一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈。傳統的球鉸鏈角度測量方式復雜，難以保證高測量精度。本發明的兩塊弧形滑塊均與球頭的滑槽通過滾動副連接；固定在兩塊弧形滑塊的兩根銷軸分別支承在球窩底座的一個銷軸孔內；球頭連接桿與球頭固定，輸出桿的支承孔支承在球頭連接桿上；滑槽底部設有電容電極陣列；銷軸上設有四個第二電容電極組；球頭連接桿上設有四個第三電容電極組；弧形滑塊的內側、球窩的銷軸孔孔壁和輸出桿的支承孔孔壁均設有電容傳感電極對。本發明可實現球鉸鏈空間回轉角度及偏移量的非接觸式檢測，且算法簡單、精度高。
【專利說明】-種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈
【技術領域】
[0001] 本發明屬于測量【技術領域】，具體涉及一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球 鉸鏈。
【背景技術】
[0002] 球鉸鏈是一種普遍采用的三自由度機械關節，具有結構緊湊、運動靈活和承載力 強等優點，成為并聯機構、工業機器人（機械臂）和汽車零部件等機械設備中的關鍵構件 。例如，并聯機床作為新型的數控加工裝備，其中每一個支鏈均通過鉸鏈與動、靜平臺相連， 系統的準靜態誤差對機床精度的影響約占70%，而球鉸鏈誤差對準靜態誤差有著重要影響 。由于球鉸鏈的運動受制于鉸鏈的關節間隙和結構剛性等，引起的運動誤差影響系統的傳 動精度，因此球鉸空間回轉角度的檢測對系統誤差預測分析、反饋和補償十分必要，有利于 運動機構控制的優化。 傳統的角度測量由以單自由度運動對象為主，通常有機械式測角、電磁式測角和光學 測角等方法。球鉸鏈空間回轉角度的測量對象是在約束球窩中繞球心進行三自由度轉動 的球形轉子，傳統的單自由度角位移檢測方法難以直接應用，許多研究者針對相關問題提 出一些新的方法和機構。當前，球形轉子的運動位姿測量按照測量方式可分為接觸式和非 接觸式。其中，接觸式測量方案的主要代表有采用滑軌支架機構和三個旋轉編碼器實現測 量結構上解耦，轉化為單自由度測量問題；非接觸式測量結構主要是基于光學傳感器、視覺 傳感器和霍爾傳感器等原理進行設計，從數據處理上實現多自由度角位移的解耦測量。 然而上述檢測方法所要構建系統比較復雜，測量數據的處理難度較大，難以保證較高 的測量精度，且在實際應用中對于安裝空間和工作環境等有較高的要求，要投入較大的成 本，研究方案有明顯的局限性。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種可測空間三自由度回轉角及偏移 量的球鉸鏈，基于柱面形電容極板間的面積變化引起輸出電容變化的原理，以實現球鉸鏈 運動角度測量為目標，在普通球鉸鏈的基礎上布置柱面電容電極，從結構上實現對球鉸鏈 三自由度回轉角度的解耦和測量。 本發明采用的技術方案是： 本發明包括球窩底座、球頭、球頭連接桿、輸出桿、弧形滑塊、銷軸和空間回轉角測量裝 置；所述的空間回轉角測量裝置包括電容電極陣列、第二電容電極組、第三電容電極組、第 一電容傳感電極對、第二電容傳感電極對、第三電容傳感電極對、第四電容傳感電極對、第 五電容傳感電極對、第六電容傳感電極對、第七電容傳感電極對、第八電容傳感電極對、第 九電容傳感電極對、第十電容傳感電極對、第i^一電容傳感電極對和第十二電容傳感電極 對。
[0004] 所述球窩底座的球窩兩側對稱開設有銷軸孔；所述球頭的頂部與球頭連接桿固 定，側部開設有圓弧形的滑槽；兩塊弧形滑塊設置在滑槽的兩端，且均與滑槽的兩側壁通過 滾動副連接；所述弧形滑塊的外側固定有銷軸；球頭嵌入球窩內，兩根銷軸通過軸承支承 在兩個銷軸孔內；所述輸出桿的支承孔通過軸承支承在球頭連接桿上。
