基于球面磁场编码的空间回转角度辨识原理及关键技术研究

Precision spherical joint is a key movement execution unit in robotics, parallel mechanism. When it works in passive motion, Its arbitrarily rotation angle can not be determined or known. This proposal provides a measuring principle and method with a combination of multiple sensor array and permanent magnet array, which are embedded in joint without any bad effect on mechanical properties and original structure. Measuring model will be founded with theory analysis, the optimal spatial location of permanent magnet and magnetic parameters will be achieved, so the magnet encoding will be realized on the spherical surface. With study of the strategy of signal subdivision and the redundancy information picking of Hall sensor array, resolution will be promoted. Completing extensive error analysis and full error modeling, devising testing method for error separation and decoupling will pave the way for sensor calibration and error compensation, so the measuring accuracy will be achieved and improved. the developed sensor prototype should be able to meet or exceed the following technical index: measuring range: ±30 ,accuracy: 30sec, resolution: 6sec. This study will realize spherical joint intelligence with simple structure and reliable performance as well as interpret a modern precision mechanical design concept which means realizing integration of mechanical parts and sensor. It will give a new way to improve the accuracy of robot and parallel mechanism, and provide control convenience. With improvement of accuracy, it will be expected to occupy in portable CMM arms substituting the universal joint and the angular grating, which can greatly simplify the structure of instrument.

精密球铰链是机器人、并联机构的重要运动部件，其空间回转方位角的实时精密检测缺乏新方法。本项目基于球面磁场编码的新思想即在不影响球铰链结构、性能的前提下，在球铰链内部嵌入磁传感器和永磁体阵列实现空间回转角度的测量。 基于电磁场理论研究测量模型，揭示永磁体结构、性能参数、空间分布与空间磁场的内在联系实现磁编码；研究信号细分策略，传感器冗余信息最优拾取等问题提高分辨率；完成全误差分析和建模，设计误差分离和解耦的测试方法，最终实现传感器标定和误差补偿以保障精度。所研制的样机应能达到或超过如下技术指标：测量范围：±30 ，测量精度30″，分辨率6″。 此项研究将实现球铰链的智能化且结构简单、性能可靠，诠释了嵌入式在位测量结构与检测一体化的现代精密机械设计理念，对于提高机器人及并联机构精度、优化控制策略等具有重要价值。随着精度的提高，有望直接替代关节坐标测量机的关节和圆光栅，简化仪器结构。

本课题研究最初是欲解决精密球铰链在空间回转方位辨识和回转角度的实时检测问题。其基本思路是在球头上嵌入永磁体，在球窝内布置磁效应传感器阵列。当球头回转时，带动磁场同步旋转，磁效应传感器感测到磁感应强度的变化。通过建立输出信号和二维回转角度分量之间数学关系模型，即可判断球杆的回转方位及获得回转角。这样，球铰链将由单纯的运动部件转变成带有测量功能的智能部件，甚至可以单独作为多维角度传感器使用。.本项目主要研究内容包括：基于等效磁荷法建立和完善测量模型；在测量模型的基础上深入研究永磁铁的形状、强度、位置等参数对测量分辨率的影响，实现空间内三维磁场的分布优化；深入研究永磁体及磁传感器的个数、位置间距的匹配，在提高分辨率的前提下，同时保证合理的量程和良好的测量精度；需要研究专用的标定方法和高精度标定装置，在全误差模型的基础上，实现测量误差补偿。 .项目重要成果包括：.1.在理论研究的支持下，研发了两台样机，且测量精度和分辨率持续提高，彻底跳出机械刻线制造角度传感器的思维定式，不再依靠传统的空间等间距划分来获取角度测量信息，给出一套比较完善的测量方法及相关基础理论。.2.掌握了霍尔传感器的温漂、零点漂移、非线性误差对测量精度的影响，采用集成化和小型化设计，重新研制了测量电路和数据采集系统，以期望未来可以内嵌在球铰链之中。.3. 研制了双轴角度标定平台(单轴精度±2″)并配备了专用的软件，可以同步采集双轴角度值，自动算出误差值给出数据和曲线。在标定装置上，完成了样机精度水平的测试评估。.4 针对模型法存在的不足和缺陷，采用人工神经网络来构建测量模型。实验结果说明该法精度和运算耗时优于模型法，同时该方法对球铰链各项结构参数误差不敏感，有利于降低制造和装配难度。.截止到2018年11月，最新一台样机的测量精度指标为：在±20°量程内，采用解析模型，测量精度可达12′，分辨力为22″；采用人工神经网络法，精度可达4′以内，分辨力为15″。