一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及磁場(chǎng)傳感領(lǐng)域，特別是設(shè)及一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)及其測(cè)量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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(wú)用功耗，運(yùn)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(duì)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。
[0003] 在有些需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)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(wàn)向節(jié)、虎克較等，運(yùn)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)磨損后無(wú)法保 證運(yùn)動(dòng)的精度;萬(wàn)向節(jié)、虎克較等結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)不夠靈活。
[0004] 由于傳統(tǒng)機(jī)械軸承存在摩擦、磨損、振動(dòng)和噪聲等問(wèn)題，因此國(guó)內(nèi)外的學(xué)者一直在 致力于新型軸承的研究W解決傳統(tǒng)軸承的運(yùn)些問(wèn)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(guò)控制感應(yīng)磁場(chǎng)，使軸保持懸浮狀態(tài)，運(yùn)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(méi)有機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，具有機(jī)械磨損小、壽命長(zhǎng)、清潔無(wú) 油污等優(yōu)點(diǎn)。
[0005] 磁懸浮軸承根據(jù)磁軸承產(chǎn)生磁場(chǎng)的性質(zhì)通常可W分為=類(lèi):第一、主動(dòng)磁軸承:控 制系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)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=、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】

[0006] 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(cè)量方法，摩擦力小，測(cè)量方便快捷。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[000引一種自帶姿態(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(kāi)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(duì)上底座、永磁體二及下底 座轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009] 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)。
[0010] 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。
[0011] 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)。
[0012] 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(guò)過(guò)盈配合與下底座固定連 接。
[0013] 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=軸霍爾傳感器。
[0014] 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。
[0015] -種應(yīng)用所述的自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)的測(cè)量方法，包括如下步驟：
[0016] 步驟1.設(shè)置轉(zhuǎn)軸的姿態(tài)用歐拉角(a, 0)表示，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)球殼轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)范圍是-a〇 < a < a〇、一ft) < 0 < ft);
[0017] 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Bpi體二在霍爾傳感 器處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度記為Bp2,霍爾傳感器測(cè)量到的磁感應(yīng)強(qiáng)度位B;
[0018] 步驟3.霍爾傳感器測(cè)量獲得當(dāng)前磁感應(yīng)強(qiáng)度B;
[0019] 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 = Bpi+Bp2,因 永磁體二的位置保持不變，磁感應(yīng)強(qiáng)度Bp2為固定值；
[0020] 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Bpi,根據(jù)Bpi獲得 永磁體一當(dāng)前的姿態(tài)(a，e)及轉(zhuǎn)軸位置。
[0021] 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：
[0023] 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)，Rf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，叫為真空磁導(dǎo)率。
[0024] 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：
[002引步驟501.根據(jù)B = Bpi+Bp2獲得Bpi的值；
[00%] 步驟502.永磁體一在霍爾傳感器處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度記為Bpi的計(jì)算公式為：
[0028]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)，Rf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，叫為真空磁導(dǎo)率，Rot(a，e)是與歐拉角(a, 0) 對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣，Rot '（a，0)是R〇t(a，0)的逆矩陣；
[00巧]步驟503. Rot (a，0)具體表達(dá)形式如下：
