一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置
阅读说明：本技术 一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置 (Hooke inclined disc type ball joint posture detection device ) 是由 代旺 毛耀 张超 任戈 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置,包括：(a)以自转轴为Z轴,根据连续转动欧拉角(XYZ,YXZ,ZYX,ZXY,XZY,YZX)设计对应的虎克铰和倾斜盘,其中虎克铰对应XY的连续转动,倾斜盘对应Z轴的转角；(b)当虎克铰旋转中心与球关节中心一致时,里层框架与球关节输出轴等价；(c)虎克铰旋转中心和球关节中心在Z轴上存在位移时,需要设计至少3个以上的二自由度关节连杆连接球关节测量平面和里层框架,两者的连接点与球关节,虎克铰旋转中心形成平行四边形机构；对输出轴的影响小。测量装置与球关节轴承搭配灵活。(The invention discloses a Hooke inclined disc type ball joint posture detection device, which comprises: (a) taking the rotation shaft as a Z shaft, and designing a corresponding hook hinge and a tilting tray according to continuous rotation Euler angles (XYZ, YXZ, ZYX, ZXY, XZY, YZX), wherein the hook hinge corresponds to the continuous rotation of XY, and the tilting tray corresponds to the rotation angle of the Z shaft; (b) when the rotation center of the hook joint is consistent with the center of the ball joint, the inner layer frame is equivalent to the output shaft of the ball joint; (c) when the Hooke joint rotation center and the ball joint center are displaced on the Z axis, at least more than 3 two-degree-of-freedom joint connecting rods are required to be designed to be connected with the ball joint measuring plane and the inner layer frame, the connecting points of the two connecting rods and the ball joint form a parallelogram mechanism, and the Hooke joint rotation center is connected with the inner layer frame; the influence on the output shaft is small. The measuring device is flexibly matched with the ball joint bearing.)
技术领域
本发明涉及角度检测领域中对三自由度球关节轴承的接触式测量领域，具体涉及一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置。
背景技术
三自由度球关节轴承通常将绕一个轴的自由转动和绕其他轴一定范围的倾斜集中在一个关节中心，具有结构紧凑，能同时承载轴向和径向载荷，转动灵活等优点。其例化包括应用于速度较低的摆动运动、倾斜运动或旋转运动中的自润滑关节轴承；具有自动调心功能的调心球轴承以及应用小型并联机构中的高精度，高刚性，低摩擦球面轴承SRJ。在航空航天，工程机械，锻压机床，自动化设计，汽车减振，水利机械等行业均发挥着重要的作用。
球关节轴承的三自由度姿态测量相比传统的单轴轴承有着更大的难度。其实现方式往往局限于实验室标定使用的“伪三轴”测量方法，单次测量固定其他两个轴的转动，通过对应安装的编码器，测量绕单轴转动的角度。学术上将球关节的姿态测量大体分为接触式测量和非接触式测量。在参考文献[1]中，将三自由转动通过两个固定轴转动框架和自转轴分解，由于两框架设计相互交叉，对转动的摩擦和惯性矩影响较大，仅适用于实验室标定方案。在参考文献[2]中参考了二轴遥控单杆的姿态反馈方式，直接用虎克铰(用倾角计测量倾角)和编码器替代现有球关节，解决了其并联驱动装置的姿态反馈问题。由于非标设计的关节轴承替代了高精度球轴承的功能，直接承载负载带来的间隙和摩擦问题对虎克铰的设计提出了较大要求，该方案无法通用到现有关节轴承的姿态测量方案中。而非接触测量方法，如光学(见参考文献[3])，磁场(见参考文献[4])，图像(见参考文献[5])等在测量范围，精度和反馈速率方面或多或少存在着各自的问题。
参考文献
[1].Lee K-M,Kwan C.Design concept development of a spherical stepperfor robotic applications.IEEE Trans Robot Autom 1991；7:175–81.
[2].Zhang,Liang,et al."A Robust Adaptive Iterative Learning Controlfor Trajectory Tracking of Permanent-Magnet Spherical Actuator."IEEETransactions on Industrial Electronics 63.1(2015):1-1.
[3].Garner H,Klement M,Lee K-M.Design and analysis of an absolutenon-con-tact orientation sensor for wrist motion control.In:Proceeding.ofIEEE/ASME international conference on advanced intelligent mechatronics；2001.p.69–74.
[4].Foong S,Lee K-M,Bai K.Harnessing embedded magnetic fields for an-gular sensing with nano-degree accuracy.IEEE/ASME Trans Mechatron 2011；17:687–96.
