基于距离传感的球关节三自由度运动姿态检测
发布时间：2020-08-25 20:51
【摘要】：多自由度球关节结构能同时提供多个方向的旋转自由度,其在现代工业、航空、智能机器人等领域的应用越来越广泛,其优越性也日益显著。多自由度球关节的运动姿态检测是实现球关节闭环运动控制最重要的一环。多自由度球关节运动姿态检测方法主要可以分为接触式姿态检测和非接触式姿态检测。接触式姿态检测法通常需要将编码器、陀螺仪、加速度计等通过额外的机械装置安装在球关节上,这种方法通常会引入新的摩擦力和惯性力,在一定程度上会影响球关节的运动性能。非接触式姿态检测通常可以分为基于视觉的姿态检测方法和基于磁场的姿态检测方法,基于视觉的姿态检测方法通常需要较大的计算量且设备昂贵,基于磁场的姿态检测方案受环境磁场影响较大,应用场合局限。本课题提出了一种基于距离传感实现球关节三自由度姿态测量的非接触式姿态检测系统。通过设计一种非均匀的球壳安装在球关节的动子上随着动子一起运动,利用激光位移传感器测量球壳的半径解算出球关节的运动姿态。该测量系统无需标定初始位置,最多只需要四个激光位移传感器便能够得出球关节运动姿态的解析解,该解析解法计算简单,鲁棒性强。通过仿真得出传感器量程和分辨率以及球壳加工误差对最后解算精度的影响,其结果在理想范围内。最后,通过实验验证了该检测系统的可行性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：
1 绪论研究背景与意义度运动在工业、航空[1, 2]、机器人[3-5]、医疗器械[6]、触觉技演越来越重要的角色。工业多自由度机械手如图 1.1 所示，通同时实现多个旋转自由度达到灵活抓取工件的效果，这极大升了工作效率，已经成为未来工厂发展的趋势。现代化的制加工[8]已经成为加工复杂零件的首选，如图 1.2 所示，通过平移甚至旋转来实现各种复杂曲面的加工，这对刀具的驱动已经成为现阶段多轴联动数控加工的研究方向之一。在现器人的机械连接部位大量采用了仿生的类似关节的结构，旋转自由度，使机器人能够像人一样进行灵活的运动。
图 1.2 五轴联动数控机床多自由度驱动器是实现机构多自由度运动的动力装置，传统的多自由度驱多个单自由度电机组合在一起实现多自由度驱动[10]，但由于结构复杂，机，严重的影响了最后的驱动效果，很大的程度上限制了其应用场合。因此在年，多自由度驱动器一直是学术界的热门研究方向。其中较为有优势的结构球关节[11]的驱动结构，该种驱动结构中较为典型的是两自由度电机[12, 13]，机[14-17]，球形电机按其形式可以分为步进式、变磁阻式、感应式等多种形式1.3 所示，电机主要由动子和定子组成，动子绕着旋转中心可以实现三个自由，无需任何的传动装置，驱动力由动子磁铁和定子线圈通电之后之间产生的提供，动子与定子之间不存在任何的摩擦力，并且电机可以通过改变线圈中出很大的力矩，整个电机结构简洁，安装方便，可以应用在很多有多自由度的场合。
图 1.3 球形电机在对各种多自由度驱动器的研究中，对多自由度驱动器实现精确的闭环运18-22]一直是各种研究的最终目的，而实现多自由度驱动器闭环控制中最重要是运动姿态反馈。在学术界中，多自由度驱动器的运动姿态检测一直是一个点。由于多个自由度耦合在一起，导致姿态测量难度大，又因为运动姿态检多自由度驱动器精确控制的最重要的一环，因此运动姿态的检测对于多自器的研究和应用来说至关重要。多自由度驱动器的运动姿态检测方法主要式姿态检测和非接触式姿态检测两种。接触式姿态检测是将测量装置，例如安装在驱动器上，使其随着驱动器一起运动，实时的采集运动信息输出运动姿方式会增大驱动器的结构和质量，引入惯性力，会对驱动器的运动控制产非接触姿态检测主要分为基于视觉和磁场两种检测方式，基于视觉的检测方要求较高，且需要较大的计算量，很难达到实时性的要求，基于电机磁场的
本文编号：2804186
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：
1 绪论研究背景与意义度运动在工业、航空[1, 2]、机器人[3-5]、医疗器械[6]、触觉技演越来越重要的角色。工业多自由度机械手如图 1.1 所示，通同时实现多个旋转自由度达到灵活抓取工件的效果，这极大升了工作效率，已经成为未来工厂发展的趋势。现代化的制加工[8]已经成为加工复杂零件的首选，如图 1.2 所示，通过平移甚至旋转来实现各种复杂曲面的加工，这对刀具的驱动已经成为现阶段多轴联动数控加工的研究方向之一。在现器人的机械连接部位大量采用了仿生的类似关节的结构，旋转自由度，使机器人能够像人一样进行灵活的运动。
图 1.2 五轴联动数控机床多自由度驱动器是实现机构多自由度运动的动力装置，传统的多自由度驱多个单自由度电机组合在一起实现多自由度驱动[10]，但由于结构复杂，机，严重的影响了最后的驱动效果，很大的程度上限制了其应用场合。因此在年，多自由度驱动器一直是学术界的热门研究方向。其中较为有优势的结构球关节[11]的驱动结构，该种驱动结构中较为典型的是两自由度电机[12, 13]，机[14-17]，球形电机按其形式可以分为步进式、变磁阻式、感应式等多种形式1.3 所示，电机主要由动子和定子组成，动子绕着旋转中心可以实现三个自由，无需任何的传动装置，驱动力由动子磁铁和定子线圈通电之后之间产生的提供，动子与定子之间不存在任何的摩擦力，并且电机可以通过改变线圈中出很大的力矩，整个电机结构简洁，安装方便，可以应用在很多有多自由度的场合。
图 1.3 球形电机在对各种多自由度驱动器的研究中，对多自由度驱动器实现精确的闭环运18-22]一直是各种研究的最终目的，而实现多自由度驱动器闭环控制中最重要是运动姿态反馈。在学术界中，多自由度驱动器的运动姿态检测一直是一个点。由于多个自由度耦合在一起，导致姿态测量难度大，又因为运动姿态检多自由度驱动器精确控制的最重要的一环，因此运动姿态的检测对于多自器的研究和应用来说至关重要。多自由度驱动器的运动姿态检测方法主要式姿态检测和非接触式姿态检测两种。接触式姿态检测是将测量装置，例如安装在驱动器上，使其随着驱动器一起运动，实时的采集运动信息输出运动姿方式会增大驱动器的结构和质量，引入惯性力，会对驱动器的运动控制产非接触姿态检测主要分为基于视觉和磁场两种检测方式，基于视觉的检测方要求较高，且需要较大的计算量，很难达到实时性的要求，基于电机磁场的
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 燕红波;杨庆东;刘芳;;五轴联动的数控加工技术的研究及应用[J];机械工程师;2007年05期
本文编号：2804186
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