[0031] 步驟504.根據(jù)步驟502及503獲得永磁體一當(dāng)前的姿態(tài)(a, 0)及轉(zhuǎn)軸位置。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)球殼相對(duì)上底座、永磁體二及下 底座轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的多自由度轉(zhuǎn)動(dòng);上下永磁體的極化方向相反，排斥力可W抵消掉轉(zhuǎn)軸 的一部分重力，減小轉(zhuǎn)軸對(duì)軸承接觸部位的正壓力進(jìn)而減小摩擦，降低磨損、延長(zhǎng)軸承壽 命、減小振動(dòng)和噪聲;在下底座與球殼接觸面設(shè)置磁流變液，磁流變液可W充滿(mǎn)機(jī)械部件間 的間隙，起到良好的潤(rùn)滑作用，減小摩擦，降低機(jī)械部件的磨損，同時(shí)降低系統(tǒng)密封性能的 要求;通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)及映射關(guān)系，方便快捷地獲得轉(zhuǎn)軸位置。
【附圖說(shuō)明】
[0033] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明的轉(zhuǎn)軸姿態(tài)歐拉角定義結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明的磁場(chǎng)和姿態(tài)映射關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 本發(fā)明的主旨在于克服現(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(cè)量方法，屬于上述磁懸浮軸承中的被動(dòng)磁軸承，利用永磁體產(chǎn)生的磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的 懸浮，霍爾傳感器可W實(shí)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。下面結(jié)合實(shí)施例參照附圖進(jìn)行詳細(xì)說(shuō) 明，W便對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行更深入的i全釋。
[0037] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，一種自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)，包括永磁體一 2、永磁體二7、轉(zhuǎn)軸8、球殼1、上底座3、下底座4及霍爾傳感器6;所述永磁體一 2封裝于球殼1 內(nèi)，永磁體二7固設(shè)于下底座4上，霍爾傳感器6設(shè)置于永磁體二7上;所述下底座4上設(shè)置開(kāi) 口朝上的凹槽，球殼1 一端嵌裝于下底座4的凹槽內(nèi)，球殼1的另一端伸出上底座3與一轉(zhuǎn)軸8 固定連接，轉(zhuǎn)軸8帶動(dòng)球殼1相對(duì)上底座3、永磁體二7及下底座4轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示，永磁球軸 承屬于上述磁懸浮軸承中的被動(dòng)磁軸承，利用永磁體一、二產(chǎn)生的磁力來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的懸浮。 圖1所設(shè)及到的兩個(gè)永磁體都是圓柱形的，其中上面的永磁體一與轉(zhuǎn)軸固連，其姿態(tài)會(huì)隨著 轉(zhuǎn)軸姿態(tài)的改變而改變;下面的永磁體二與下底座固連，姿態(tài)保持不變，永磁體二中間有一 個(gè)內(nèi)孔，用來(lái)安裝霍爾傳感器，霍爾傳感器可W實(shí)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
[0038] 如圖1所示，本發(fā)明所述永磁體一 2與永磁體二7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)。通過(guò)設(shè)置上下永磁體的極化方向相反，由于同極相斥，上下永磁體之間 會(huì)產(chǎn)生相互排斥的力，永磁體一會(huì)受到向上的力F，運(yùn)種排斥力可W抵消掉轉(zhuǎn)軸的一部分重 力，減小轉(zhuǎn)軸對(duì)軸承接觸部位的正壓力進(jìn)而減小摩擦，降低磨損、延長(zhǎng)軸承壽命、減小振動(dòng) 和噪聲。當(dāng)永磁體一發(fā)生傾斜時(shí)，永磁體二還會(huì)對(duì)上永磁體產(chǎn)生力矩T，力矩總是使永磁體 一恢復(fù)到平衡位置。
[0039] 本發(fā)明中，本發(fā)明所述永磁體一 2為圓柱型永磁體。本發(fā)明所述永磁體二7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6置于通孔內(nèi)，所述永磁體二7通過(guò) 過(guò)盈配合與下底座4固定連接。永磁體二是一個(gè)圓柱形的帶孔永磁體，通過(guò)過(guò)盈配合與下底 座固連;永磁體一是一個(gè)圓柱形永磁體，它被封裝在一個(gè)球殼中，球殼置于下底座的等半徑 的凹槽處，球殼的另一端通過(guò)螺紋與轉(zhuǎn)軸連接，運(yùn)樣可W實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的多自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸的 運(yùn)動(dòng)范圍為-a日含a含a日、-0日含0含階。底座通過(guò)螺紋與其他固定的部件連接。
[0040] 本發(fā)明所述霍爾傳感器6為=軸霍爾傳感器。在帶孔的圓柱形永磁體的孔中布置 有=軸霍爾傳感器，該霍爾傳感器能夠測(cè)量該點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B= [Bx化Bz]。根據(jù)圖3中利 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具建立的運(yùn)兩者之間的映射關(guān)系，控制系統(tǒng)就能夠根據(jù)霍爾傳感器的測(cè)量值 B求解出永磁體當(dāng)前的姿態(tài)(a，0)。
[0041] 為了減少摩擦力、振動(dòng)和噪音，本發(fā)明所述下底座4上設(shè)置與球殼1等半徑的凹槽， 且下底座4與球殼1接觸面設(shè)置磁流變液5。磁流變液是一種由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟 磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。在機(jī)械部件相互接觸的部位添加磁流變液5， 磁流變液可W充滿(mǎn)機(jī)械部件間的間隙，起到良好的潤(rùn)滑作用，減小摩擦，降低機(jī)械部件的磨 損；當(dāng)磁流變液遇到永磁體時(shí)，磁流變液會(huì)吸附在永磁體周?chē)?，而不?huì)向四周散開(kāi)，運(yùn)可W 降低對(duì)系統(tǒng)密封性能的要求。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在球殼和底座接觸的地方充滿(mǎn)了磁 流變液，磁流變液能夠起到潤(rùn)滑的作用，而永磁體之間的斥力能夠減小球殼所承受的正壓 力，運(yùn)兩者的綜合作用可W降低零件磨損、減小振動(dòng)和噪聲，延長(zhǎng)軸承的使用壽命;利用霍 爾傳感器測(cè)量得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度值可W求解出永磁體一的當(dāng)前位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸位置的測(cè) 量。
[0042] 本發(fā)明還公開(kāi)了一種應(yīng)用所述的自帶姿態(tài)傳感的永磁球關(guān)節(jié)的測(cè)量方法，轉(zhuǎn)軸的 姿態(tài)用歐拉角(a，e)表示，如圖2所示。圖中坐標(biāo)系XYZ是固定坐標(biāo)系，坐標(biāo)系xy