CN118473184B - 一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平面电机技术领域，具体涉及一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机及方法，采用视觉和涡流相结合的方式，共同实现动子组件的六自由度信息的反馈，获取动子位姿的方法更加简单、直接，解算方便，对装配环境以及实验环境要求较低，成本更低；通过设置在动子组件下方的涡流传感器可以实现动子的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度的信息；通过设置有视觉组件实现动子的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息；两者结合可实现六自由度信息反馈，对动子的位姿信息及时监测和调整，确保平面电机的稳定运行。同时还提供了一种采用上述平面电机实现六自由度反馈的方法，解算方法更加简单易实施，实用性强。

Description

一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机及方法

技术领域

本发明涉及平面电机技术领域，具体涉及一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机及方法。

背景技术

平面电机是一种利用电磁力就可实现平面运动的新型电机；通常在平面电机的运行过程中，需要对动子的位置和姿态进行实时监测，以确保平面电机的运行稳定性。目前对于动子六自由度信息的获取通常会采用如包含三轴加速度计、三轴陀螺仪或磁力计等多个传感器的惯性测量单元，但是在长时间运行过程中，加速度计受重力分量的影响以及陀螺仪的漂移等会产生误差并累积，对于自由度信息的精准反馈具有较大的影响；或者采用六自由度激光跟踪仪，常用于航空航天领域，但其价格昂贵，对装配环境和实验环境要求较高，很难实现在常规场景下的应用；或采用霍尔传感器进行六自由度反馈，但是对于六自由度信息的解算方法较为繁琐复杂，不易操作。因此，基于上述问题，研究一种可实现六自由度信息反馈且精度高、操作方便、成本低的平面电机，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机及方法，以解决上述背景技术中存在的现有技术问题。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案为：

一方面，本申请中提供了一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机，包括定子组件、柔性电路板、涡流传感器、视觉组件以及动子组件，所述定子组件设置在基板上，所述柔性电路板设置在定子组件的顶端，所述柔性电路板采用透明材质制成，所述涡流传感器设置在柔性电路板上，用于获取动子组件的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度；所述视觉组件设置在定子组件与动子组件之间，用于获取动子组件的x轴位移、y轴位移以及偏转角，所述动子组件在定子组件的磁场作用下悬浮在涡流传感器的上方。

在上述技术方案基础上，所述视觉组件包括视觉相机以及编码板，所述视觉相机设置在基板上且位于柔性电路板的底端，所述编码板固定设置在动子组件的底端。

在上述技术方案基础上，所述定子组件设置为多个电磁线圈均匀排布组成的线圈阵列，所述动子组件设置为由导磁材料制成的承载板。

在上述技术方案基础上，所述视觉相机的位置设置以在动子组件的移动范围内能准确捕捉编码板上的图案信息为准。

在上述技术方案基础上，所述线圈阵列中多个电磁线圈均匀排布。

在上述技术方案基础上，所述视觉相机设置在线圈阵列的四周和/或线圈阵列的中心位置。

在上述技术方案基础上，所述涡流传感器在柔性电路板上均匀排布有多个。

另一方面，本申请还提供了一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，采用上述平面电机，包括以下步骤：

步骤一：按照定子组件和视觉相机、柔性电路板、涡流传感器、编码板和动子组件的顺序依次装配；通电后，动子组件和编码板悬浮在涡流传感器的上方且相互之间无接触；

步骤二：在动子组件的运动过程中，所述涡流传感器对动子组件的位置信息进行捕捉获取，并解算得到动子组件的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度的信息；

步骤三：与步骤二同步进行的，所述视觉相机对动子组件底端设置的编码板上的图案信息进行捕捉获取，并进行解算相应得到动子组件的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息；

步骤四：将步骤二和步骤三中的信息集合，实现动子组件的六自由度反馈。

在上述技术方案基础上，所述步骤二中的解算过程，包括以下步骤：

动子中心z轴高度的解算；以定子中心为原点，每一个涡流传感器均可识别一个z轴距离，所有涡流传感器z轴读数的平均值即为动子的中心高度；

俯仰角和翻滚角的解算；

S1，金属板在三维空间中建立一个直角坐标系，涡流传感器阵列所在的平面作为XY平面,金属板的法线方向为Z轴正方向；

S2，获取测量数据：在金属板上选取多个测量点,用涡流传感器阵列测量各点与XY平面的距离，记录每个测点的位置坐标(x,y)及其对应的Z轴距离值d；

S3，拟合平面方程：利用最小二乘法,对测量得到的数据点(x,y,d)进行平面拟合,得到金属板所在平面的方程Ax+By+Cz+D=0；其中,A、B、C为平面的法向量(nx,ny,nz)，D为常数；

