本实用新型专利技术公开了一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置。现有球面铰链自由度检测系统复杂，相关技术还不成熟。本实用新型专利技术的第一球冠形传感电容电极固定在球面铰链的球头底部，第二球冠形电容电极固定在球窝底部；球头的赤道圆周均布固定有个第三球冠形电容电极，球窝的赤道圆周固定个第四球冠形电容电极；球窝紧贴第二球冠形电容电极的顶部圆周处均布固定多个弧形传感电容电极，第二球冠形电容电极与所有弧形传感电容电极均相互绝缘；绝对式旋转编码器的码盘固定在球面铰链的输出杆上。本实用新型专利技术基于球冠形电容极板间的面积变化引起输出电容变化的原理，对球面铰链运动的三个自由度进行求解。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置。现有球面铰链自由度检测系统复杂，相关技术还不成熟。本技术的第一球冠形传感电容电极固定在球面铰链的球头底部，第二球冠形电容电极固定在球窝底部；球头的赤道圆周均布固定有个第三球冠形电容电极，球窝的赤道圆周固定个第四球冠形电容电极；球窝紧贴第二球冠形电容电极的顶部圆周处均布固定多个弧形传感电容电极，第二球冠形电容电极与所有弧形传感电容电极均相互绝缘；绝对式旋转编码器的码盘固定在球面铰链的输出杆上。本技术基于球冠形电容极板间的面积变化引起输出电容变化的原理，对球面铰链运动的三个自由度进行求解。【专利说明】 一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置
本技术属于测量
，具体涉及一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置。
技术介绍
随着现代工业的快速发展，球面铰链具有转动灵活、能实现空间机构运动和力的传递等特点，广泛应用于机器人、坐标测量机、电子机械设备、医疗仪器设备、汽车零部件等领域。球面铰链作为系统传动中的关键部件，其运动空间角度的测量有利于系统传动的反馈控制和补偿，对提高系统的传动精度和整机的工作性能具有重要的意义。 球面铰链运动是一种典型的多自由度运动。相比单自由度位移测量，多自由度位移测量难度较大，技术还不成熟，国内外的部分学者开展了相关的研究。国外，美国佐治亚理工学院Kok-Meng Lee等先后提出了用光学旋转编码器获得变磁阻型球形电机转子运动位置的接触式测量方法和利用视觉传感器、双光学传感器等非接触式测量方法来获取球形转子位置。专利CN1643343A中提出用于测量一个球窝接头的旋转和倾翻角度的装置，基于磁光效应，该装置通过在铰接球中布置磁铁，随着球头在球窝中位置的变化其磁场强度也发生变化，反映在磁光板上，被光学检测装置接受，进行相应的图像处理，获得球窝接头的旋转和倾翻角度。国内，北京航空航天大学寇金桥等开展了三自由度球形电机位置测量研究，利用二自由度光学传感器测量球电机三自由度位移的测量原理，提出了传感器的安装和位移计算方法。合肥工业大学李姜姜等开展了关于基于机器视觉的永磁球形电动机位置检测方法的相关研究。 这些检测方法所要构建系统比较复杂，在实际应用中受到安装空间和工作环境等限制，并且要投入较大的成本，研究方案有明显的局限性。
技术实现思路
本技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置，基于球冠形电容极板间的面积变化引起输出电容变化的原理，以实现球面铰链运动方位测量为目标，通过球面电容电极的布置，对球面铰链运动的三个自由度进行解耦和求解。 本技术所采用的技术方案是: 本技术包括第一球冠形传感电容电极、第二球冠形电容电极、第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极、弧形传感电容电极和绝对式旋转编码器；所述的第一球冠形传感电容电极固定在球面铰链的球头底部，第二球冠形电容电极固定在球窝底部；所述第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极的大小相同；球头的赤道圆周上均布固定有2η个第三球冠形电容电极，球窝的赤道圆周上固定2η个第四球冠形电容电极，η为正整数；所述第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极的球冠对应圆心角均为Gtl;其中，两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为1.5 Qtl，另两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为2.5 Θ ^，其余每两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为2 Qtl;球窝紧贴第二球冠形电容电极的顶部圆周处均布固定多个弧形传感电容电极，所述的第二球冠形电容电极与所有弧形传感电容电极均相互绝缘；所述绝对式旋转编码器的码盘固定在球面铰链的输出杆上。 本技术的有益效果是: 1、根据球冠形电容极板间的面积变化引起输出电容变化的原理，结合绝对式旋转编码器使用，实现球面铰链运动方位的非接触式检测。 2、采用绝对式旋转编码器直接测量球面铰链的输出杆绕自身轴线的转角大小，能获得较高的测量精度。 3、适合球面副连接构件的角度测量，对测量装置的安装空间要求降低，结构紧凑，算法简单。 