[发明专利]一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置及方法

权利要求书

1.一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置；其特征在于：包括驱动电极(3)和感应电极系统(4)；测量过程中，驱动电极(3)和感应电极系统(4)均安装在被测量的球铰关节中；所述的球铰关节包括球窝底座(2)，以及安装在球窝底座(2)内的球头(1)；驱动电极(3)固定在球头(1)上；感应电极系统(4)固定在球窝底座(2)内；

所述的感应电极系统(4)包括多个正六边形球面电极板(5)，以及一个或多个正五边形球面电极板(6)；任意一个正五边形球面电极板(6)的周围均环绕有五个正六边形球面电极板(5)，使得各正六边形球面电极板(5)和各正五边形球面电极板(6)合围形成球壳状结构；每个正六边形球面电极板(5)与自身相邻的正五边形球面电极板(6)或正六边形球面电极板(5)之间均不导通；所述的驱动电极(3)与感应电极系统(4)之间不导通。

2.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：所述的驱动电极、所有正六边形球面电极板(5)、正五边形球面电极板(6)分别通过导线引出至电容检测装置；电容检测装置能够检测出任意一个正六边形球面电极板(5)或正五边形球面电极板(6)，与驱动电极(3)之间的电容值。

3.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：每个正六边形球面电极板(5)与自身相邻的正五边形球面电极板(6)或正六边形球面电极板(5)均间隔设置。

4.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：所述的驱动电极(3)呈球冠状。

5.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：所述的驱动电极(3)与感应电极系统(4)之间设有间隙d；d≤200μm。

6.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：所述的球头(1)上固定有伸出到球窝底座以外的连接杆；驱动电极(3)位于球头(1)最远离连接杆的位置。

7.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：所述驱动电极(3)的边缘直径等于正六边形球面电极板(5)的内切圆直径。

8.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：每个正六边形球面电极板(5)与自身相邻的正五边形球面电极板(6)或正六边形球面电极板(5)之间均通过等位环分隔。

9.根据权利要求1所述的一种足球式结构的球铰关节转动角度测量装置，其特征在于：正五边形球面电极板(6)与正六边形球面电极板(5)的边长相等。

10.一种足球式结构的球铰关节转动角度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、以感应电极系统(4)的球心位置作为坐标原点建立绝对坐标系；针对每个检测单元，分别建立子坐标系；子坐标系的坐标原点与绝对坐标系的坐标原点重合；子坐标系的z轴方向为感应电极系统(4)的球心位置到对应的正五边形球面电极板(6)中心位置的方向；

步骤二、确定用于测量的目标检测单元；

分别计算所有检测单元的输出电容值；检测单元的输出电容值为该检测单元对应的正五边形球面电极板(6)以及各正六边形球面电极板(5)与驱动电极(3)之间的电容值之和；取输出电容值最大的检测单元作为目标检测单元；

步骤三、获取驱动电极(3)相对于目标检测单元对应的子坐标系的偏角(γ,β)；

3-1.根据目标检测单元中的正五边形球面电极板(6)以及各正六边形球面电极板(5)与驱动电极(3)之间的电容值，计算驱动电极(3)与一个正五边形球面电极板(6)和五个正六边形球面电极板(5)的重叠面积S₀～S₅；

3-2.根据重叠面积S₀～S₅确定驱动电极(3)中心位置在目标检测单元对应的子坐标系中的坐标；

3-3.根据驱动电极(3)中心位置在目标检测单元对应的子坐标系中的坐标，计算驱动电极(3)中心位置与子坐标系z轴的偏角(γ,β)；γ为驱动电极(3)中心位置绕子坐标系x轴的偏转角度；β为驱动电极(3)绕子坐标系y轴的偏转角度；

步骤四、获得球铰关节转动角度的测量值(γ_sum,β_sum)；γ_sum＝γ+γ₀,β_sum＝β+β₀；其中，γ₀为目标检测单元对应的子坐标系相对于绝对坐标系，绕绝对坐标系x轴的偏转角度；β₀为目标检测单元对应的子坐标系相对于绝对坐标系，绕绝对坐标系y轴的偏转角度。