苏ICP备112451047180号-6
球体三自由度姿态检测装置的设计
一．背景意义
本次设计涉及一种被动球关节，是指一种具有姿态检测装置的三自由度被动球关节，同时该被动球关节也作为球电机的转子支撑。球电机可以实现空间三自由度连续的旋转运动，因此，球电机的发展在科技领域得到了广泛的重视。如游戏杆手柄、球形执行机构等球面关节装置的应用中，需要获得球体的三自由度姿态，因此需要设计开发相关的三自由度姿态检测装置。
三自由度方位需要同时测量球体的三个角度，目前可以采用旋转编码器、塑料电位器等角度测量仪器，安装于连杆机构。此次设计相关的被动球关节可以支撑转子实现连续的三自由度旋转，同时，通过编码器实现球电机转子的X、Y和Z方向的旋转角度进行测量，有效解决了球电机的转子的支撑和球电机的姿态检测问题。当球电机的转子受电磁力产生三维旋转运动时，将带动被动球关节作相应的三维旋转，通过从编码器上读到相应的旋转角度，从而实现了球电机转子的三维姿态检测。
二．国内外发展状况
角度测量一般是通过传感器获取转角信号，经转换成电路参数量，再通过转换电路转换成电信号输出。随着微处理器和集成芯片的发展，对输出信号的处理日益完善，功能也将日益壮大，可直接显示、记录、储存或供给控制系统，完成测量或控制的功能。角度传感器的应用十分广泛，涉及众多的行业，如机械加工，智能机器人等，在当今的工业技术中占有重要的一席之地。
机械式的角度测量技术发展得相对比较成熟，近几年对角度测量技术的研究和应用大都在光电技术上寻找突破口。特别是随着现代计算机技术的发展，诞生了多种多样的角度传感器。通常按工作原理来分有电位式角度传感器、电阻应变式角度传感器、光栅式角度传感器、磁栅式角度传感器、感应同步器和码盘式角度传感器等。
三．研究内容
本设计通过了解球体的三自由度姿态表示法，欧拉角的定义和坐标齐次变换方法，了解角度测量方法和编码器、电位器等基于不同工作原理的角度测量装置，并以球形电机转子的三自由度姿态测量为应用背景，设计一种基于光电编码器的三自由度姿态测量装置。
该装置能够实时测量三路光电编码器输出信号并转换为数字信号显示和输出。设计任务包括球体三自由度姿态表示法和齐次坐标变换原理分析、测试系统硬件电路设计、软件设计及样机制作等内容。
四．研究方法与研究手段
针对本设计应用理论和实验相结合的研究方法，在学习和掌握理论知识的基础上，制定总体的设计方案并逐步深入进行详细设计，最后制作样品对设计结果并进行修改。
五．研究步骤
1.查阅课题相关资料及文献
2.设计任务功能分析，制定总体设计方案
3.软硬件功能的详细设计
4.样机制作与实验研究
5整理文档并撰写设计说明书
六．参考文献
[1] 于靖军 等. 机器人机构学的数学基础[M]. 北京:机械工业出版社.2008
[2] 蔡自兴. 机器人学基础[M].北京:机械工业出版社，2002
[3] 魏学业. 传感器与检测技术 [M].人民邮电出版社，2012
[4] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术实用教程[M],北京：电子工业出版社，2006，128-139.
[5] 孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社 1987.8
[6] 李华.MCS－51系列单片机实用接口技术[M].北京航空航天大学出版社，1993，12-53.
[7] 刘国权、韩晓东.Protel DXP电路原理图设计指南[M].中国铁道出版社，2004
[8] 谢维成，杨加国. 单片机原理与应用及C51程序设计[M].清华大学出版社,2006
[9] 余永权,汪明慧,黄英.单片机在控制系统中的应用.电子工业出版社，2003
[10] 张培仁.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2002
一．背景意义
本次设计涉及一种被动球关节，是指一种具有姿态检测装置的三自由度被动球关节，同时该被动球关节也作为球电机的转子支撑。球电机可以实现空间三自由度连续的旋转运动，因此，球电机的发展在科技领域得到了广泛的重视。如游戏杆手柄、球形执行机构等球面关节装置的应用中，需要获得球体的三自由度姿态，因此需要设计开发相关的三自由度姿态检测装置。
三自由度方位需要同时测量球体的三个角度，目前可以采用旋转编码器、塑料电位器等角度测量仪器，安装于连杆机构。此次设计相关的被动球关节可以支撑转子实现连续的三自由度旋转，同时，通过编码器实现球电机转子的X、Y和Z方向的旋转角度进行测量，有效解决了球电机的转子的支撑和球电机的姿态检测问题。当球电机的转子受电磁力产生三维旋转运动时，将带动被动球关节作相应的三维旋转，通过从编码器上读到相应的旋转角度，从而实现了球电机转子的三维姿态检测。
二．国内外发展状况
角度测量一般是通过传感器获取转角信号，经转换成电路参数量，再通过转换电路转换成电信号输出。随着微处理器和集成芯片的发展，对输出信号的处理日益完善，功能也将日益壮大，可直接显示、记录、储存或供给控制系统，完成测量或控制的功能。角度传感器的应用十分广泛，涉及众多的行业，如机械加工，智能机器人等，在当今的工业技术中占有重要的一席之地。
机械式的角度测量技术发展得相对比较成熟，近几年对角度测量技术的研究和应用大都在光电技术上寻找突破口。特别是随着现代计算机技术的发展，诞生了多种多样的角度传感器。通常按工作原理来分有电位式角度传感器、电阻应变式角度传感器、光栅式角度传感器、磁栅式角度传感器、感应同步器和码盘式角度传感器等。
三．研究内容
本设计通过了解球体的三自由度姿态表示法，欧拉角的定义和坐标齐次变换方法，了解角度测量方法和编码器、电位器等基于不同工作原理的角度测量装置，并以球形电机转子的三自由度姿态测量为应用背景，设计一种基于光电编码器的三自由度姿态测量装置。
该装置能够实时测量三路光电编码器输出信号并转换为数字信号显示和输出。设计任务包括球体三自由度姿态表示法和齐次坐标变换原理分析、测试系统硬件电路设计、软件设计及样机制作等内容。
四．研究方法与研究手段
针对本设计应用理论和实验相结合的研究方法，在学习和掌握理论知识的基础上，制定总体的设计方案并逐步深入进行详细设计，最后制作样品对设计结果并进行修改。
五．研究步骤
1.查阅课题相关资料及文献
2.设计任务功能分析，制定总体设计方案
3.软硬件功能的详细设计
4.样机制作与实验研究
5整理文档并撰写设计说明书
六．参考文献
[1] 于靖军 等. 机器人机构学的数学基础[M]. 北京:机械工业出版社.2008
[2] 蔡自兴. 机器人学基础[M].北京:机械工业出版社，2002
[3] 魏学业. 传感器与检测技术 [M].人民邮电出版社，2012
[4] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术实用教程[M],北京：电子工业出版社，2006，128-139.
[5] 孙涵芳.MCS-51系列单片机原理及应用[M].北京航空航天大学出版社 1987.8
[6] 李华.MCS－51系列单片机实用接口技术[M].北京航空航天大学出版社，1993，12-53.
[7] 刘国权、韩晓东.Protel DXP电路原理图设计指南[M].中国铁道出版社，2004
[8] 谢维成，杨加国. 单片机原理与应用及C51程序设计[M].清华大学出版社,2006
[9] 余永权,汪明慧,黄英.单片机在控制系统中的应用.电子工业出版社，2003
[10] 张培仁.基于C语言编程MCS-51单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2002