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基于磁效应的嵌入式精密球铰链空间回转角度测量技术研究

朱良  
【摘要】:球铰链是一种能够提供3自由度的回转运动机构,由球铰杆、球头和球基座组成。由于其特殊的结构特点并且能够灵活地承受来自任意方向的载荷,所以在各种形式的并联机构中得到了广泛的应用。如果能实时准确地获得球铰链的回转角度,将有助于并联机器人的运动控制及精度提高。本文在先前研究的永磁体分离式测量方式的基础上,进一步深入探索,研究一种矩形永磁体嵌入式精密球铰链空间回转角度的测量方法。选用特定型号的永磁体嵌入到球头的底部,在球铰链球窝底部放置多个磁敏传感器组成传感器阵列,通过磁激励源与磁敏传感器相互配合的方式可以实时获知球铰链回转角度信息。本文首先建立了两种矩形永磁体空间磁场分布理论模型,并探讨了两种理论模型的优缺点。通过实验来验证理论模型的合理性,对建立模型的相关参数进行实验标定,探索了永磁体附近适合用来角度信息检测的空间区域。接着根据球铰链的结构进行样机设计和改进,样机结构能够模拟球铰链运动,实现对传感器信号反解角度值的标定。大量的实验和数据分析表明,球铰链空间回转角度分量α、β都在-100~10°范围内变动时,α在其区域内的平均误差为0.36°,β在其区域内的平均误差也为0.36°°当α、β超过该范围时,磁感应强度的实测值变化强于理论值,但变化趋势基本相同,针对该问题本文给出一种新的变系数理论模型,有效地利用了磁场待测空间,扩大了量程。通过该模型反解出的α在-20°~20°范围内变动时,平均误差为0.42°,β在-16°~16°的平均误差0.36。,相对先前的方案,测量精度和反解速度都有很大提高。


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