【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于传感器领域，尤其涉及一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器以及多自由度电机姿态检测方法。
技术介绍
1、随着工业自动化的迅速发展和人工成本的提高，可以在个多自由度上完成高精度伺服运动的工业机器人、工业云台等装置获得了大规模应用。现有多自由度运动装置主要由多个单自由度运动装置通过传动机构组合而成，存在机械结构复杂、转动惯量较大、动态响应精度低等问题。单个机构可以完成偏转、俯仰运动的多自由度电机因其球形结构设计紧凑、无需机械传动、原理简单而受到广泛关注。
2、为实现对多自由度电机的高精度实时闭环控制，需要解决三大问题：一是建立电磁转矩模型；二是完成实时姿态检测；三是实现高速驱动控制。系统闭环控制精度与实时姿态检测精度正相关，传统姿态检测方法按照检测装置是否与转子发生接触，可以分为检测装置与转子互联的接触检测、检测装置与转子分离的无接触检测、无专门检测装置的无传感器检测三大类。其中，无接触检测能更好地适应多自由度电机的特殊球形结构且不影响其运转，常用方法有四种：
3、其一，在电机球形转子表面喷涂特征编码，采用视觉传感器识别特征编码进而解算转子姿态；
4、其二，通过布设光学传感器捕捉电机球形转子表面反射的光信号，光学传感器将光信号转换为位移信号进而解算转子姿态；
5、其三，在与转子连接的输出轴上安装微机电传感器系统，输出三轴加速度、速度、欧拉角，进而解算转子姿态；
6、其四，通过布设霍尔传感器检测转子磁极的磁场分布，分析传感器输出编码解算转子姿态。p>
7、现有技术的缺点具有以下缺点：
8、(1)视觉传感器法需采集大量图像进行分析处理，受处理速度影响，在线姿态检测难以实现，难以用于多自由度电机闭环控制；
9、(2)光学传感器法需靠近转子布设传感器，捕捉转子表面反射的光信号，容易产生运动奇点，不利于多自由度电机在多个自由度上实现运动；
10、(3)微机电传感器法的输出信号存在随时间累积的零点偏移误差，需经常校正误差，在多自由度电机实际控制过程中适用性不佳；
11、(4)霍尔传感器法需靠近磁极布设传感器组，受电机内空间限制，霍尔传感器无法实现密布，检测精度受限。
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器。基于此传感器的多自由度电机无接触姿态检测具有较高的响应速度，有效改善视觉传感器检测过程中存在的延时问题，可以完成在线姿态检测并应用于多自由度电机的控制环节；无需在多自由度电机内布设器件，仅需在电机输出轴上安装激光源即可实现电机姿态检测，有效避免光学传感器法存在的运动奇点问题和霍尔传感器法存在的精度问题；基于激光源的良好指向性，以及输入传感器的光信号与输出电信号间稳定的映射关系，此传感器具有良好的检测精度和稳定性，可有效避免微机电传感器法存在的零点偏移误差问题；检测精度随着电机运动单位角度时激光扫过的感光单元数增加而提升。在传感器尺寸和安装位置保持不变的条件下，可以通过缩小感光单元尺寸以提升感光单元布设密度，提升检测精度；在感光单元尺寸和布设密度保持不变的条件下，增大传感器与多自由度电机间的安装距离，同时增加感光单元数量，提升检测精度。因此传感器的检测精度稳定且可控。
2、本专利技术提供一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器，通过检测多自由度电机输出轴上发出的激光在传感器上的照射位置，实现对多自由度电机的姿态检测。由三部分组件构成，分别是：感光模块，用于接收来自多自由度电机的激光信号并实现光电转换；信号采集模块，将感光模块产生的n*n个电压信号通过行、列信号总线转换为2*n个电压信号，降低信号采集压力；模数转换模块，将信号采集模块输出的2*n个电压信号转换为数字量传输至上位机，实现姿态检测。
3、进一步，感光模块由三部分组件构成，分别是：正电极线路、硫化镉、负电极线路；n+1行和n+1列正电极线路宽度为r，围成n*n个宽度为c的方格，方格中心打孔后插入n*n条负电极线路；硫化镉层附着在陶瓷基板上，与正、负电极线路共同构成n*n个感光单元。
4、进一步，感光模块上的感光单元受多自由度电机输出轴上发出的激光源照射时，感光单元内硫化镉产生内光电效应致使其电阻显著降低，正电极线路与负电极线路间电阻降低；所述多自由度电机姿态检测传感器通过检测这种基于内光电效应导致的电阻变化，实现光信号到电信号的转换。
5、进一步，信号采集模块采用印刷电路，印刷电路存在n*n组相互独立的电阻-二极管组件；感光模块上的负电极线路与信号采集模块上的n*n个负电极线路焊盘分别联通，与电阻-二极管组件中的分压电阻r构成n*n个分压电路，分压电阻r的另一端接地线；信号采集模块中二极管的作用是实现行、列信号总线的信号隔离，同时将n*n个分压电路间信号隔离，以确保稳定检测；负电极线路焊盘位于分压电路中点，此处设为信号采集点，当硫化镉受到激光照射时，信号采集点电压被拉高，此时两个二极管同时导通，分别独立向对应行、列信号总线送出被拉高的电压信号，反之总线电压趋近0，电压信号由n*n转变为2*n个，实现信号采集数量的降维。
6、进一步，模数转换模块采集信号采集模块上的2*n个电压信号，将模拟量转换为数字量u传输至上位机，组成电压矩阵u，上位机根据预设的电压阈值d对电压矩阵u中的元素判断并编码，编码的约束条件为：
7、
8、电压矩阵u为：
9、
10、形成编码矩阵τ；
11、
