一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量方法

摘要

本发明公开了一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量方法。现有球面铰链自由度检测方法所要构建系统复杂，相关技术还不成熟。本发明的绝对式旋转编码器测出输出杆绕自身轴线的转角；根据球头底部的第一球冠形传感电容电极和球窝底部的第二球冠形电容电极间的有效重叠面积解得输出杆和竖直轴正向的夹角；根据具有最大电容值的第四球冠形电容电极及其与对应的第三球冠形电容电极间的电容值变化、电容值不为零的弧形传感电容电极的编号，求解输出杆在水平面上的投影与水平轴正向的夹角。本发明基于球冠形电容极板间的面积变化引起输出电容变化的原理，对球面铰链运动的三个自由度进行求解，算法简单。

主权项

一种基于球面电容的球面铰链运动方位测量方法，其特征在于：在球面铰链的球头底部布置第一球冠形传感电容电极，球窝底部布置第二球冠形电容电极；第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极的大小相同；在球头的赤道圆周上均匀布置2n个第三球冠形电容电极，球窝的赤道圆周上布置2n个第四球冠形电容电极，n为正整数；第三球冠形电容电极、第四球冠形电容电极的球冠对应圆心角均为θ₀；其中，两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为1.5θ₀，另两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为2.5θ₀，其余每两个相邻第四球冠形电容电极中心间对应的圆心角为2θ₀；在球窝紧贴第二球冠形电容电极的顶部圆周处均匀布置四个弧形传感电容电极，第二球冠形电容电极与四个弧形传感电容电极均相互绝缘；将绝对式旋转编码器的码盘固定在球面铰链的输出杆上；第一球冠形传感电容电极和所有的第四球冠形电容电极均加载电压V_INPUT；四个弧形传感电容电极均加载电压V′_INPUT；第二球冠形电容电极和所有的第三球冠形电容电极均加载电压0；球面铰链运动具有三个自由度，可表示为球面铰链的输出杆与竖直轴正向的夹角ψ、输出杆在水平面上的投影与水平轴正向的夹角θ和输出杆绕自身轴线的转角；其中绝对式旋转编码器能测出输出杆绕自身轴线的转角；当输出杆倾斜时，第一球冠形传感电容电极和第二球冠形电容电极间的有效重叠面积改变，导致其电容值变化，可以解得输出杆和竖直轴正向的夹角ψ；对所有的第四球冠形电容电极分别编号，依次为1,2,...,2n；当输出杆倾斜时，球头赤道面和球窝赤道面始终有两个交点，其对应编号为N和N+n的第四球冠形电容电极检测到最大的电容值，则输出杆在水平面上的投影与水平轴正向的夹角θ＝(N‑1)×2θ₀+Δθ+k×180°；其中，1≤N≤n，Δθ表示球头和球窝的赤道面交点偏离编号N的第四球冠形电容电极中心的角度，其值由编号N和编号N+n的第四球冠形电容电极与对应的第三球冠形电容电极间的电容值求出；k＝0或1，可根据检测到电容值不为零的弧形传感电容电极所在的位置编号判断出k的取值，从而确定θ的值。