁极与球面轴颈3接触，共同在球体上及周围形成闭合的磁力线和特定形状和空间的磁场。永磁体应选择高品质的磁性材料制造，可选择铝镍钴合金500或钡铁氧体或相似材料制成。
[0034]磁效应传感器可依据测量精度及量程的不同，选择霍尔传感器和磁阻及巨磁阻传感器等。
[0035]利用本实施例中球铰链实现回转角度测量的方法是:对于球铰链绕球心O在任意方向上的回转，永磁体产生的磁场随之转动，根据等效磁荷模型计算磁效应传感器所在空间位置的磁感应强度，得出磁效应传感器轴线方向的磁感应强度分量与球铰链回转角度之间的关系；根据磁效应传感器的输入输出特性，建立每个磁效应传感器的电压输出信号与球铰链回转角度的函数关系；联立各个磁效应传感器的函数关系建立方程组，利用最小二乘法实现方程组的求解，得出球铰链回转角度。具体实施中，按如下方式进行:
[0036]首先建立测量模型，其理论基础是等效磁荷模型。对于沿轴向均匀充磁的圆柱永磁体，由于是均匀磁化，体磁荷密度P m为零，在永磁体边界上存在面磁荷密度σ m，并且有如下关系:
[0037]
【权利要求】
1.一种可实现回转角度测量的球铰链，其特征是: 由底座(I)和端盖(6)构成内部具有球窝的球座，所述球窝的球冠部在端盖(6)上形成为开口 ；球头(3)置入在所述球窝中，并在端盖(6)的开口处露出球冠，在所述球头(3)的球冠顶面连接球铰杆(2);所述球头(3)与球窝为同心，并且球头(3)可相对于球窝同心转动； 在所述球头(3)的下半球表面嵌装有永磁体(4),并有m只永磁体(4)均勻分布在所述球头(3)的下半球表面；在所述球窝的表面嵌装有磁效应传感器(5),并有η只磁效应传感器(5)均匀分布在球窝的表面；其中，η和m均不为零；利用所述磁效应传感器(5)的感应输出信号判断所述球头(3)与球窝之间的相对角度位置及相对运动的方向。
2.根据权利要求1所述的可实现回转角度测量的球铰链，其特征是:所述永磁体(4)为圆柱体，并套装在由非磁性材料制成的隔套(8)中，所述隔套(8)连带永磁体(4)嵌入在球头表面设置的各圆柱形盲孔中；所述各永磁体(4)的轴线均穿过球头(3)的球心。
3.根据权利要求1所述的可实现回转角度测量的球铰链，其特征是:所述球头和球铰杆是以铁磁材料为材质。
4.根据权利要求1所述的可实现回转角度测量的球铰链，其特征是:所述各磁效应传感器(5)嵌入在所述球窝表面设置的各传感器孔中，各磁效应传感器(5)同处在以球窝中心为中心、半径为R的球面上，各磁效应传感器(5)的轴线穿过球窝中心；设置各传感器孔为台阶孔，磁效应传感器胶接在非磁材料制成的传感器座(9)上，所述传感器座(9)连带磁效应传感器嵌装在所述台阶孔中。
5.利用权利要求1所述球铰链实现回转角度测量的方法，其特征是:对于球铰链绕球心O在任意方向上的回转，永磁体产生的磁场随之转动，根据等效磁荷模型计算磁效应传感器所在空间位置的磁感应强度，得出磁效应传感器轴线方向的磁感应强度分量与球铰链回转角度之间的关系；根据磁效应传感器的输入输出特性，建立每个磁效应传感器的电压输出信号与球铰链回转角度的函数关系；联立各个磁效应传感器的函数关系建立方程组，利用最小二乘法实现方程组的求解，得出球铰链回转角度。
【文档编号】G01B7/30GK103527620SQ201310502930
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】胡鹏浩, 李帅鹏, 赵鹏, 王力 申请人:合肥工业大学