CN110487218A - 一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法。现有位姿检测方法构建的球铰链一般结构比较复杂。本发明在球头上开设盲孔组，盲孔中布置弹簧和滚珠；球窝开设球形孔组；球窝顶面固定设有一个激光发射器；半球形壳体固定在球头的球头输出杆上；半球形壳体的内球面设有光电传感器组；对每个光电传感器采用(i，j)形式进行编号，且预先对球形孔的角度进行标定，则当球头在球窝中转动至激光发射器发出的激光打在编号为(i，j)的光电传感器上时，便可以得到球头的方位角和偏摆角。本发明利用低精度和低成本的光电传感器便可获得高精度的球铰空间转角。

Description

一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法

技术领域

本发明属于机械结构设计以及测量技术领域，具体涉及一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法。

背景技术

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、并联机床、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精确反馈控制和补偿，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，反映在显示装置上，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。合肥工业大学胡鹏浩、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。

然而基于上述位姿检测方法构建的球铰链一般都有比较复杂的结构，测量数据处理较繁琐，难以保证较高的测量精度，经济成本较高，同时在实际应用中受到安装空间和工作环境的限制，研究方案有局限性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法。

本发明具体如下：

步骤一、搭建基于空间分度定位的新型球铰链。基于空间分度定位的新型球铰链包括半球形壳体、球头、激光发射器、球窝、光电传感器、弹簧和滚珠；所述的球头开设有沿经线方向等距排布的m个盲孔组，m≥5；其中一个盲孔组设置在0°纬线位置，其余盲孔组对称设置在0°纬线两侧；所述的盲孔组包括沿纬线方向均布的n个盲孔；各盲孔组中盲孔的数量相等；每个盲孔与一个滚珠通过弹簧连接；滚珠直径与盲孔内径相等，且滚珠有一半嵌入盲孔内。所述的球窝开设有排布规律与m个盲孔组排布规律一致的m个球形孔组；所述的球形孔组包括沿纬线方向均布的k个球形孔，k≥8，n＝2k或n＝3k；球形孔的半径与滚珠直径相等。球窝顶面固定设有一个激光发射器；球窝的每个球形孔与球头位置对应的一个滚珠嵌合。所述的半球形壳体固定在球头的球头输出杆上，且半球形壳体与球头同心。所述半球形壳体的内球面设有沿经线方向等距排布的m个光电传感器组；所述的光电传感器组包括沿纬线方向均布的k个光电传感器；球头输出杆与球窝底面垂直状态下，激光发射器对准从下至上的第(m-1)/2个光电传感器组所在的纬线。

步骤二、对每个光电传感器采用(i，j)形式进行编号，i为光电传感器组从下至上的编号，j为光电传感器组中各光电传感器沿同一环绕方向的顺序编号；j≥2时，定义θ_i,j为激光发射器对准的光电传感器编号由(i，j-1)变为(i，j)时球头沿纬线方向转过的角度；i≥2时，定义为激光发射器对准的光电传感器编号由(i-1，j)变为(i，j)时球头沿经线方向转过的角度；另外，令θ_1,1＝0，除θ_1,1和以外，其余的θ_i,j均预先进行标定。

步骤三、当球头在球窝中转动至激光发射器发出的激光打在编号为(i，j)的光电传感器上时，球头的方位角和偏摆角分别为：

进一步，相邻盲孔组的盲孔沿纬线方向交错布置。

进一步，球窝包括通过螺栓连接的上球窝和下球窝。

进一步，标定θ_i,j采用三坐标测量机。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明预先对球形孔的角度进行标定，球头转动时半球形壳体内部的光电传感器只是起到获取位置的作用，真正的定位依靠滚珠和球形孔的配合，即利用低精度和低成本的光电传感器便可获得高精度的球铰空间转角。

2、本发明成本较低，对设备要求不高，实用性大。

3、外界工作环境对本发明的实施干扰较小，可实施性高。

附图说明

图1是本发明球铰链的爆炸图；

图2是本发明中半球形壳体的示意图；

图3是本发明中球头的剖视图；

图4是本发明中球窝的剖视图；

图5是本发明中滚珠或球形孔的布置规律平面展开图；

图6是本发明中球头和球窝的装配剖视图；

附图标记：1-半球形壳体，2-球头，3-激光发射器，4-球窝，5-球头输出杆，6-光电传感器，7-盲孔，8-弹簧，9-滚珠，10-球形孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1～6所示，一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法，具体如下：