12、上位机根据编码矩阵τ判断传感器上受到激光源照射的感光单元所在位置，结合传感器与受检多自由度电机的相对安装位置，解算电机的实时姿态。
13、进一步，提供一种基于所述的传感器的多自由度电机姿态检测方法，包括以下步骤，
14、步骤1，多自由度电机输出轴上的激光源照射传感器感光模块，
15、步骤2，感光模块上的感光单元内硫化镉电阻降低；
16、步骤3，信号采集模块上，受激光源照射的分压电路的信号采集点电压被拉高；
17、步骤4、二极管导通并拉高对应行、列信号总线电压，其余行、列信号总线电压趋近0；
18、步骤5，n*n个电压信号通过行、列信号总线转换为2*n个电压信号；
19、步骤6；模数转换模块采集行、列信号总线上的2*n个电压信号；
20、步骤7；将电压信号模拟量转换为数字量u传输至上位机，上位机根据预设的电压阈值d对电压矩阵u中的元素判断并编码，编码的约束条件为：
21、
22、电压矩阵u为：
23、
24、形成编码矩阵τ；
25、
26、步骤8；上位机根据编码矩阵τ判断传感器上受到激光源照射的感光单元所在位置，当有一个感光单元受到照射时，对应的编码矩阵中的τi、τj被编码为1，其他位置的τi、τj编码为0；根据感光模本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器，通过检测多自由度电机输出轴上发出的激光在传感器上的照射位置，实现对多自由度电机的姿态检测；其特征在于，由三部分组件构成，分别是：感光模块，用于接收来自多自由度电机的激光信号并实现光电转换；信号采集模块，将感光模块产生的N*N个电压信号通过行、列信号总线转换为2*N个电压信号，降低信号采集压力；模数转换模块，将信号采集模块输出的2*N个电压信号转换为数字量传输至上位机进行信号解算以实现姿态检测。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，感光模块由三部分组件构成，分别是：正电极线路、硫化镉、负电极线路；N+1行和N+1列正电极线路宽度为r，围成N*N个宽度为c的方格，方格中心打孔后插入N*N条负电极线路；硫化镉层附着在陶瓷基板上，与正、负电极线路共同构成N*N个感光单元。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，感光模块上的感光单元受多自由度电机输出轴上发出的激光源照射时，感光单元内硫化镉产生内光电效应致使其电阻显著降低，正电极线路与负电极线路间电阻降低；所述多自由度电机姿态检测传感器通过检测这种
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，信号采集模块采用印刷电路，印刷电路存在N*N组相互独立的电阻-二极管组件；感光模块上的负电极线路与信号采集模块上的N*N个负电极线路焊盘分别联通，与电阻-二极管组件中的分压电阻R构成N*N个分压电路，分压电阻R的另一端接地线；信号采集模块中二极管的作用是实现行、列信号总线的信号隔离，同时将N*N个分压电路间信号隔离，以确保稳定检测；，负电极线路焊盘位于分压电路中点，此处设为信号采集点，当硫化镉受到激光照射时，信号采集点电压被拉高，此时两个二极管同时导通，分别独立向对应行、列信号总线送出被拉高的电压信号，反之信号总线电压趋近0，电压信号由N*N转变为2*N个，实现信号采集数量的降维。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，模数转换模块采集信号采集模块上的2*N个电压信号，将模拟量转换为数字量u传输至上位机，组成电压矩阵u，上位机根据预设的电压阈值d对电压矩阵u中的元素判断并编码，编码的约束条件为：
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的传感器的多自由度电机姿态检测方法，其特征在于，包括以下步骤，
...【技术特征摘要】
1.一种基于光敏半导体材料的多自由度电机姿态检测传感器，通过检测多自由度电机输出轴上发出的激光在传感器上的照射位置，实现对多自由度电机的姿态检测；其特征在于，由三部分组件构成，分别是：感光模块，用于接收来自多自由度电机的激光信号并实现光电转换；信号采集模块，将感光模块产生的n*n个电压信号通过行、列信号总线转换为2*n个电压信号，降低信号采集压力；模数转换模块，将信号采集模块输出的2*n个电压信号转换为数字量传输至上位机进行信号解算以实现姿态检测。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，感光模块由三部分组件构成，分别是：正电极线路、硫化镉、负电极线路；n+1行和n+1列正电极线路宽度为r，围成n*n个宽度为c的方格，方格中心打孔后插入n*n条负电极线路；硫化镉层附着在陶瓷基板上，与正、负电极线路共同构成n*n个感光单元。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，感光模块上的感光单元受多自由度电机输出轴上发出的激光源照射时，感光单元内硫化镉产生内光电效应致使其电阻显著降低，正电极线路与负电极线路间电阻降低；所述多自由度电机姿态检测传感器通过检测这种基于内光电效应导致的电阻变化...
【专利技术属性】
技术研发人员：王群京，李浩霖，李国丽，文彦，韩琪玥，周睿，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：
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