[0005] 所述滑槽的底部設有對稱布置的兩個電容電極陣列；電容電極陣列包括沿滑槽的 槽寬方向等距布置的四個第一電容電極組，每個第一電容電極組包括沿滑槽的槽長方向等 距布置的10?12個第一電容電極；所述弧形滑塊的內側設置有第一電容傳感電極對、第二 電容傳感電極對、第三電容傳感電極對和第四電容傳感電極對；第一電容傳感電極對包括 沿滑槽的槽寬方向對齊設置且并聯連接的第一電容傳感電極C θ χ--和第二電容傳感電極 C Θ X12 ;第二電容傳感電極對包括沿滑槽的槽寬方向對齊設置且并聯連接的第三電容傳感 電極C θ χ21和第四電容傳感電極C θ χ22 ;第三電容傳感電極對包括沿滑槽的槽長方向對 齊設置且并聯連接的第五電容傳感電極C δ xll和第六電容傳感電極C δ χ12 ;第四電容傳 感電極對包括沿滑槽的槽長方向對齊設置且并聯連接的第七電容傳感電極C δ χ21和第八 電容傳感電極C δ χ22。
[0006] 所述的銷軸上設有沿銷軸軸向等距布置的四個第二電容電極組，每個第二電容電 極組包括沿銷軸周向均布的5?7個第二電容電極；球窩的銷軸孔孔壁設有第五電容傳感 電極對、第六電容傳感電極對、第七電容傳感電極對和第八電容傳感電極對；第五電容傳感 電極對包括沿銷軸孔軸向對齊設置且并聯連接的第九電容傳感電極C Θ yll和第十電容傳 感電極C Θ yl2 ;第六電容傳感電極對包括沿銷軸孔軸向對齊設置且并聯連接的第十一電 容傳感電極C Θ y21和第十二電容傳感電極C Θ y22 ;第七電容傳感電極對包括沿銷軸孔周 向對齊設置且并聯連接的第十三電容傳感電極C δ yll和第十四電容傳感電極C δ yl2 ;第 八電容傳感電極對包括沿銷軸孔周向對齊設置且并聯連接的第十五電容傳感電極CS y21 和第十六電容傳感電極C δ y22。
[0007] 所述的球頭連接桿上設有沿軸向等距布置的四個第三電容電極組；每個第三電容 電極組包括沿球頭連接桿周向均布的5?7個第三電容電極；輸出桿的支承孔孔壁設有 第九電容傳感電極對、第十電容傳感電極對、第i^一電容傳感電極對和第十二電容傳感電 極對；第九電容傳感電極對包括沿支承孔軸向對齊設置且并聯連接的第十七電容傳感電 極C Θ Zll和第十八電容傳感電極C Θ Z12 ;第十電容傳感電極對包括沿支承孔軸向對齊設 置且并聯連接的第十九電容傳感電極C θ z21和第二十電容傳感電極C θ z22 ;第^^一電容 傳感電極對包括沿支承孔周向對齊設置且并聯連接的第二十一電容傳感電極C δ zll和第 二十二電容傳感電極CS ζ12 ;第十二電容傳感電極對包括沿支承孔周向對齊設置且并聯 連接的第二十三電容傳感電極C δ z21和第二十四電容傳感電極C δ z22。
[0008] 所述第一電容電極沿滑槽的槽寬方向上的弧長、沿滑槽的槽長方向上的弧長以 及相鄰兩個第一電容電極的間距均為P 1 ;第二電容傳感電極C Θ Xl2和第四電容傳感電 極C θ χ22沿滑槽的槽長方向對齊設置，且第二電容傳感電極C θ χ?2與第一電容傳感電極 C Θ xll、第四電容傳感電極C θ χ22與第三電容傳感電極C θ χ21的間距均為2Pi ;第一電容 傳感電極C Θ xll與第三電容傳感電極C θ χ21的間距為I. SP1 ;第六電容傳感電極C δ χ12 和第八電容傳感電極C δ Χ22沿滑槽的槽寬方向對齊設置，且第六電容傳感電極C δ Χ12與 第五電容傳感電極C δ xll、第八電容傳感電極C δ Χ22與第七電容傳感電極C δ X21的間距 均為2Pi ;第五電容傳感電極C δ xll與第七電容傳感電極C δ X21的間距為I. 5Plt)
