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基于激光自混合干涉的关节电机转速传感设计

耿宇涵  
【摘要】:物联网、机器学习快速发展的浪潮奔涌,同时推动着各类服务型、协作型机器人研究工作的前进,以满足如监控、医疗、搬运等人类生活以及工业生产的需求。由于机器人动作的核心是关节电机测控,高精度高分辨率的检测即成为使机器人精密准确运行的重要环节。所以在同时考虑分辨率、成本以及精度等因素的情况下,对关节电机中常见的速度传感装置为光电编码器,以及常用的测速方法如霍尔式、磁电式和测速发电机进行综合对比后,本文采用激光自混合干涉(SMI)进行关节电机转速传感,此方式具有光路简单,结构紧凑成本低的优点,且由于在分辨率方面的突出特点,在应用于关节电机转动的角速度传感方面具有显著优势。本论文结合SMI技术实现高分辨率的关节电机转速测量,主要内容如下:首先,结合当前应用广泛的电机转速测量方法的原理进行分析,与本文采用的SMI方法进行比较,充分证明了该方法的分辨率以及精度方面的优势。之后在结合SMI进行电机转速测量的理论分析的过程中,在法布里-珀罗腔的基础上,运用三镜腔的理论对SMI进行数学模型分析,最终得到SMI光信号输出的功率方程和频率方程,并进一步推导出包含在光信号中的速度信息。然后,为了使自混合信号得到有效增强,以达到强化反馈光信号的目的,提出了设置分束器作为预反馈镜的装置改进方法。该方法基于三镜腔理论进一步推导可得到具备预反馈镜的四镜腔模型,从理论分析方面证明了其可行性。在进一步的实验过程中,分别从信号的增强幅度以及信噪比方面评估了该方法的增强效果,并验证了该方法进行关节电机转速测量的准确性,且相较于现有成果本方法充分保留了SMI结构简单紧凑成本低的优势。最后,为了解决求解速度过程中对入射角大小的依赖问题,提出了双光速度检测方法。通过理论分析得到了角速度和两频移之和成正比的结论后,在进一步的实验验证过程中,证实了该方法进行关节电机转速测量的可行性。且相比较于相交光多普勒速度测量,该方法无需确定交点是否恰好位于转盘待测位置上,从根本上解决了对角度的依赖。该方法可以有效的应用于关节电机转动时的角速度传感。


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