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智能球铰链空间回转角度测量及精度提升技术

杨文国  
【摘要】:球铰链具有三个回转自由度,可实现任意方向的自由转动,同时具有结构紧凑、刚度较高、运动灵活、承载能力强、工作空间大等特点,广泛应用于机器人、并联机构、并联机床和并联测量机等。球铰链空间回转角度的检测对机构的运动误差预测分析、反馈和姿态控制具有十分重要的意义,目前,球铰链空间回转角度的高精度检测还缺少方法。在不影响球铰链承重能力、回转精度、运动灵活性等关键指标的前提下,本文研制了一种基于磁效应的嵌入式智能球铰链,将永磁体嵌入在球头内、若干霍尔传感器嵌入在球窝中,永磁体随球杆一起转动,传感器检测其所在位置变化的磁场,根据磁场理论知识建模、反解,实现球铰链空间回转角度的辨识和测量。本论文主要做了以下工作:基于等效磁荷模型分别建立了以单个、多个永磁体为磁场源的外部空间磁场分布表达式;结合矩阵旋转理论完成了球铰链空间回转角度测量的理论模型的构建;为单个、多个永磁体模型选定了适当的数值积分算法,也为反解函数fsolve选取了有效的初值设置方法;确定了永磁体的形状和霍尔传感器的放置方式,通过Matlab仿真得出了传感器与永磁体的最佳匹配位置;设计并制作了项目组的第一台嵌入式球铰链样机,经实验比对装置分析了样机的测量精度和分辨率。实验数据表明,在球铰链转角较小时,α和β角度的测量精度较高,量程增大后,测量误差随之增大,在±10°旋转范围以内,α的最大误差为32.34′,最小误差为0.12′,平均误差为11.58′,β的最大误差为26.16′,最小误差为-0.24′,平均误差为12.06′;在±20°范围以内,α和β的平均误差分别为18.84′和20.34′。和前期研究成果相比,该测量方法的量程、测量精度和分辨率都有提高,基本具备在中、低精度要求场合应用的条件。


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