[0009] 所述第二電容電極沿銷軸周向的弧長、沿銷軸軸向的長度以及相鄰兩個第二電容 電極的間距均為P 2 ;第十電容傳感電極C Θ y12和第十二電容傳感電極C Θ y22沿銷軸孔周 向對齊設置，且第十電容傳感電極C Θ y12與第九電容傳感電極C Θ yll、第十二電容傳感電 極C Θ y22與第十一電容傳感電極C Θ y21的間距均為2P2 ;第九電容傳感電極C Θ yll與第 i^一電容傳感電極C Θ y21的間距為I. 5P2 ;第十四電容傳感電極C δ yl2和第十六電容傳感 電極C δ y22沿銷軸孔軸向對齊設置，且第十四電容傳感電極C δ yl2與第十三電容傳感電 極C δ yll、第十六電容傳感電極C δ y22與第十五電容傳感電極C δ y21的間距均為2P2 ;第 十三電容傳感電極C δ yll與第十五電容傳感電極C δ y21的間距為I. 5P2。
[0010] 所述第三電容電極沿球頭連接桿周向的弧長、沿球頭連接桿軸向的長度以及相 鄰兩個第三電容電極的間距均為P 3 ;第十八電容傳感電極C θ Z12和第二十電容傳感電 極C θ Z22沿支承孔周向對齊設置，且第十八電容傳感電極C Θ Zl2與第十七電容傳感電極 Ce zll、第二十電容傳感電極C0 Z22與第十九電容傳感電極Ce z21的間距均為2P3 ;第 十七電容傳感電極C Θ zll與第十九電容傳感電極C ΘΖ21的間距為1.5P3;第二十二電容 傳感電極C δ zl2和第二十四電容傳感電極C δ z22沿支承孔軸向對齊設置，且第二十二電 容傳感電極CS zl2與第二^^一電容傳感電極C δ zll、第二十四電容傳感電極CS z22與第 二十三電容傳感電極C δ z21的間距均為2P3 ;第二i^一電容傳感電極C δ zll與第二十三電 容傳感電極C δ z21的間距為I. 5Ρ3。 toon] 本發明的有益效果是： 1、 本發明根據電容極板間的面積變化引起輸出電容變化的原理，布置柱面電容電極， 實現了球鉸鏈空間三自由度轉動角位移和三自由度竄動線位移的非接觸式檢測。 2、 本發明結構緊湊，對測量裝置的安裝空間要求降低。
[0012] 3、本發明采用電容測量角度，算法簡單、精度高、成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明的整體結構立體圖； 圖2為本發明中所有電容電極組和電容傳感電極對的分布立體圖； 圖3為本發明中弧形滑塊與球頭的裝配示意圖； 圖4為本發明中弧形滑塊的電容傳感電極對與球頭的電容電極陣列的相對位置立體 圖； 圖5為本發明中弧形滑塊的電容傳感電極對與球頭的電容電極陣列的相對位置展開 示意圖； 圖6為本發明中銷軸與球窩底座的裝配示意圖； 圖7為本發明中球窩的電容傳感電極對與銷軸的第二電容電極組的相對位置立體圖； 圖8為本發明中球窩的電容傳感電極對與銷軸的第二電容電極組的相對位置展開示 意圖； 圖9為本發明中球頭連接桿與輸出桿的裝配示意圖； 圖10為本發明中輸出桿的電容傳感電極對與球頭連接桿的第三電容電極組的相對位 置立體圖； 圖11為本發明中輸出桿的電容傳感電極對與球頭連接桿的第三電容電極組的相對位 置展開示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 如圖1和2所示，一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈，包括球窩底座 1、球頭2、球頭連接桿3、輸出桿4、弧形滑塊5、銷軸12和空間回轉角測量裝置；空間回轉角 測量裝置包括電容電極陣列、第二電容電極組、第三電容電極組、第一電容傳感電極對、第 二電容傳感電極對、第三電容傳感電極對、第四電容傳感電極對、第五電容傳感電極對、第 六電容傳感電極對、第七電容傳感電極對、第八電容傳感電極對、第九電容傳感電極對、第 十電容傳感電極對、第i^一電容傳感電極對和第十二電容傳感電極對。