【专利附图】【附图说明】 图1为本技术使用的装置中各零件的结构立体图； 图2为本技术中第一球冠形传感电容电极、第二球冠形电容电极及弧形传感电容电极的分布示意图； 图3为本技术中第三球冠形电容电极及第四球冠形电容电极的分布示意图； 图4为本技术中球窝底部的俯视示意图； 图5为球面铰链的三自由度运动分析示意图； 图6为本技术中第一球冠形传感电容电极与第二球冠形电容电极的重叠面积计算分析示意图。 【具体实施方式】 如图1和2所示，一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置，包括第一球冠形传感电容电极E1、第二球冠形电容电极E2、第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极、弧形传感电容电极和绝对式旋转编码器Q3 ;第一球冠形传感电容电极El固定在球面铰链的球头Ql的底部，第二球冠形电容电极E2固定在球窝Q2的底部；第一球冠形传感电容电极E1、第二球冠形电容电极E2的球冠中心与边缘间对应的圆心角均为α =60°。由于球面铰链的结构限制，所要测量的输出杆与ζ轴正向的夹角Ψ取值范围一般不超过60°，因此第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极的有效检测面积足够大，可以满足测量要求。 如图3所示，在球面铰链的球头赤道圆周上均布固定三十个第三球冠形电容电极，球面铰链的球窝赤道圆周上固定三十个第四球冠形电容电极；第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极的球冠对应圆心角均为9。= 6°，每两个相邻第三球冠形电容电极中心间对应的圆心角均为2 Θ ^ = 12° ;编号15与编号16的第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为1.5 Θ ^ = 9°，编号I与编号30的第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为 2.5 Θ ^ = 15° ,编号I至15、编号16至30的第四球冠形电容电极中，每两个第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为12°，保证了球头在球窝中转动到任意位置时均能输出电容信号。 如图1、2和4所示，在球窝紧贴第二球冠形电容电极的顶部圆周处均布固定四个弧形传感电容电极Hl、H2、H3和H4，第二球冠形电容电极与四个弧形传感电容电极均相互绝缘。弧形传感电容电极在平行球窝赤道面、垂直球窝赤道面的方向上对应圆心角均为S=6°，每两个相邻弧形传感电容电极中心间对应的圆心角均为90° ;将绝对式旋转编码器Q3的码盘固定在球面铰链的输出杆上。 该基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置的检测过程如下: 如图2和5所示，球面铰链运动具有三个自由度，可表示为球面铰链的输出杆与ζ轴正向的夹角V、输出杆在Xoy平面上的投影与X轴正向的夹角Θ和输出杆绕自身轴线的转角Φ ;其中，绝对式旋转编码器能测出输出杆绕自身轴线旋转角度擎。 当输出杆倾斜时，第一球冠形传感电容电极El和第二球冠形电容电极E2的有效重叠面积改变，导致其电容值变化，可以解得输出杆与ζ轴正向的夹角Ψ。 如图6所示，建立第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极的重叠面积数学模型，第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量装置，包括第一球冠形传感电容电极、第二球冠形电容电极、第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极、弧形传感电容电极和绝对式旋转编码器，其特征在于：所述的第一球冠形传感电容电极固定在球面铰链的球头底部，第二球冠形电容电极固定在球窝底部；所述第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极的大小相同；球头的赤道圆周上均布固定有个第三球冠形电容电极，球窝的赤道圆周上固定个第四球冠形电容电极，为正整数；所述第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极的球冠对应圆心角均为；其中，两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为，另两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为，其余每两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为；球窝紧贴第二球冠形电容电极的顶部圆周处均布固定多个弧形传感电容电极，所述的第二球冠形电容电极与所有弧形传感电容电极均相互绝缘；所述绝对式旋转编码器的码盘固定在球面铰链的输出杆上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，王文，袁科杰，诸丽燕，卢科青，范宗尉，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：新型
国别省市：浙江;33
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