S4，计算俯仰角和翻滚角：

俯仰角为金属板平面与XY平面的夹角，tanθ=nz/sqrt(nx^²+ny^²)，计算得到θ=arctan(nz/sqrt(nx^²+ny^²))；

翻滚角为金属板平面在XY平面投影与X轴的夹角，tanφ=ny/nx，计算得到φ=arctan(ny/nx)。

本发明提供的技术方案产生的有益效果在于：

1、本发明提供了一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机，采用视觉和涡流相结合的方式，共同实现动子组件的六自由度信息的反馈，获取动子位姿的方法更加简单、直接，解算方便，对装配环境以及实验环境要求较低，成本更低；具体的，通过设置在动子组件下方的涡流传感器可以实现动子的三个自由度反馈，即通过解算得到俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度的信息；通过设置有视觉组件，实现另外三个自由度反馈，即通过解算得到动子的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息；两者结合可实现六自由度信息反馈，对动子的位姿信息及时监测和调整，确保平面电机的稳定运行。

2、同时本申请还提供了一种采用上述平面电机实现六自由度反馈的方法，解算方法更加简单易实施，实用性强。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的侧面视图；

图3是本发明中除去柔性电路板后的俯视图；

图4是本发明中柔性电路板上涡流传感器的排布示意图；

图5是本发明中基板上定子组件与视觉相机的排布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图5所示，一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的平面电机，包括定子组件1、柔性电路板2、涡流传感器3、视觉组件以及动子组件4，所述定子组件1设置在基板10上，所述柔性电路板2设置在定子组件1的顶端，所述柔性电路板2采用透明材质制成，所述涡流传感器3设置在柔性电路板2上，用于获取动子组件4的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度；所述视觉组件设置在定子组件1与动子组件4之间，用于获取动子组件4的x轴位移、y轴位移以及偏转角，所述动子组件4在定子组件1的磁场作用下悬浮在涡流传感器3的上方。

本申请中提供了一种平面电机，采用视觉和涡流相结合的方式，共同实现动子组件的六自由度信息的反馈，获取动子位姿的方法更加简单、直接，解算方便，对装配环境以及实验环境要求较低，成本更低。具体的，通过设置有柔性电路板2，与定子组件1、涡流传感器3以及视觉组件均电信号连接，为定子组件1提供驱动电路，控制定子组件1的电流大小，为视觉组件、涡流传感器提供信号处理等；通过设置在动子组件4下方的涡流传感器3可以实现动子的三个自由度反馈，即通过解算得到俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度的信息；通过设置有视觉组件，实现另外三个自由度反馈，即通过解算得到动子的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息；两者结合可实现六自由度信息反馈，对动子的位姿信息及时监测和调整，确保平面电机的稳定运行。

其中动子中心z轴高度是指动子距离定子中心的高度；x轴位移是指相对于定子，动子在x轴方向上运动的距离；y轴位移是指相对于定子，动子在y轴方向上运动的距离。

在上述技术方案基础上，所述视觉组件包括视觉相机51以及编码板52，所述视觉相机51设置在基板10上且位于柔性电路板2的底端，所述编码板52固定设置在动子组件4的底端。

本实施例中，所述柔性电路板2采用透明材质制成，将视觉相机51设置在透明的柔性电路板2的下方且与定子组件1一并设置在基板10上，透明材质不影响视觉相机的信息捕捉，视觉相机51可以对动子组件4底端的编码板52上图案进行捕捉，对动子组件4的x轴位移、y轴位移以及偏转角的三个自由度信息进行获取；同时还可以节省平面电机的装配空间，结构设计更加紧凑、巧妙。