[0015] 如圖1、2、4、6和9所示，球窩底座1的球窩1-1兩側對稱開設有銷軸孔1-2 ;球頭 2的頂部與球頭連接桿3固定，側部開設有圓弧形的滑槽11 ;兩塊弧形滑塊5設置在滑槽11 的兩端，且均與滑槽11的兩側壁通過滾動副連接，使得弧形滑塊5沿滑槽11運動時摩擦力 較小，同時保證弧形滑塊5和滑槽11的兩側密切接觸以及弧形滑塊5內側與滑槽11底部 的間隙不變；弧形滑塊5的外側固定有銷軸12 ;球頭2嵌入球窩1-1內，兩根銷軸12通過 滾動軸承10支承在兩個銷軸孔1-2內；輸出桿4的支承孔4-1通過交叉滾子軸承9支承在 球頭連接桿3上。
[0016] 如圖3、4和5所不，滑槽11的底部設有對稱布置的兩個電容電極陣列；電容電極 陣列包括沿滑槽11的槽寬方向等距布置的四個第一電容電極組，每個第一電容電極組包 括沿滑槽11的槽長方向等距布置的十個第一電容電極7 ;第一電容電極7沿滑槽11的槽 寬方向上的弧長、沿滑槽11的槽長方向上的弧長以及相鄰兩個第一電容電極7的間距均 為P 1 ;弧形滑塊5的內側設置有第一電容傳感電極對、第二電容傳感電極對、第三電容傳感 電極對和第四電容傳感電極對；第一電容傳感電極對包括沿滑槽11的槽寬方向對齊設置 且并聯連接的第一電容傳感電極C Θ xll和第二電容傳感電極C θ χ?2 ;第二電容傳感電極 對包括沿滑槽11的槽寬方向對齊設置且并聯連接的第三電容傳感電極C θ χ21和第四電 容傳感電極C Θ X22 ;第三電容傳感電極對包括沿滑槽11的槽長方向對齊設置且并聯連接 的第五電容傳感電極C δ xll和第六電容傳感電極C δ χ12 ;第四電容傳感電極對包括沿滑 槽11的槽長方向對齊設置且并聯連接的第七電容傳感電極C δ χ21和第八電容傳感電極 CS χ22 ;第二電容傳感電極C θ χ12和第四電容傳感電極C θ χ22沿滑槽11的槽長方向對齊 設置，且第二電容傳感電極C θ χ12與第一電容傳感電極C Θ xll、第四電容傳感電極C θ χ22 與第三電容傳感電極C θ χ21的間距均為2Pi ;第一電容傳感電極C Θ xll與第三電容傳感電 極C θ χ21的間距為I. SP1 ;第六電容傳感電極C δ χ12和第八電容傳感電極C δ χ22沿滑槽 11的槽寬方向對齊設置，且第六電容傳感電極C δ xl2與第五電容傳感電極C δ xll、第八電 容傳感電極C δ χ22與第七電容傳感電極C δ χ21的間距均為2Pi ;第五電容傳感電極C δ xll 與第七電容傳感電極C δ X21的間距為I. SP1 ;第一電容傳感電極對、第二電容傳感電極對 用于檢測球頭2繞圖1所示X軸的轉角θ χ，第三電容傳感電極對和第四電容傳感電極對用 于檢測球頭2沿X軸的竄動量δ χ。
