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霍尔开关在灵巧手测角精度提升中的应用

返回列表 来源:华芯霍尔元件 浏览:0 发布日期:2020-07-22 08:27:46【

灵巧手是为多用途、多任务而研制的一种高智能、通用型机械手。为了实现精确的运动控制,一种合适的测量关节角度的传感器必不可少。灵巧手由气动肌肉驱量关节角度的传感器必不可少。灵巧手由气动肌肉驱动。柔索传动,可以通过测量气动肌肉的收缩量,再经换算得到关节旋转角度,但是这种方法引入了由于肌肉固定端的滑动而带来的巨大误差。此外,还可以通过光学法、电势法、磁感应法等方法实现角度测量。光学法测角装置的代表为编码器,其精度高、可靠性强、适用范围广。

以电机作为驱动器的灵巧手多采用编码器测量关节角,如Karlsnuhe 手。尽管最为小巧的编码器其直径仅16 mm,但是如果想将它嵌入到灵巧手手指关节中,这样的结构还略显臃肿。电势法测角装置的代表为旋转电位计,其成本低、易于集成、简单实用,在DLR-II等灵巧手系统中得以应用。

但是由于电位计属于接触测量,负载扭矩不能太大,容易损坏,长期使用磨损会导致精度下降。采用柔性传感器通常应用在弹性关节测量角度,如UB -3手的原型机。此种传感器的最大缺点是不易于安装固定、重复精度低。而磁感应法测角装置一霍尔角度传感器是一种非接触式传感器,目前已经应用在U tah/M IT手。DLR-1II手和ZAR手等灵巧手中。

霍尔开关体积小、精度高、频带宽,使用中不存在机械磨损,正适合应用在安装空间狭小、精度要求较高的测角场。由此分析,翟尔角度传感器适合作为机器人灵巧手手指关节的测角装置。

霍尔角度传感器理想状态下的应用

它是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,其基本原理如图1所示。载有一定方向电流的导体或半导体,垂直置于磁场中,会在垂直于电流与磁场平面的方向。上产生感应电势。利用霍尔效应可以测量微小的位移信号。

自20世纪60年代,伴随大规模集成电路技术的发展,科学家将霍尔半导体元件与信号调理电路集成在同一芯片上,衍生出各式各样的小型传感器。理想状况测量角度时,霍尔开关置于一个带转轴的永磁铁下方,磁铁径向磁化,并且转轴中心。磁铁两极中心和芯片对角线中心重合在同一直线上,通过传感器中心感应区域的磁场的水平分量随转轴的旋转而旋转,如图2所示。

灵巧手中应用霍尔角度传感器存在的问题

  1. 使用它测角,通常需要旋转轴、磁极中心轴和芯片中心轴共轴(如图3(a)所示) ,以保证感应区处的磁场强度之模数保持不变。共轴安置方式的总厚度(包括磁铁厚度、芯片厚度和气隙厚度)达到6 mm以上。灵巧手指的宽度只有15~20mm,其传动结构势必受到影响。为了节省安装空间需采用共面安装方式(如图3(b)所示)。
  2. 磁铁与霍尔元件的间隙越小,测量点的磁感应强度越大,反之越小。磁铁的体积越大,测量点的磁感应强度越大,反之越小。测量点的磁感应强度太大,会使传感器输出饱和;测量点的磁感应强度太小,会使传感器灵敏度降低[9]。需要优化磁铁大小以及与传感器芯片之间的安装间隙。
  3. 灵巧手具有9~24个自由度,每个自由度关节处均安装有霍尔开关及磁铁。密集安装传感器会对测量精度产生一定影响。
  4. 圆柱形径向极化的永磁铁在市场上十分少见,加工费用昂贵。矩形磁铁的磁场分布不同于圆柱形磁铁,将矩形磁铁用于霍尔开关的测角对精度有一定影响。

霍尔开关应用精度的分析

磁铁与霍尔角度传感器共面

为了节省安装空间,磁铁与霍尔角度传感器共面安装,即磁铁转轴与霍尔元件中心轴平行,如图5所示。测量手指关节角度,霍尔芯片与磁铁安装在构成转动关节的不同指节上,磁铁极心与转动中心重合。

所以,磁铁与霍尔角度传感器共面安装不会影响传感器的使用。在理想状态下,测量角度与实际转角保持很好的线性关系。但是在实际使用时,可能由于磁铁的磁化不均匀等因素,给测量数据带来非线性误差。

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