[5].Wang W,Wang J,Jewell GW,Howe D.Design and control of a novelspherical permanent magnet actuator with three degrees of freedom.IEEE TransMecha-tron 2003；8:457–68.
发明内容
本发明解决的技术难题是三自由度球关节姿态测量问题，基于单杆姿态检测方法和直升飞机操控倾斜盘概念，设计出一种基于虎克铰和倾斜盘的接触式姿态测量装置。其中单杆姿态检测方法确认了可以通过电位计对虎克铰的转动角度测量，结合单杆自转电位计能够对空间姿态完全测量。而倾斜盘概念证实可以通过二自由度连杆将不旋转的操控盘倾斜角度传递到连续旋转的桨叶上。逆向说明通过连杆能够将球关节输出轴的倾斜状态传递到不参与自旋的倾斜盘。
本发明采用的技术方案为：一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置，包括：
(a)以自转轴为Z轴，根据连续转动欧拉角(XYZ，YXZ，ZYX，ZXY，XZY，YZX)设计对应的虎克铰和倾斜盘，其中虎克铰对应XY的连续转动，倾斜盘对应Z轴的转角；
(b)当虎克铰旋转中心与球关节中心一致时，里层框架与球关节输出轴等价；
(c)虎克铰旋转中心和球关节中心在Z轴上存在位移时，需要设计至少3个以上的二自由度关节连杆连接球关节测量平面和里层框架，两者的连接点与球关节，虎克铰旋转中心形成平行四边形机构。
具体包括：包括圆柱支撑底座，定圈，动圈，二自由度连杆，虎克轴，被测球关节和球关节输出轴；若按照XYZ欧拉角，虎克铰和球关节中心存在z轴偏移条件下，设计对应的虎克铰和倾斜盘机构，被测球关节安装在圆柱支撑底座上，模拟的球关节输出轴与被测球关节相配合，球关节输出轴能够绕被测球关节做灵活的三自由度转动；球关节输出轴上存在一个测量平面设计有3个二自由度转动关节，通过二自由度连杆与动圈相连；倾斜盘的动圈和定圈，两者仅有绕定圈的轴向旋转的自由度；定圈与虎克轴的y轴端相连，而虎克轴的x端安装于设计好的圆柱支撑底座上的旋转轴上，因而整个倾斜盘能够围绕坐标系(xhyhzh)中心旋转；球关节测量平面和倾斜盘平面的连接点与球关节，虎克铰旋转中心形成平行四边形机构，基于平行四边形法则，球关节输出轴和倾斜盘始终保持平行关系，且动圈和球关节输出轴相对旋转角不变，因而倾斜盘测量角度即对应连续欧拉角转动最后绕z轴转动的角度γ，倾斜盘与虎克铰相互连接，因而将球关节输出轴的倾斜状态传递到虎克铰的两个转角上，虎克铰绕yh和xh轴的转动角度分别对应欧拉角(α,β)。
本发明与现有技术的比较优势：
(1)测量装置与球关节轴承分工清晰。球关节轴承负责承载和高精密转动；测量装置仅负责姿态测量，避免了类单杆装置同时将关节精度要求和姿态测量需求集中在同一个虎克铰中的问题。
(2)对输出轴的影响小。仅有连杆带来的额外质量和虎克铰带来的摩擦，两个方面对输出轴有影响。而且虎克铰不承受负载，摩擦本身就小。
(3)测量装置与球关节轴承搭配灵活，不仅可以根据不同欧拉角描述设计对应机构，还允许两者旋转中心存在偏移，同时适合内嵌小型化设计和外搭辅助姿态测量。
附图说明
图1是按照本发明的XYZ式虎克倾斜盘式测量示意图；
图2是平行四边形机构示意图，其中，图2(a)为平行四边形机构未发生偏转时示意图，图2(b)为平行四边形机构当球关节测量平面发生偏转时示意图；
图3为十字虎克轴和环形虎克轴示意图，其中，图3(a)为十字轴，图3(b)为环形；
图4为三种欧拉角对应的设计方案示意图；
图中：1为圆柱支撑底座，2为定圈，3为动圈，4为二自由度连杆，5为虎克轴，6为被测球关节，7为球关节输出轴。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种虎克倾斜盘式球关节姿态检测装置，其广义特征如下：
(1)以自转轴为Z轴，根据连续转动欧拉角(XYZ,YXZ，ZYX,ZXY，XZY,YZX)设计对应的虎克铰和倾斜盘，其中虎克铰对应XY的连续转动，倾斜盘对应Z轴的转角。