[0017] 如圖6、7和8所示，銷軸12上設有沿銷軸12的軸向等距布置的四個第二電容電 極組，每個第二電容電極組包括沿銷軸12周向均布的五個第二電容電極8 ;第二電容電極8 沿銷軸12周向的弧長、沿銷軸12軸向的長度以及相鄰兩個第二電容電極8的間距均為P2 ; 球窩的銷軸孔1-2孔壁設有第五電容傳感電極對、第六電容傳感電極對、第七電容傳感電 極對和第八電容傳感電極對；第五電容傳感電極對包括沿銷軸孔1-2軸向對齊設置且并聯 連接的第九電容傳感電極C Θ yll和第十電容傳感電極C Θ yl2 ;第六電容傳感電極對包括 沿銷軸孔1-2軸向對齊設置且并聯連接的第十一電容傳感電極C Θ y21和第十二電容傳感 電極C Θ y22 ;第七電容傳感電極對包括沿銷軸孔1-2周向對齊設置且并聯連接的第十三電 容傳感電極C δ yll和第十四電容傳感電極C δ yl2 ;第八電容傳感電極對包括沿銷軸孔1-2 周向對齊設置且并聯連接的第十五電容傳感電極C δ y21和第十六電容傳感電極C δ y22 ; 第十電容傳感電極C Θ yl2和第十二電容傳感電極C Θ y22沿銷軸孔1-2周向對齊設置，且 第十電容傳感電極C Θ yl2與第九電容傳感電極C Θ yll、第十二電容傳感電極C Θ y22與第 i^一電容傳感電極〇 Θ y21的間距均為2P2 ;第九電容傳感電極0 Θ yll與第^^一電容傳感電 極C Θ y21的間距為I. 5P2 ;第十四電容傳感電極C δ yl2和第十六電容傳感電極C δ y22沿 銷軸孔1-2軸向對齊設置，且第十四電容傳感電極C δ yl2與第十三電容傳感電極C δ yll、 第十六電容傳感電極C δ y22與第十五電容傳感電極C δ y21的間距均為2P2 ;第十三電容傳 感電極C δ yll與第十五電容傳感電極C δ y21的間距為I. 5P2 ;第五電容傳感電極對和第六 電容傳感電極對用于檢測球頭2繞圖1所示y軸的轉角Θ y，第七電容傳感電極對和第八電 容傳感電極對用于檢測球頭2沿y軸的竄動量Sy。
[0018] 如圖9、10和11所示，球頭連接桿3上設有沿軸向等距布置的四個第三電容電極 組；每個第三電容電極組包括沿球頭連接桿3周向均布的五個第三電容電極6 ;第三電容 電極6沿球頭連接桿3周向的弧長、沿球頭連接桿3軸向的長度以及相鄰兩個第三電容電 極6的間距均為P3 ;輸出桿4的支承孔4-1孔壁設有第九電容傳感電極對、第十電容傳感 電極對、第i^一電容傳感電極對和第十二電容傳感電極對；第九電容傳感電極對包括沿支 承孔4-1軸向對齊設置且并聯連接的第十七電容傳感電極C Θ zll和第十八電容傳感電 極C θ zl2 ;第十電容傳感電極對包括沿支承孔4-1軸向對齊設置且并聯連接的第十九電 容傳感電極C θ z21和第二十電容傳感電極C θ z22 ;第^^一電容傳感電極對包括沿支承孔 4-1周向對齊設置且并聯連接的第二十一電容傳感電極C δ zll和第二十二電容傳感電極 CS ζ12 ;第十二電容傳感電極對包括沿支承孔4-1周向對齊設置且并聯連接的第二十三電 容傳感電極C δ z21和第二十四電容傳感電極C δ z22 ;第十八電容傳感電極C θ zl2和第 二十電容傳感電極C θ z22沿支承孔4-1周向對齊設置，且第十八電容傳感電極C θ zl2與 第十七電容傳感電極C Θ zll、第二十電容傳感電極C θ z22與第十九電容傳感電極C θ z21 的間距均為2P3 ;第十七電容傳感電極C Θ zll與第十九電容傳感電極C θ z21的間距為 I. 5P3 ;第二十二電容傳感電極C δ zl2和第二十四電容傳感電極C δ z22沿支承孔4-1軸向 對齊設置，且第二十二電容傳感電極CS zl2與第二i^一電容傳感電極C δ zll、第二十四電 容傳感電極CS z22與第二十三電容傳感電極CS z21的間距均為2P3 ;第二^^一電容傳感電 極C δ zll與第二十三電容傳感電極C δ z21的間距為I. 5P3 ;第九電容傳感電極對和第十 電容傳感電極對用于檢測輸出桿4繞圖1所不z軸的轉角θ z，第^ 電容傳感電極對和第 十二電容傳感電極對用于檢測輸出桿4與球頭連接桿3沿z軸的竄動量δ z。
