一种自带姿态传感的永磁球关节及其测量方法技术

一种自带姿态传感的永磁球关节及其测量方法，所述永磁球关节包括永磁体一、永磁体二、转轴、球壳、上底座、下底座及霍尔传感器；永磁体一封装于球壳内，永磁体二固设于下底座上，霍尔传感器设置于永磁体二上；下底座上设置开口朝上的凹槽，球壳一端嵌装于下底座的凹槽内，球壳的另一端伸出上底座与一转轴固定连接，转轴带动球壳相对上底座、永磁体二及下底座转动。本发明专利技术实现转轴的多自由度转动，上下永磁体的极化方向相反，排斥力抵消掉转轴的一部分重力，减小转轴对轴承接触部位的正压力进而减小摩擦，降低磨损、延长轴承寿命、减小振动和噪声；磁流变液起到良好的润滑作用，减小摩擦；通过霍尔传感器检测及映射关系，方便快捷地获得转轴位置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁场传感领域，特别是涉及一种自带姿态传感的永磁球关节及其测量方法。
技术介绍
传统的机械轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架等部分组成，轴承与转轴之间存在摩擦，产生无用功耗，这样不仅降低了传动效率而且还会产生噪声。此外，传统轴承中的滚动轴承由于其内部存在很大的相对运动空间，导致轴承承受冲击载荷的能力较差，高速重载工况下寿命较低，存在较大的机械振动和噪声。在有些需要实现多个自由度的转动的场合，设计者往往采用多自由度轴承。传统的多自由度轴承包括球面滚动轴承、万向节、虎克铰等，这些多自由度轴承虽然都能实现多自由度转动，但是却有一些不足：球面滚动轴承制造要求精度高，长时间运动磨损后无法保证运动的精度；万向节、虎克铰等结构复杂，运动不够灵活。由于传统机械轴承存在摩擦、磨损、振动和噪声等问题，因此国内外的学者一直在致力于新型轴承的研究以解决传统轴承的这些问题。磁悬浮轴承就是其中被研究得比较多的一种新型轴承。磁悬浮轴承通过控制感应磁场，使轴保持悬浮状态，这样轴能在不接触的情况下转动。磁性轴承的控制系统能够感应轴的位置，并且实时调整使轴保持在目标位置。与传统轴承相比，磁悬浮轴承没有机械接触，转子转速高，具有机械磨损小、寿命长、清洁无油污等优点。磁悬浮轴承根据磁轴承产生磁场的性质通常可以分为三类：第一、主动磁轴承：控制系统对磁场进行主动控制，使转子的运动达到预期的要求；第二、被动磁轴承：用永磁力或电磁力或超导力实现转子的悬浮；第三、混合磁轴承：用永磁体和电磁铁共同作用，实现转子悬浮。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自带姿态传感的永磁球关节及其测量方法，摩擦力小，测量方便快捷。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种自带姿态传感的永磁球关节，包括永磁体一、永磁体二、转轴、球壳、上底座、下底座及霍尔传感器；所述永磁体一封装于球壳内，永磁体二固设于下底座上，霍尔传感器设置于永磁体二上；所述下底座上设置开口朝上的凹槽，球壳一端嵌装于下底座的凹槽内，球壳的另一端伸出上底座与一转轴固定连接，转轴带动球壳相对上底座、永磁体二及下底座转动。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术所述永磁体一与永磁体二相邻两个极端的极性设置为同极，构成同极相斥结构。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术所述永磁体一为圆柱型永磁体。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术所述永磁体二为圆柱型永磁体，且圆柱型永磁体的中部设置通孔，霍尔传感器置于通孔内。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术所述永磁体二通过过盈配合与下底座固定连接。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术所述霍尔传感器为三轴霍尔传感器。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术所述下底座上设置与球壳等半径的凹槽，且下底座与球壳接触面设置磁流变液。一种应用所述的自带姿态传感的永磁球关节的测量方法，包括如下步骤：步骤1.设置转轴的姿态用欧拉角(α,β)表示，转轴带动球壳转动的运动范围是-α0≤α≤α0、-β0≤β≤β0；步骤2.设置永磁体一在霍尔传感器处产生的磁感应强度记为Bp1体二在霍尔传感器处产生的磁感应强度记为Bp2，霍尔传感器测量到的磁感应强度位B；步骤3.霍尔传感器测量获得当前磁感应强度B；步骤4.根据磁感应强度矢量叠加定律，磁感应强度B的计算公式为B＝Bp1+Bp2，因永磁体二的位置保持不变，磁感应强度Bp2为固定值；步骤5，计算获得永磁体一在霍尔传感器处产生的磁感应强度为Bp1，根据Bp1获得永磁体一当前的姿态(α,β)及转轴位置。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术步骤3所述的霍尔传感器当前磁感应强度B的计算公式为：B=μ04π∫V-(▿·M)(R-R′)|R-R′|3dV+μ04π∫S(M·n)(R-R′)|R-R′|3dS]]>其中，M为永磁体一的极化强度矢量，所述R为霍尔传感器的坐标点，R＇为永磁体一上的点的坐标，n为永磁体一表面的法向矢量，μ0为真空磁导率。作为本专利技术的较佳实施例，本专利技术步骤5具体步骤如下：步骤501.根据B＝Bp1+Bp2获得Bp1的值；步骤502.永磁体一在霍尔传感器处产生的磁感应强度记为Bp1的计算公式为：Bp1=f(α,β)=Rot(α,β)(μ04π∫V-(▿·M)(Rot′(α,β)R-R′)|Rot′(α,β)R-R′|3dV+μ04π∫S(M·n)(Rot′(α,β)R-R′)|Rot′(α,β)R-R′|3dS)]]>其中，M为永磁体一的极化强度矢量，所述R为霍尔传感器的坐标点，R＇为永磁体一上的点的坐标，n为永磁体一表面的法向矢量，μ0为真空磁导率，Rot(α,β)是与欧拉角(α,β)对应的旋转矩阵，Rot’(α,β)是Rot(α,β)的逆矩阵；步骤503.Rot(α,β)具体表达形式如下：Rot(α,β)=1000cosα-sinα0sinαcosαcosβ0sinβ010-sinβ0cosβ]]>步骤504.根据步骤502及503获得永磁体一当前的姿态(α,β)及转轴位置。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：转轴带动球壳相对上底座、永磁体二及下底座转动，实现转轴的多自由度转动；上下永磁体的极化方向相反，排斥力可以抵消掉转轴的一部分重力，减小转轴对轴承接触部位的正压力进而减小摩擦，降低磨损、延长轴承寿命、减小振动和噪声；在下底座与球壳接触面设置磁流变液，磁流变液可以充满机械部件间的间隙，起到良好的润滑作用，减小摩擦，降低机械部件的磨损，同时降低系统密封性能的要求；通过霍尔传感器检测及映射关系，方便快捷地获得转轴位置。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的转轴姿态欧拉角定义结构示意图；图3为本专利技术的磁场和姿态映射关系结构示意图。具体实施方式本专利技术的主旨在于克本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：包括永磁体一(2)、永磁体二(7)、转轴(8)、球壳(1)、上底座(3)、下底座(4)及霍尔传感器(6)；所述永磁体一(2)封装于球壳(1)内，永磁体二(7)固设于下底座(4)上，霍尔传感器(6)设置于永磁体二(7)上；所述下底座(4)上设置开口朝上的凹槽，球壳(1)一端嵌装于下底座(4)的凹槽内，球壳(1)的另一端伸出上底座(3)与一转轴(8)固定连接，转轴(8)带动球壳(1)相对上底座(3)、永磁体二(7)及下底座(4)转动。