(2)一般无法对应有相同轴的欧拉角如ZXZ，ZYZ等，因为里层的同名轴无法通过框架到外层同名轴，同时未定义轴无法直接转动。
(3)当虎克铰旋转中心与球关节中心一致时，里层框架与球关节输出轴等价；
(4)虎克铰旋转中心和球关节中心在Z轴上存在位移时，需要设计至少3个以上的二自由度关节连杆连接球关节测量平面和里层框架，两者的连接点与球关节，虎克铰旋转中心形成平行四边形机构；
(5)若两者旋转中心还存在XY平面的偏移，不影响设计，但是倾斜盘的摩擦可能会加大。
(6)姿态测量精度由虎克铰的转动测量精度与倾斜盘的相对转动测量精度共同确定。
图1是本发明的一种实施方案的示意图。按照公式(1)XYZ欧拉角，虎克铰和球关节中心存在z轴偏移条件下，设计对应的虎克铰和倾斜盘机构。包括圆柱支撑底座1，被测球关节6安装在圆柱支撑底座1上，模拟的球关节输出轴7(图中为板件中心有球形沟)与被测球关节6相配合，因而球关节输出轴7能够绕被测球关节6做灵活的三自由度转动。球关节输出轴7上存在一个测量平面设计有3个二自由度转动关节，通过二自由度连杆4与动圈3相连。倾斜盘的动圈3和定圈2，两者仅有绕定圈2的轴向旋转的自由度。定圈2与虎克轴5的y轴端相连，而虎克轴的x端安装于设计好的圆柱支撑底座1上的旋转轴上，因而整个倾斜盘能够围绕坐标系(xhyhzh)中心旋转。
其中Rq为描述被测球关节的空间姿态的旋转矩阵，Rx(α)为绕x轴旋转α角旋转角度，y轴和z轴旋转角度分别为β和γ。C为consine余弦函数，S为sine正弦函数。
球关节测量平面和倾斜盘平面的连接点与球关节，虎克铰旋转中心形成平行四边形机构，基于平行四边形法则，球关节输出轴7和倾斜盘始终保持平行关系，且动圈3和球关节输出轴7相对旋转角不变。因而倾斜盘测量角度即对应连续欧拉角转动最后绕z轴转动的角度γ。倾斜盘与虎克铰相互连接，因而将球关节输出轴7的倾斜状态传递到虎克铰的两个转角上，虎克铰绕yh和xh轴的转动角度分别对应欧拉角(α,β)。
图2为本发明实施方案中的平行四边形机构示意图。其中O1为被测球关节的旋转中心，O2为虎克铰旋转中心。当两者在z轴方向存在偏移L1的条件下，基于确定的球关节测量平面与球关节中心的距离L3，平行设计对应的倾斜盘位置和二自由度连杆，使得(L1,L2,L3,L4)构成平行四边形机构。当球关节测量平面发生偏转(如图2(b)所示)，尽管不同连杆对应的平行四边形的变形是不同的，但是由于旋转中心(O1,O2)始终保持不变，因而连杆的长度L3始终满足约束，且平行于定系z轴。由于距离约束，球关节测量平面与倾斜盘动圈无法相对转动，因而可以将绕动系z轴的旋转角度通过倾斜盘动圈定圈相对转动进行测量。同时由于平行约束，倾斜盘的倾斜角与球关节测量平面的倾斜角一致，因而可以通过虎克铰的转角对倾斜角进行测量。
球关节测量平面三个连接点(上标s)与倾斜盘三个连接点(上标h)在各种动坐标中心(球关节中心O1和O2上)的相对坐标具有一致性：
对于任意球关节姿态Rs,以虎克铰中心为世界坐标原点，球关节测量平面三个连接点在世界坐标描述为:
二自由度单杆必然平行等长于两旋转中心的矢量，因此约束了：
由公式(1)虎克铰和倾斜盘确定的：
在设计允许条件下，若虎克铰和球关节的中心可以重合，则意味着L1＝0，不需要连杆的连接。若两中心还存在xy平面的偏移，只是对应的连杆不再始终平行于定系z轴，而是平行于(O1,O2)。
图3和图4对本发明灵活的实施方式做进一步说明。
图3是本发明实施方案中的虎克轴示意图，图3(a)为十字轴，适合单端伸出的关节轴承(如SRJ关节轴承)；图3(b)为环形，适合两端伸出关节轴承。图4为三种欧拉角对应的框架设计示意图，虎克铰的固定端从小半径环开始或大半径环均可以。对接端的姿态特性与被测球关节输出轴具有一致性。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种角位移传感器专用测量装置