[0019] 該可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈的工作原理： 第一電容傳感電極C Θ xll、第二電容傳感電極C θ X12、第三電容傳感電極C θ X21、第 四電容傳感電極C θ χ22、第五電容傳感電極C δ xll、第六電容傳感電極C δ χ12、第七電容 傳感電極C δ x21、第八電容傳感電極C δ x22、第九電容傳感電極C Θ yll、第十電容傳感電 極C Θ yl2、第^^一電容傳感電極C Θ y21、第十二電容傳感電極C Θ y22、第十三電容傳感電 極C δ yll、第十四電容傳感電極C δ y12、第十五電容傳感電極C δ y21、第十六電容傳感電 極C δ y22、第十七電容傳感電極C Θ zll、第十八電容傳感電極C θ Z12、第十九電容傳感電 極C θ z21、第二十電容傳感電極C θ z22、第二^^一電容傳感電極C δ zll、第二十二電容傳 感電極C δ zl2、第二十三電容傳感電極C δ z21和第二十四電容傳感電極C δ z22均加載電 壓vINTOT ;所有的第一電容電極組、第二電容電極組、第三電容電極組均加載電壓〇。
[0020] 如圖4和5所示，當球頭2繞X軸轉動時，第一電容傳感電極對、第二電容傳感電 極對與第一電容電極組間的電容量均發生變化，經信號采集處理后輸出兩組相位差為η /2 的正余弦信號，實時檢測球頭2繞X軸的轉角位移，而不受球鉸鏈沿X軸的竄動影響；當球 頭2沿X軸產生軸向竄動時，第三電容傳感電極對、第四電容傳感電極對與第一電容電極組 間的電容量均發生變化，經信號采集處理后輸出兩組相位差為η/2的正余弦信號，實時檢 測球頭2沿X軸的軸向竄動位移，而不受球頭2繞X軸的轉動影響。
[0021] 如圖7和8所示，當球頭2繞y軸轉動時，第五電容傳感電極對、第六電容傳感電 極對與第二電容電極組間的電容量均發生變化，經信號采集處理后輸出兩組相位差為η /2 的正余弦信號，實時檢測球頭2繞y軸的轉角位移，而不受球頭2沿y軸的軸向竄動影響； 當球頭2沿y軸產生軸向竄動時，第七電容傳感電極對、第八電容傳感電極對與第二電容電 極組間的電容量均發生變化，經信號采集處理后輸出兩組相位差為n/2的正余弦信號，實 時檢測球頭2沿y軸的軸向竄動位移，而不受球頭2繞y軸的轉動影響。
[0022] 如圖10和11所示，當輸出桿4繞z軸轉動時，第九電容傳感電極對、第十電容傳 感電極對與第三電容電極組間的電容量均發生變化，經信號采集處理后輸出兩組相位差為 η /2的正余弦信號，實時檢測輸出桿繞z軸的轉角位移，而不受輸出桿4與球頭連接桿3之 間沿ζ軸的軸向竄動影響；當輸出桿4與球頭連接桿3之間沿ζ軸產生軸向竄動時，第^^一 電容傳感電極對、第十二電容傳感電極與第三電容電極組間的電容量均發生變化，經信號 采集處理后輸出兩組相位差為η /2的正余弦信號，實時檢測輸出桿4與球頭連接桿3之間 沿ζ軸的軸向竄動位移，而不受輸出桿4繞ζ軸的轉動影響。
[0023] 因此，通過采集處理第一電容傳感電極對和第二電容傳感電極對分別與第一電容 電極組間的電容變化量、第五電容傳感電極對和第六電容傳感電極對分別與第二電容電極 組間的電容變化量及第九電容傳感電極對和第十電容傳感電極對分別與第三電容電極組 間的電容變化量可檢測該球鉸鏈的空間三自由度轉動角位移；通過采集處理第三電容傳感 電極對和第四電容傳感電極對分別與第一電容電極組間的電容變化量、第七電容傳感電極 對和第八電容傳感電極對分別與第二電容電極組間的電容變化量及第i^一電容傳感電極 對和第十二電容傳感電極對分別與第三電容電極組間的電容變化量可檢測該球鉸鏈的空 間三自由度竄動線位移。