步骤一、搭建基于空间分度定位的新型球铰链。基于空间分度定位的新型球铰链包括半球形壳体1、球头2、激光发射器3、球窝4、光电传感器6、弹簧8和滚珠9；球头2开设有沿经线方向等距排布的m个盲孔组，m≥5；其中一个盲孔组设置在0°纬线位置，其余盲孔组对称设置在0°纬线两侧；盲孔组包括沿纬线方向均布的n个盲孔7；各盲孔组中盲孔的数量相等；每个盲孔7与一个滚珠9通过弹簧8连接；滚珠9直径与盲孔7内径相等，且滚珠9有一半嵌入盲孔7内。球窝4开设有排布规律与m个盲孔组排布规律一致的m个球形孔组；球形孔组包括沿纬线方向均布的k个球形孔10，k≥8，n＝2k或n＝3k；球形孔10的半径与滚珠9直径相等。球窝4顶面固定设有一个激光发射器3；球窝4的每个球形孔10与球头2位置对应的一个滚珠9嵌合。半球形壳体1固定在球头2的球头输出杆5上，且半球形壳体1与球头2同心。半球形壳体1内球面设有沿经线方向等距排布的m个光电传感器组；光电传感器组包括沿纬线方向均布的k个光电传感器6；球头输出杆5与球窝4底面垂直状态下，激光发射器3对准从下至上的第(m-1)/2个光电传感器组所在的纬线。

其中，相邻盲孔组的盲孔沿纬线方向交错布置。如图4所示，球窝4采用剖分式，包括通过螺栓连接的上球窝和下球窝。

步骤二、对每个光电传感器6采用(i，j)形式进行编号，i为光电传感器组从下至上的编号，j为光电传感器组中各光电传感器沿同一环绕方向的顺序编号；j≥2时，定义θ_i,j为激光发射器3对准的光电传感器编号由(i，j-1)变为(i，j)时球头2沿纬线方向转过的角度；i≥2时，定义为激光发射器3对准的光电传感器编号由(i-1，j)变为(i，j)时球头2沿经线方向转过的角度；另外，令θ_1,1＝0，除θ_1,1和以外，其余的θ_ij均预先通过高精度仪器进行标定。

步骤三、当球头2在球窝4中转动至激光发射器3发出的激光打在编号为(i，j)的光电传感器6上时，球头2的方位角和偏摆角分别为：

可见，本发明球头2在旋转的过程中，球头2的空间转角都可以通过读光电传感器6的编号得知。并且，球头2在球窝4中转动θ_i,j和时，球窝4内都会有部分球形孔10嵌入滚珠9，从而保证球头2在球窝4中的精确定位。为了更清楚说明球头2的运动，将滚珠9和球形孔10的排列规律展开成平面，如图5所示，X轴方向表示球头2的水平(沿纬线方向)圆周运动，Y轴方向表示球头2的竖直(沿经线方向)圆周运动，Z轴方向表示球头2两个方向耦合的运动。

Claims (4)

1.一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法，其特征在于：该方法具体如下：

步骤一、搭建基于空间分度定位的新型球铰链；基于空间分度定位的新型球铰链包括半球形壳体、球头、激光发射器、球窝、光电传感器、弹簧和滚珠；所述的球头开设有沿经线方向等距排布的m个盲孔组，m≥5；其中一个盲孔组设置在0°纬线位置，其余盲孔组对称设置在0°纬线两侧；所述的盲孔组包括沿纬线方向均布的n个盲孔；各盲孔组中盲孔的数量相等；每个盲孔与一个滚珠通过弹簧连接；滚珠直径与盲孔内径相等，且滚珠有一半嵌入盲孔内；所述的球窝开设有排布规律与m个盲孔组排布规律一致的m个球形孔组；所述的球形孔组包括沿纬线方向均布的k个球形孔，k≥8，n＝2k或n＝3k；球形孔的半径与滚珠直径相等；球窝顶面固定设有一个激光发射器；球窝的每个球形孔与球头位置对应的一个滚珠嵌合；所述的半球形壳体固定在球头的球头输出杆上，且半球形壳体与球头同心；所述半球形壳体的内球面设有沿经线方向等距排布的m个光电传感器组；所述的光电传感器组包括沿纬线方向均布的k个光电传感器；球头输出杆与球窝底面垂直状态下，激光发射器对准从下至上的第(m-1)/2个光电传感器组所在的纬线；

步骤二、对每个光电传感器采用(i，j)形式进行编号，i为光电传感器组从下至上的编号，j为光电传感器组中各光电传感器沿同一环绕方向的顺序编号；j≥2时，定义θ_i,j为激光发射器对准的光电传感器编号由(i，j-1)变为(i，j)时球头沿纬线方向转过的角度；i≥2时，定义为激光发射器对准的光电传感器编号由(i-1，j)变为(i，j)时球头沿经线方向转过的角度；另外，令θ_1,1＝0，除θ_1,1和以外，其余的θ_i,j均预先进行标定；

步骤三、当球头在球窝中转动至激光发射器发出的激光打在编号为(i，j)的光电传感器上时，球头的方位角和偏摆角分别为：

2.根据权利要求1所述一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法，其特征在于：相邻盲孔组的盲孔沿纬线方向交错布置。

3.根据权利要求1所述一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法，其特征在于：球窝包括通过螺栓连接的上球窝和下球窝。

4.根据权利要求1所述一种基于空间分度定位的新型球铰链的测角方法，其特征在于：标定θ_i,j采用三坐标测量机。