[发明专利]基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法

说明书

本发明公开了一种基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法，按照伪随机序列在球铰链的球头表面设置伪随机编码图案，其由球头表面的沟槽所表征；在球铰链底座中呈阵列设置电涡流传感器，其测头轴线指向球窝中心；针对电涡流传感器的输出信号通过学习和训练建立神经网络模型，利用神经网络模型确定球头与球铰链底座之间的空间相对转动方向和角度，实现球铰链三轴回转角度测量。本发明测量精度和分辨率较之已有技术得到更进一步提高，其抗干扰能力更强，实现了球面运动中绕任意回转轴线的回转角度测量，能够在机器人、并联机床、高端医疗器械、球面电机等领域得到良好的应用。

技术领域

本发明涉及球铰链三轴回转角度测量方法，更具体地说是一种基于球面三维立体编码和电涡流传感器阵列组合的球铰链三轴回转角度测量方法。

背景技术

现有的球铰链回转角度测量只能用于一自由度或二自由度的回转角度的测量，不能实现三轴回转角度的测量。本申请人在公开号为CN109931864A、申请号为2019102092299的发明专利申请说明书中公开了一种基于电涡流效应的球铰链空间三维回转角度测量方法，其球铰链是由底座和端盖构成内部具有球窝的球座，球头置入在同心的球窝中并可转动，在球头的球冠顶部连接球铰杆；在球头的表面按设定的规律分布各深度不同的呈圆柱形的盲孔；在底座中设置若干电涡流传感器，建立电涡流传感器的输出信号与球头的空间回转角度值的关系，根据人工神经网络理论进行训练，获得测量模型，根据所有电涡流传感器的输出信号的组合判断球头与球窝之间的相对角度位置及相对运动的方向，利用测量模型实现球铰链空间二维回转角度的实时测量，相关技术已成功实现；但该技术方案无法实现绕球铰杆自身轴线的旋转角度的测量，测量精度和分辨率不能满足实际应用的要求。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法，以提高测量精度、提高分辨率，实现球面运动中绕任意回转轴线的回转角度测量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法，其球铰链的结构形式是：由球铰链底座和端盖构成内部具有球窝的球座，球头置于球铰链底座中，并在端盖的开口处露出球冠，在所述球冠的顶部连接球铰杆，球头与球窝同心，球头能够在球窝内转动；其球铰链三轴回转角度测量方法的特点是：按照伪随机序列在所述球头的表面设置伪随机编码图案，所述伪随机编码图案是由球头表面具有相应宽度和深度的沟槽所表征；在所述球铰链底座中呈阵列设置电涡流传感器，电涡流传感器的测头轴线指向球窝中心；针对电涡流传感器的输出信号通过学习和训练建立人工神经网络模型，利用所述人工神经网络模型确定球头与球铰链底座之间的空间相对转动方向和角度，实现球铰链三轴回转角度测量。

本发明基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法的特点也在于：伪随机编码为一组长度自定义、数值随机分布在固定阈值内的可预知数列，所述按照伪随机序列在所述球头的表面设置伪随机编码图案是指：在球头的表面沿纬向和径向分布沟槽，各沟槽的宽度和深度均按照所述伪随机编码的数列唯一设置，形成具有唯一性的球面三维编码。

本发明基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法的特点也在于：通过仿真调整所述沟槽的宽度和深度，设置多组不同的伪随机编码图案，建立与之对应的球头空间回转角度仿真值，从而构造不同编码图案与对应球头空间回转角度仿真值的神经网络模型，获得不同的仿真测量精度，从中选择能够获得更高精度的伪随机编码图案。

本发明基于球面三维编码的球铰链三轴回转角度测量方法的特点也在于：

所述电涡流传感器的输出信号仅与被测物距离相关，将电涡流传感器的输出信号与被测沟槽的距离定义如下三种形式：

形式一：电涡流传感器与被测沟槽为正相对，则形式一中电涡流传感器(5)的输出信号为测头顶端到被测沟槽的槽底部的距离D；