优选的实施例中，如编码板为椭圆图案，则视觉相机可以通过图像质心算法计算椭圆的质心坐标，质心坐标为xy坐标，然后通过图像二阶距算法计算椭圆相对水平的角度即为偏转角；则结算得到动子组件的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息。

所述视觉相机51采用高速高帧高分辨率的相机，即在动子运动过程中实现对其下的编码板52可以清晰的捕捉到图案，保证分辨率，即保证后续自由度信息输出的准确性。

在上述技术方案基础上，所述定子组件1设置为多个电磁线圈11均匀排布组成的线圈阵列，所述动子组件4设置为由导磁材料制成的承载板。

本申请中的定子组件1采用多个均匀排布在基板上的电磁线圈11形成的线圈阵列的形式，通过柔性电路板2通电后产生磁场，为平面电机提供驱动力，使得动子组件4悬浮在其上并可以实现沿直线或在平面内多角度运动；所述动子组件4采用导磁材料制成承载板，如动子内设置有Halbach永磁阵列，其上用于承载物料，动子组件4在定子组件1产生的磁场作用下，沿着预定的平面路径进行移动。

在上述技术方案基础上，所述视觉相机51的位置设置以在动子组件4的移动范围内能准确捕捉编码板52上的图案信息为准。

在上述技术方案基础上，所述线圈阵列中多个电磁线圈11均匀排布。

在上述技术方案基础上，所述视觉相机51设置在线圈阵列的四周和/或线圈阵列的中心位置。

优选的实施例中，所述视觉相机51设置有一个或多个；如图5所示，在线圈阵列的四周边缘位置设置有多个视觉相机51，或者在线圈阵列的中心位置设置有视觉相机51，配合其上透明的柔性电路板2，能准确捕捉编码板52上的图案信息并进行解算，同时还有效节省了装配空间，操作更加方便。具体视觉相机51的数量根据动子组件4移动范围进行设置，确保动子组件4不偏离可运行范围且能被视觉相机51捕捉。

在上述技术方案基础上，所述涡流传感器3在柔性电路板2上均匀排布有多个。

通过在柔性电路板2上设置有多个涡流传感器3，对动子组件4的位姿信息进行及时获取与反馈，根据需要及时调整，保证平面电机的平稳运行。其中可以理解的是，如图3所示，涡流传感器在柔性电路板上的设置位置会对应避开柔性电路板下方的视觉相机的位置，避免影响视觉相机的抓拍过程。

另一方面，本申请还提供了一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，采用上述平面电机，包括以下步骤：

步骤一：按照定子组件1和视觉相机51、柔性电路板2、涡流传感器3、编码板52和动子组件4的顺序依次装配；通电后，动子组件4和编码板52悬浮在涡流传感器3的上方且相互之间无接触；

步骤二：在动子组件4的运动过程中，所述涡流传感器3对动子组件4的位置信息进行捕捉获取，并解算得到动子组件4的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度的信息；

步骤三：与步骤二同步进行的，所述视觉相机51对动子组件4底端设置的编码板52上的图案信息进行捕捉获取，并进行解算相应得到动子组件4的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息；

步骤四：将步骤二和步骤三中的信息集合，实现动子组件的六自由度反馈。

在上述技术方案基础上，所述步骤二中的解算过程，包括以下步骤：

动子中心z轴高度的解算；以定子中心为原点，每一个涡流传感器均可识别一个z轴距离，所有涡流传感器z轴读数的平均值即为动子的中心高度；具体的，假设以定子中心为原点即xy为(0,0)，动子中心高度z=(z1+z2+z3+…)/n计算得到。

俯仰角和翻滚角的解算；

S1，金属板在三维空间中建立一个直角坐标系，涡流传感器阵列所在的平面作为XY平面,金属板的法线方向为Z轴正方向；

S2，获取测量数据：在金属板上选取多个测量点,用涡流传感器阵列测量各点与XY平面的距离，记录每个测点的位置坐标(x,y)及其对应的Z轴距离值d；

S3，拟合平面方程：利用最小二乘法,对测量得到的数据点(x,y,d)进行平面拟合,得到金属板所在平面的方程Ax+By+Cz+D=0；其中,A、B、C为平面的法向量(nx,ny,nz)，D为常数；