【權利要求】
1. 一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈，包括球窩底座、球頭、球頭連接 桿、輸出桿、弧形滑塊、銷軸和空間回轉角測量裝置，其特征在于： 所述的空間回轉角測量裝置包括電容電極陣列、第二電容電極組、第三電容電極組、第 一電容傳感電極對、第二電容傳感電極對、第三電容傳感電極對、第四電容傳感電極對、第 五電容傳感電極對、第六電容傳感電極對、第七電容傳感電極對、第八電容傳感電極對、第 九電容傳感電極對、第十電容傳感電極對、第i^一電容傳感電極對和第十二電容傳感電極 對； 所述球窩底座的球窩兩側對稱開設有銷軸孔；所述球頭的頂部與球頭連接桿固定，側 部開設有圓弧形的滑槽；兩塊弧形滑塊設置在滑槽的兩端，且均與滑槽的兩側壁通過滾動 副連接；所述弧形滑塊的外側固定有銷軸；球頭嵌入球窩內，兩根銷軸通過軸承支承在兩 個銷軸孔內；所述輸出桿的支承孔通過軸承支承在球頭連接桿上； 所述滑槽的底部設有對稱布置的兩個電容電極陣列；電容電極陣列包括沿滑槽的槽 寬方向等距布置的四個第一電容電極組，每個第一電容電極組包括沿滑槽的槽長方向等距 布置的10?12個第一電容電極；所述弧形滑塊的內側設置有第一電容傳感電極對、第二 電容傳感電極對、第三電容傳感電極對和第四電容傳感電極對；第一電容傳感電極對包括 沿滑槽的槽寬方向對齊設置且并聯連接的第一電容傳感電極C 0 xll和第二電容傳感電極 C 0 xl2 ;第二電容傳感電極對包括沿滑槽的槽寬方向對齊設置且并聯連接的第三電容傳感 電極C 0 x21和第四電容傳感電極C 0 x22 ;第三電容傳感電極對包括沿滑槽的槽長方向對 齊設置且并聯連接的第五電容傳感電極C S xll和第六電容傳感電極C S X12 ;第四電容傳 感電極對包括沿滑槽的槽長方向對齊設置且并聯連接的第七電容傳感電極C S X21和第八 電容傳感電極C 8x22 ; 所述的銷軸上設有沿銷軸軸向等距布置的四個第二電容電極組，每個第二電容電極組 包括沿銷軸周向均布的5?7個第二電容電極；球窩的銷軸孔孔壁設有第五電容傳感電極 對、第六電容傳感電極對、第七電容傳感電極對和第八電容傳感電極對；第五電容傳感電極 對包括沿銷軸孔軸向對齊設置且并聯連接的第九電容傳感電極C 0 yll和第十電容傳感電 極C 0 yl2 ;第六電容傳感電極對包括沿銷軸孔軸向對齊設置且并聯連接的第十一電容傳 感電極C 0 y21和第十二電容傳感電極C 0 y22 ;第七電容傳感電極對包括沿銷軸孔周向對 齊設置且并聯連接的第十三電容傳感電極C S yll和第十四電容傳感電極C S y12 ;第八電 容傳感電極對包括沿銷軸孔周向對齊設置且并聯連接的第十五電容傳感電極C S y21和第 十六電容傳感電極c s y22 ; 所述的球頭連接桿上設有沿軸向等距布置的四個第三電容電極組；每個第三電容電極 組包括沿球頭連接桿周向均布的5?7個第三電容電極；輸出桿的支承孔孔壁設有第九電 容傳感電極對、第十電容傳感電極對、第i^一電容傳感電極對和第十二電容傳感電極對；第 九電容傳感電極對包括沿支承孔軸向對齊設置且并聯連接的第十七電容傳感電極C 0 zll 和第十八電容傳感電極C0zl2;第十電容傳感電極對包括沿支承孔軸向對齊設置且并聯 連接的第十九電容傳感電極C 0 z21和第二十電容傳感電極C 0 z22 ;第^^一電容傳感電極 對包括沿支承孔周向對齊設置且并聯連接的第二十一電容傳感電極C S zll和第二十二電 容傳感電極C S Z12 ;第十二電容傳感電極對包括沿支承孔周向對齊設置且并聯連接的第 二十三電容傳感電極C S Z21和第二十四電容傳感電極C S Z22。
