|
三維球形電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)的研究與發(fā)展
王群京1，錢(qián)喆1，郭中醒2
(1合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009；2中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所．上海200233)
摘要：闡述了目前球形電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)系統(tǒng)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，探討了這種位置檢測(cè)系統(tǒng)的研究方向，并提…采用機(jī)器視覺(jué)的方法來(lái)獲取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)位置，即可以采用視覺(jué)傳感器來(lái)獲取轉(zhuǎn)子位置圖像并通過(guò)分析計(jì)算而得到轉(zhuǎn)子位置。
關(guān)鍵詞：球形電動(dòng)機(jī)；位置檢測(cè)系統(tǒng)；機(jī)器視覺(jué)；視覺(jué)傳感器
中圖分類號(hào)：TM35 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2009)12—0065—05
O引 言
隨著現(xiàn)代工業(yè)與科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，機(jī)器人、機(jī)械于等做空間復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的精密機(jī)械裝置得到了廣泛的應(yīng)用，這類裝置往往要完成空間的多維運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的多維機(jī)構(gòu)是用多個(gè)單自由度驅(qū)動(dòng)單元和復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。雖然這些裝置能滿足復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制的要求，但是系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大增加，而且控制系統(tǒng)的體積龐大、效率低下、響應(yīng)遲緩、動(dòng)態(tài)性能較差：機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪間隙積累導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的精度下降，甚至影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這些問(wèn)題的出現(xiàn)推動(dòng)了多維電動(dòng)機(jī)的研究與發(fā)展，同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展和控制理論、電機(jī)理論的研究的不斷深入和各種新材料的出現(xiàn)和制造工藝水平的提高，為多維電動(dòng)機(jī)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的各種多自由度電動(dòng)機(jī)中，球形結(jié)構(gòu)電動(dòng)機(jī)占主導(dǎo)地位。目前，國(guó)內(nèi)外提出了多種球形電動(dòng)機(jī)方案，如：Laithaite等提出感應(yīng)球形電動(dòng)機(jī)[1]；Lee等提出變磁阻型球形電動(dòng)機(jī)[2]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的正交圓柱結(jié)構(gòu)艤氣隙共磁鋼三自由度電動(dòng)機(jī)[3]；華中科技大學(xué)黃聲華等提出的雙饋球形電動(dòng)機(jī)[4]；美國(guó)Johns H叩bns大學(xué)Gregow s ch試酥an和DaⅥstein等提出永磁球形電動(dòng)機(jī)[5]。球形電動(dòng)機(jī)可以大大簡(jiǎn)化多維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度，提高響應(yīng)和定位精度，應(yīng)用前景廣闊。
引人多自由度電動(dòng)機(jī)的目的是要實(shí)現(xiàn)多自由度的空間運(yùn)動(dòng)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度看球形結(jié)構(gòu)最有利于多維運(yùn)動(dòng)。然而要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子精確定位，反饋控制環(huán)節(jié)必不可少。對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)成為實(shí)現(xiàn)反饋控制的關(guān)鍵技術(shù)之一，成為迫切需要解決的問(wèn)題。然而球形電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同于一般的單自由度電動(dòng)機(jī)。由于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，常用于單自由電動(dòng)機(jī)的位置檢測(cè)方法不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用于多自由度電動(dòng)機(jī)。
本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的多維球形電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)方法加以概述，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理加以分析，并對(duì)我們以前的工作進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
1多維球形電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)研究與發(fā)展現(xiàn)狀
從目前研究的多維球形電動(dòng)機(jī)來(lái)看，各有特點(diǎn)， 結(jié)構(gòu)方面有相類似之處。對(duì)三維球形電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)裝置主要有以下四種：
(1)滑軌支架測(cè)量系統(tǒng)，支架上的三個(gè)光電編碼器輸出位置信號(hào)；
(2)球形轉(zhuǎn)子表面用黑白兩種顏色編碼，并用展多個(gè)光電傳感器接收信號(hào)[6]；
(3)通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取轉(zhuǎn)子圖像,通過(guò)分析圖象得到轉(zhuǎn)子位置[7];
(4)雙光學(xué)傳感器檢測(cè)球形轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的增量通過(guò)計(jì)算得到轉(zhuǎn)子的位置[8-9]。
其中(1)為接觸式，(2)、(3)、(4)為非接觸式。接觸式測(cè)量系統(tǒng)由于轉(zhuǎn)子與導(dǎo)軌相連接，增加了摩擦阻力，影響轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和定位精度。非接觸式可以避免與轉(zhuǎn)子相連接，但是測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)較復(fù)雜。非接觸式位置測(cè)量系統(tǒng)是發(fā)展趨勢(shì)。
1991年K0k—Meng Lee等人在以前研究球形電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展丫步進(jìn)型球形電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想。在他們所提出的原型中，轉(zhuǎn)子位置測(cè)量裝置采用一套滑軌支架測(cè)量系統(tǒng)：該系統(tǒng)包括兩個(gè)圓形滑軌支架、一個(gè)滑塊和三個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，如圖1所示。測(cè)量系統(tǒng)用三個(gè)獨(dú)立的增量式光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。此裝置為接觸式測(cè)量系統(tǒng)，三個(gè)獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在與轉(zhuǎn)子相連的軌支架上。他們對(duì)這種帶有滑軌支架測(cè)量系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并給出了正和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法。旋轉(zhuǎn)編碼器為增量式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置為編碼器讀數(shù)加上一步的轉(zhuǎn)子位置，所以重新起動(dòng)時(shí)，要存儲(chǔ)起動(dòng)前 |
