[發明專利]一種自帶姿態傳感的永磁球關節及其測量方法

有效

• 申請號: 201610037796.7
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105587757B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 白坤;李國民;趙杰;王瑜輝;張超
• 申請（專利權）人: 東莞思谷數字技術有限公司;華中科技大學
• 主分類號: F16C11/06
• 分類號: F16C11/06;G01B7/30
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司44102
• 代理人: 羅曉林

技術領域

本發明涉及磁場傳感領域，特別是涉及一種自帶姿態傳感的永磁球關節及其測量方法。

背景技術

傳統的機械軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架等部分組成，軸承與轉軸之間存在摩擦，產生無用功耗，這樣不僅降低了傳動效率而且還會產生噪聲。此外，傳統軸承中的滾動軸承由于其內部存在很大的相對運動空間，導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，存在較大的機械振動和噪聲。

在有些需要實現多個自由度的轉動的場合，設計者往往采用多自由度軸承。傳統的多自由度軸承包括球面滾動軸承、萬向節、虎克鉸等，這些多自由度軸承雖然都能實現多自由度轉動，但是卻有一些不足：球面滾動軸承制造要求精度高，長時間運動磨損后無法保證運動的精度；萬向節、虎克鉸等結構復雜，運動不夠靈活。

由于傳統機械軸承存在摩擦、磨損、振動和噪聲等問題，因此國內外的學者一直在致力于新型軸承的研究以解決傳統軸承的這些問題。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磁場，使軸保持懸浮狀態，這樣軸能在不接觸的情況下轉動。磁性軸承的控制系統能夠感應軸的位置，并且實時調整使軸保持在目標位置。與傳統軸承相比，磁懸浮軸承沒有機械接觸，轉子轉速高，具有機械磨損小、壽命長、清潔無油污等優點。

磁懸浮軸承根據磁軸承產生磁場的性質通常可以分為三類：第一、主動磁軸承：控制系統對磁場進行主動控制，使轉子的運動達到預期的要求；第二、被動磁軸承：用永磁力或電磁力或超導力實現轉子的懸浮；第三、混合磁軸承：用永磁體和電磁鐵共同作用，實現轉子懸浮。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種自帶姿態傳感的永磁球關節及其測量方法，摩擦力小，測量方便快捷。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種自帶姿態傳感的永磁球關節，包括永磁體一、永磁體二、轉軸、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，永磁體二固設于下底座上，霍爾傳感器設置于永磁體二上；所述下底座上設置開口朝上的凹槽，球殼一端嵌裝于下底座的凹槽內，球殼的另一端伸出上底座與一轉軸固定連接，轉軸帶動球殼相對上底座、永磁體二及下底座轉動。

作為本發明的較佳實施例，本發明所述永磁體一與永磁體二相鄰兩個極端的極性設置為同極，構成同極相斥結構。

作為本發明的較佳實施例，本發明所述永磁體一為圓柱型永磁體。

作為本發明的較佳實施例，本發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置通孔，霍爾傳感器置于通孔內。

作為本發明的較佳實施例，本發明所述永磁體二通過過盈配合與下底座固定連接。

作為本發明的較佳實施例，本發明所述霍爾傳感器為三軸霍爾傳感器。

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

一種應用所述的自帶姿態傳感的永磁球關節的測量方法，包括如下步驟：

步驟1.設置轉軸的姿態用歐拉角(α,β)表示，轉軸帶動球殼轉動的運動范圍是-α₀≤α≤α₀、-β₀≤β≤β₀；

步驟2.設置永磁體一在霍爾傳感器處產生的磁感應強度記為B_p1體二在霍爾傳感器處產生的磁感應強度記為B_p2，霍爾傳感器測量到的磁感應強度位B；

步驟3.霍爾傳感器測量獲得當前磁感應強度B；

步驟4.根據磁感應強度矢量疊加定律，磁感應強度B的計算公式為B＝B_p1+B_p2，因永磁體二的位置保持不變，磁感應強度B_p2為固定值；

步驟5，計算獲得永磁體一在霍爾傳感器處產生的磁感應強度為B_p1，根據B_p1獲得永磁體一當前的姿態(α,β)及轉軸位置。

作為本發明的較佳實施例，本發明步驟3所述的霍爾傳感器當前磁感應強度B的計算公式為：

其中，M為永磁體一的極化強度矢量，所述R為霍爾傳感器的坐標點，R＇為永磁體一上的點的坐標，n為永磁體一表面的法向矢量，μ₀為真空磁導率。

作為本發明的較佳實施例，本發明步驟5具體步驟如下：