S4，计算俯仰角和翻滚角：

俯仰角为金属板平面与XY平面的夹角，tanθ=nz/sqrt(nx^²+ny^²)，计算得到θ=arctan(nz/sqrt(nx^²+ny^²))；

翻滚角为金属板平面在XY平面投影与X轴的夹角，tanφ=ny/nx，计算得到φ=arctan(ny/nx)。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，因此应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，其特征在于，采用的平面电机包括定子组件（1）、柔性电路板（2）、涡流传感器（3）、视觉组件以及动子组件（4），所述定子组件（1）设置在基板（10）上，所述柔性电路板（2）设置在定子组件（1）的顶端，所述柔性电路板（2）采用透明材质制成，所述涡流传感器（3）设置在柔性电路板（2）上，用于获取动子组件（4）的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度；所述视觉组件设置在定子组件（1）与动子组件（4）之间，用于获取动子组件（4）的x轴位移、y轴位移以及偏转角，所述动子组件（4）在定子组件（1）的磁场作用下悬浮在涡流传感器（3）的上方；所述视觉组件包括视觉相机（51）以及编码板（52），所述视觉相机（51）设置在基板（10）上且位于柔性电路板（2）的底端，所述编码板（52）固定设置在动子组件（4）的底端；

所述方法包括以下步骤：

步骤一：按照定子组件（1）和视觉相机（51）、柔性电路板（2）、涡流传感器（3）、编码板（52）和动子组件（4）的顺序依次装配；通电后，动子组件（4）和编码板（52）悬浮在涡流传感器（3）的上方且相互之间无接触；

步骤二：在动子组件（4）的运动过程中，所述涡流传感器（3）对动子组件（4）的位置信息进行捕捉获取，并解算得到动子组件（4）的俯仰角、翻滚角以及动子中心z轴高度的信息；

步骤三：与步骤二同步进行的，所述视觉相机（51）对动子组件（4）底端设置的编码板（52）上的图案信息进行捕捉获取，并进行解算相应得到动子组件（4）的x轴位移、y轴位移以及偏转角的信息；

步骤四：将步骤二和步骤三中的信息集合，实现动子组件的六自由度反馈；

其中，所述步骤二中的解算过程，包括以下步骤：

动子中心z轴高度的解算；以定子中心为原点，每一个涡流传感器均能够识别一个z轴距离，所有涡流传感器z轴读数的平均值即为动子的中心高度；

俯仰角和翻滚角的解算；

S1，金属板在三维空间中建立一个直角坐标系，涡流传感器阵列所在的平面作为XY平面,金属板的法线方向为Z轴正方向；

S2，获取测量数据：在金属板上选取多个测量点,用涡流传感器阵列测量各点与XY平面的距离，记录每个测点的位置坐标(x,y)及其对应的Z轴距离值d；

S3，拟合平面方程：利用最小二乘法,对测量得到的数据点(x,y,d)进行平面拟合,得到金属板所在平面的方程Ax+By+Cz+D=0；其中,A、B、C为平面的法向量(nx,ny,nz)，D为常数；

S4，计算俯仰角和翻滚角：

俯仰角为金属板平面与XY平面的夹角，tanθ=nz/sqrt(nx^2+ny^2)，计算得到θ=arctan(nz/sqrt(nx^2+ny^2))；

翻滚角为金属板平面在XY平面投影与X轴的夹角，tanφ=ny/nx，计算得到φ=arctan(ny/nx)。

2.根据权利要求1所述的视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，其特征在于，所述定子组件（1）设置为多个电磁线圈（11）均匀排布组成的线圈阵列，所述动子组件（4）设置为由导磁材料制成的承载板。

3.根据权利要求1所述的视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，其特征在于，所述视觉相机（51）的位置设置以在动子组件（4）的移动范围内能准确捕捉编码板（52）上的图案信息为准。

4.根据权利要求2所述的视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，其特征在于，所述线圈阵列中多个电磁线圈（11）均匀排布。

5.根据权利要求4所述的视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，其特征在于，所述视觉相机（51）设置在线圈阵列的四周和/或线圈阵列的中心位置。

6.根据权利要求1所述的视觉与涡流结合实现六自由度反馈的方法，其特征在于，所述涡流传感器（3）在柔性电路板（2）上均匀排布有多个。