精密球铰链空间回转方位辨识及回转角度测量技术研究

摘要

精密球铰链是机器人、并联机构的重要运动部件，其空间回转方位角度的实时高精度检测缺乏好方法。本文对通过在球关节上加装永磁体，然后布置若干个霍尔传感器即可实现其空间回转角度方向辨析及角度值测量的方法进行了研究，针对性地对原有实验方案进行了改进，并重新设计了相关测量系统的硬、软件，探讨了圆环永磁作为信号源时永磁体与霍尔传感器之间的位置关系对于测量精度的影响，验证了外方内圆永磁体作为信号源的可用性。
　　在原有理论成果及样机实物基础上，首先有针对性地验证了等效磁荷模型的适用性，并依据相关理论完成了测量模型的建立，同时对所建立模型中的相关重要参数设计了标定实验;然后，针对原有测量方案的不足，提出改进方法优化了实验方案;随之，根据测量方案的改进和实验的进一步需要以及所使用霍尔传感器阵列的信号输出特点，重新设计并制作了相应的测量系统;最后，针对相关数据进行了处理、分析。
　　实验结果表明:以圆环永磁体作为信号源时，空间回转角度分量α、β转动角度均小于等于15°范围时，测得球铰链转角分量α在其区域内的平均误差为1.06°，β在其区域内的平均误差为1.01°;当α、β转动角度均小于等于9°范围时，α在其区域内的平均误差为0.78°，β在其区域内的平均误差为0.6°。比原测量系统的α、β小转角情况转角测量精度略有提升，但未发生质变。α、β转动角度均超过15°时的误差得到明显降低，且测量空间范围得到扩大。可以认为霍尔传感器自身尺寸引入的误差为现阶段制约智能球关节技术精度提升的主要障碍，同时，研究了以外方内圆永磁体作为信号源时的相关特性，其具备继续深入研究的价值。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 球面运动回转角度测量技术研究背景

1．2 相关技术现状

1．2．1 精密球铰链运动特点及现状

1．2．2 类似技术现状

1．3 课题来源及主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容

1．4 本章小结

第二章 回转角度测量技术原理

2．1 设计思路

2．2 坐标位置转换

2．3 等效磁荷模型及其验证

2．3．1 等效磁荷模型

2．3．2 外方内圆永磁体等效磁荷模型验证

2．4 测量模型建立

2．5 球铰杆实际空间位姿反算

2．6 角度反解方式分析

2．7 本章小结

第三章 实验方案改进

3．1 实验方案改进思路

3．2 信号源选型

3．3 传感器选型及时域稳定性

3．3．1 传感器选型

3．3．2 传感器供电方式设计

3．3．3 传感器时域稳定性

3．4 测量方案设计

3．5 传感器与信号源位置关系探究

3．5．1 圆环永磁体空间位置匹配

3．5．2 外方内圆永磁体的空间位置匹配

3．6 本章小结

第四章 测量系统软硬件改进

4．1 测量系统软硬件改进思路

4．2 系统设计思路及系统组成

4．2．1 系统设计思路

4．2．2 系统组成

4．3 系统硬软件设计

4．3．1 磁场强度感应模块设计

4．3．2 信号调理电路设计及标定

4．3．3 数据采集处理模块

4．3．4 温度测量模块设计

4．4 系统上位机软件设计

4．4 本章小结

第五章 实验操作及实验数据分析

5．1 圆环永磁体实验及其实验数据分析

5．1．1 实验参数设计

5．1．2 数据及误差分析

5．2 外方内圆永磁体实验及其实验数据分析

5．2．1 实验参数设计

5．2．2 数据及误差分析

5．3 本章小结

第六章 总结及展望

6．1 课题总结

6．2 课题展望

6．3 本章小结

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况