2. 根據權利要求1所述的一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈，其特征在 于：所述第一電容電極沿滑槽的槽寬方向上的弧長、沿滑槽的槽長方向上的弧長以及相鄰 兩個第一電容電極的間距均為Pi ;第二電容傳感電極C 0 xl2和第四電容傳感電極C 0 x22 沿滑槽的槽長方向對齊設置，且第二電容傳感電極C 0 xl2與第一電容傳感電極C 0 xll、第 四電容傳感電極C 0 x22與第三電容傳感電極C 0 x21的間距均為2Pi ;第一電容傳感電極 C 0 xll與第三電容傳感電極C 0 x21的間距為1. 5Pi ;第六電容傳感電極C S X12和第八電 容傳感電極C S X22沿滑槽的槽寬方向對齊設置，且第六電容傳感電極C S X12與第五電容 傳感電極C S xll、第八電容傳感電極C S x22與第七電容傳感電極C S x21的間距均為2Pi ; 第五電容傳感電極C S X11與第七電容傳感電極C S X21的間距為1. 5Plt)
3. 根據權利要求1所述的一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈，其特征 在于：所述第二電容電極沿銷軸周向的弧長、沿銷軸軸向的長度以及相鄰兩個第二電容電 極的間距均為P2 ;第十電容傳感電極C 0 yl2和第十二電容傳感電極C 0 y22沿銷軸孔周向 對齊設置，且第十電容傳感電極C 0 yl2與第九電容傳感電極C 0 yll、第十二電容傳感電 極C 0 y22與第十一電容傳感電極C 0 y21的間距均為2P2 ;第九電容傳感電極C 0 yll與第 i^一電容傳感電極C 0 y21的間距為1. 5P2 ;第十四電容傳感電極C S yl2和第十六電容傳感 電極C S y22沿銷軸孔軸向對齊設置，且第十四電容傳感電極C S y12與第十三電容傳感電 極C s yll、第十六電容傳感電極c s y22與第十五電容傳感電極C s y21的間距均為2P2 ;第 十三電容傳感電極c s yll與第十五電容傳感電極c s y21的間距為1. 5P2。
4. 根據權利要求1所述的一種可測空間三自由度回轉角及偏移量的球鉸鏈，其特征在 于：所述第三電容電極沿球頭連接桿周向的弧長、沿球頭連接桿軸向的長度以及相鄰兩個 第三電容電極的間距均為P3 ;第十八電容傳感電極c 0 Z12和第二十電容傳感電極C 0 Z22 沿支承孔周向對齊設置，且第十八電容傳感電極C 0 zl2與第十七電容傳感電極C 0 zll、 第二十電容傳感電極C 0 z22與第十九電容傳感電極C 0 z21的間距均為2P3 ;第十七電容 傳感電極C0zll與第十九電容傳感電極C0z21的間距為1.5P3;第二十二電容傳感電極 C S Z12和第二十四電容傳感電極C S Z22沿支承孔軸向對齊設置，且第二十二電容傳感電 極CS Z12與第二i^一電容傳感電極CS zll、第二十四電容傳感電極CS Z22與第二十三電 容傳感電極CS Z21的間距均為2P3 ;第二^^一電容傳感電極CS zll與第二十三電容傳感電 極CS Z21的間距為1. 5P3。
【文檔編號】F16C11/06GK104454963SQ201410717355
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月1日 優先權日:2014年12月1日
【發明者】王文, 張敏, 盧科青, 范宗尉, 趙鼎成, 程林, 袁科杰, 諸麗燕 申請人:杭州電子科技大學