【技术特征摘要】
1.一种自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：包括永磁体一(2)、
永磁体二(7)、转轴(8)、球壳(1)、上底座(3)、下底座(4)及霍尔
传感器(6)；所述永磁体一(2)封装于球壳(1)内，永磁体二(7)固
设于下底座(4)上，霍尔传感器(6)设置于永磁体二(7)上；所述下
底座(4)上设置开口朝上的凹槽，球壳(1)一端嵌装于下底座(4)的
凹槽内，球壳(1)的另一端伸出上底座(3)与一转轴(8)固定连接，
转轴(8)带动球壳(1)相对上底座(3)、永磁体二(7)及下底座(4)
转动。
2.根据权利要求1所述的自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：
所述永磁体一(2)与永磁体二(7)相邻两个极端的极性设置为同极，构
成同极相斥结构。
3.根据权利要求2所述的自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：
所述永磁体一(2)为圆柱型永磁体。
4.根据权利要求2所述的自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：
所述永磁体二(7)为圆柱型永磁体，且圆柱型永磁体的中部设置通孔，
霍尔传感器(6)置于通孔内。
5.根据权利要求4所述的自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：
所述永磁体二(7)通过过盈配合与下底座(4)固定连接。
6.根据权利要求4所述的自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：
所述霍尔传感器(6)为三轴霍尔传感器。
7.根据权利要求1所述的自带姿态传感的永磁球关节，其特征在于：
所述下底座(4)上设置与球壳(1)等半径的凹槽，且下底座(4)与球
壳(1)接触面设置磁流变液(5)。
8.一种应用权利要求1-7中任一项所述的自带姿态传感的永磁球关
节的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.设置转轴的姿态用欧拉角(α,β)表示，转轴带动球壳转动的运动

\t范围是-α0≤α≤α0、-β0≤β≤β0。
步骤2.设置永磁体一在霍尔传感器处产生的磁感应强度记为Bp1，永
磁体二在霍尔传感器处产生的磁感应强度记为Bp2，霍尔传感器测量到的
磁感应强度位B；
步骤3.霍尔传感器测量获得当前磁感应强度B；
步骤4.根据磁感应强度矢量叠加定律，磁感应强度B的计算公式为
B＝Bp1+Bp2，因永磁体二的位置保持不变，磁感应强度Bp2为固定值；
步骤5，计算获得永磁体一在霍尔传感器处产生的磁感应强度为Bp...

【专利技术属性】
技术研发人员：白坤，李国民，赵杰，王瑜辉，张超，
申请(专利权)人：东莞思谷数字技术有限公司，华中科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44