[發(fā)明專利]一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)及其測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610037796.7
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號(hào): CN105587757B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白坤;李國民;趙杰;王瑜輝;張超
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞思谷數(shù)字技術(shù)有限公司;華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): F16C11/06
• 分類號(hào): F16C11/06;G01B7/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 羅曉林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及磁場傳感領(lǐng)域，特別是涉及一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)及其測量方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的機(jī)械軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架等部分組成，軸承與轉(zhuǎn)軸之間存在摩擦，產(chǎn)生無用功耗，這樣不僅降低了傳動(dòng)效率而且還會(huì)產(chǎn)生噪聲。此外，傳統(tǒng)軸承中的滾動(dòng)軸承由于其內(nèi)部存在很大的相對運(yùn)動(dòng)空間，導(dǎo)致軸承承受沖擊載荷的能力較差，高速重載工況下壽命較低，存在較大的機(jī)械振動(dòng)和噪聲。

在有些需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)的場合，設(shè)計(jì)者往往采用多自由度軸承。傳統(tǒng)的多自由度軸承包括球面滾動(dòng)軸承、萬向節(jié)、虎克鉸等，這些多自由度軸承雖然都能實(shí)現(xiàn)多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，但是卻有一些不足：球面滾動(dòng)軸承制造要求精度高，長時(shí)間運(yùn)動(dòng)磨損后無法保證運(yùn)動(dòng)的精度；萬向節(jié)、虎克鉸等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)不夠靈活。

由于傳統(tǒng)機(jī)械軸承存在摩擦、磨損、振動(dòng)和噪聲等問題，因此國內(nèi)外的學(xué)者一直在致力于新型軸承的研究以解決傳統(tǒng)軸承的這些問題。磁懸浮軸承就是其中被研究得比較多的一種新型軸承。磁懸浮軸承通過控制感應(yīng)磁場，使軸保持懸浮狀態(tài)，這樣軸能在不接觸的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)。磁性軸承的控制系統(tǒng)能夠感應(yīng)軸的位置，并且實(shí)時(shí)調(diào)整使軸保持在目標(biāo)位置。與傳統(tǒng)軸承相比，磁懸浮軸承沒有機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，具有機(jī)械磨損小、壽命長、清潔無油污等優(yōu)點(diǎn)。

磁懸浮軸承根據(jù)磁軸承產(chǎn)生磁場的性質(zhì)通常可以分為三類：第一、主動(dòng)磁軸承：控制系統(tǒng)對磁場進(jìn)行主動(dòng)控制，使轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)達(dá)到預(yù)期的要求；第二、被動(dòng)磁軸承：用永磁力或電磁力或超導(dǎo)力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮；第三、混合磁軸承：用永磁體和電磁鐵共同作用，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子懸浮。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)及其測量方法，摩擦力小，測量方便快捷。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)，包括永磁體一、永磁體二、轉(zhuǎn)軸、球殼、上底座、下底座及霍爾傳感器；所述永磁體一封裝于球殼內(nèi)，永磁體二固設(shè)于下底座上，霍爾傳感器設(shè)置于永磁體二上；所述下底座上設(shè)置開口朝上的凹槽，球殼一端嵌裝于下底座的凹槽內(nèi)，球殼的另一端伸出上底座與一轉(zhuǎn)軸固定連接，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)球殼相對上底座、永磁體二及下底座轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述永磁體一與永磁體二相鄰兩個(gè)極端的極性設(shè)置為同極，構(gòu)成同極相斥結(jié)構(gòu)。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述永磁體一為圓柱型永磁體。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述永磁體二為圓柱型永磁體，且圓柱型永磁體的中部設(shè)置通孔，霍爾傳感器置于通孔內(nèi)。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述永磁體二通過過盈配合與下底座固定連接。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述霍爾傳感器為三軸霍爾傳感器。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明所述下底座上設(shè)置與球殼等半徑的凹槽，且下底座與球殼接觸面設(shè)置磁流變液。

一種應(yīng)用所述的自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)的測量方法，包括如下步驟：

步驟1.設(shè)置轉(zhuǎn)軸的姿態(tài)用歐拉角(α,β)表示，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)球殼轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)范圍是-α₀≤α≤α₀、-β₀≤β≤β₀；

步驟2.設(shè)置永磁體一在霍爾傳感器處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度記為B_p1體二在霍爾傳感器處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度記為B_p2，霍爾傳感器測量到的磁感應(yīng)強(qiáng)度位B；

步驟3.霍爾傳感器測量獲得當(dāng)前磁感應(yīng)強(qiáng)度B；

步驟4.根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量疊加定律，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式為B＝B_p1+B_p2，因永磁體二的位置保持不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度B_p2為固定值；

步驟5，計(jì)算獲得永磁體一在霍爾傳感器處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B_p1，根據(jù)B_p1獲得永磁體一當(dāng)前的姿態(tài)(α,β)及轉(zhuǎn)軸位置。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明步驟3所述的霍爾傳感器當(dāng)前磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式為：

其中，M為永磁體一的極化強(qiáng)度矢量，所述R為霍爾傳感器的坐標(biāo)點(diǎn)，R＇為永磁體一上的點(diǎn)的坐標(biāo)，n為永磁體一表面的法向矢量，μ₀為真空磁導(dǎo)率。

作為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，本發(fā)明步驟5具體步驟如下：