CN103049002A - 多自由度相位中心机器人 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种相位中心可调的多自由度相位中心机器人，属于常规天线测试领域。包括：天线支架(1)可绕自身轴线O-O₁旋转，调节机械臂的转角θ₂、θ₃和θ₄可控制天线相位中心(O)在三维空间的位置和天线俯仰角(θ₁)的大小，机器人下臂(4)可绕垂直旋转轴(5)转动。天线指向可以在以相位中心(O)为圆心，天线支架长度为半径的下半球空间(6)内任意调节。该型机器人整体结构除关节驱动马达和传感器外，全部采用非金属复合材料制成。本发明对天线测试干扰小，且天线相位中心可调节，适用于对天线性能有全方位测试要求的应用领域。

Description

多自由度相位中心机器人

技术领域

本发明设计一种相位中心可调的多自由度相位中心机器人，属于常规天线测试领域。

背景技术

天线是无线设备发射和接收无线电信号必不可少的设备，它的优劣直接影响无线设备性能的好坏，对天线性能的测试有着重要的影响。在天线测试过程中需要对天线的极化角、俯仰角进行精确定位，以测试天线在空间各个角位置接收无线电信号的能力。最原始的天线测试通过人工手动进行，其测量周期长、误差大，因此需要有专门的测试***对天线性能进行测试，后来改用电动转台调节天线的极化角和俯仰角。

为了保证相位中心不变，通常俯仰轴需要采用圆弧导轨部件，使其可以旋转0～90.0°。该设备存在如下不足：其一，整个设备采用金属部件构造，在天线周边范围内存在的金属部件越多，对天线测试造成的干扰就越大；其二，设备部件庞大，制造成本高，安装调试困难；其三，只能调节天线的极化角和俯仰角，不能对天线在三维空间内进行全方位测试。

鉴于传统电动转台的不足，本发明不采用圆弧导轨方案，而是通过多自由度机器人的多维关节运动等效地实现俯仰运动，同时保证被测天线的相位中心在一定范围内可调。除此之外，机器人下臂绕垂直旋转轴转动，可调节天线在三维空间内的姿态，使天线得到全方位的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相位中心可调的，对天线测试影响小，且可在三维空间内对天线进行全方位动态测试的设备，该设备可以完全取代正在使用的各种主流电动天线测试转台。

本发明公开一种相位中心可调的多自由度相位中心机器人。其特征在于：天线的相位中心可调节。天线支架一方面可绕机器人上关节旋转，另一方面还可以沿支架中心轴线自转，实现天线极化角的调节，角度调节范围为0.0～360.0°；上臂可绕中关节旋转；中臂可绕下关节旋转；通过调节天线支架、上臂和中臂的转动角度，可控制天线相位中心在三维空间的位置和天线俯仰角的大小，俯仰角调节范围为0.0～90.0°；机器人下臂可绕机器人安装基座上的垂直旋转轴转动，即使机器人绕中心轴线O-O3转动，使被测天线的方向可以在以相位中心为圆心，天线支架长度为半径的一个半球空间内任意调节。

上述相位中心机器人的整体结构除关节驱动马达和传感器外，全部由环氧树脂、陶瓷轴承和尼龙螺钉等非金属复合材料制成。其中天线支架、上臂、中臂和下臂采用环氧树脂制造，上关节、中关节和下关节均采用陶瓷轴承作为传动部件，所有部件之间的连接均使用尼龙螺钉，由于非金属材料对微波的反射和干扰作用小，在天线周边的空间内，金属部件越少，则天线性能测试的结果就会越准确。机器人各关节采用分装永磁式直流力矩电机作为驱动部件；各关节都安装有14位高精度绝对式光电码盘测量关节转动的角位置；各关节都安装有用于电气限位的高灵敏度光电开关。

本发明公开的装置的优点描述如下：

(1)真实性。由于环氧树脂、陶瓷轴承、尼龙螺钉等非金属材料对微波反射和干扰作用小，所以用这类材料构成的装置非常适合运用在微波天线测试领域。使用环氧树脂作为机器人各连接臂的主要结构材料，可以保证在不影响结构强度的前提下，提高对天线性能测试结果的置信度。

(2)低干扰性。低干扰的实现，一方面是靠机器人的制造材料来保证，如优点1所述；另一方面是靠结构设计保证的，如附图1所示，天线支架完全由三根机械臂支撑，天线周边大范围空间内无其它异物。所以，该发明对天线测试的干扰极低。理论上，该发明对天线测试的干扰比传统方法低90％左右。

(3)灵活性。由于相位中心机器人的相位中心可调，所以减少了对机器人初始安装的误差安求。同时由于机器人可以使被测天线在三维空间内转动，所以天线的可测姿态角度更丰富，能满足天线的三维动态测试要求。

(4)精确性。一旦相位中心确定后，严格的结构设计和多关节同步控制算法可以保证关节运动角度的精确性和实时性，使安装在支架上的天线始终保持相位中心不变，相位中心误差可以控制在半径不超过一毫米的圆内。天线极化角和俯仰角位置的误差在0.1°以内。

附图说明

图1俯仰角为45.0°，机器人垂直轴静止位置示意图

O：相位中心，O₁：上关节，O₂：中关节，O₃下关节，1：天线支架，2：上臂，3：中臂，4：下臂，5：水平转动轴，θ₁：天线俯仰角，θ₂：天线支架绕上关节转动角，θ₃：上臂绕中关节转动角，θ₄：中臂绕下关节转动角，ω₁：天线极化角转动角速度，ω₂：下臂绕垂直旋转轴转动角速度。

图2俯仰角为90.0°，机器人垂直轴静止时位置示意图

图3俯仰角为0.0°，机器人垂直轴静止时位置示意图

图4俯仰角为45.0°，机器人垂直轴旋转180.0°后位置示意图

具体实施方式

常规天线测试的目的是测试天线在空间中各个方位上的信号接收能力，天线的方位变化主要包含极化角(绕天线轴心转动)和俯仰角(绕相位中心转动)。测试设备需要对放置于上的天线提供这两个方位的运动调节能力。

相位中心机器人上的天线支架可以沿O-O1轴自转，即可实现天线极化角在0.0°～360.0°的范围内调节。在确定好天线相位中心的空间位置后，调节转动角θ2、θ3和θ4即可实现天线俯仰角θ1在0.0°～90.0°的范围内调节。上关节、中关节和下关节处安装的高精度绝对式光电码盘可实时监测转角θ2、θ3和θ4的变化，将角位信息通过RS485总线上传给机器人控制***。转角θ2、θ3和θ4在数学上和俯仰角θ1有严格的映射关系，在调节θ2、θ3和θ4时，机器人控制***首先需要规划各关节的运动轨迹，获取码盘上传的各角位置反馈信号，然后使用插补算法控制这三个角度按照运动轨迹同步变化，实现天线俯仰角度的调节，并保证被测天线相位中心不变。如果某关节转动位置超过设定极限，电气限位装置产生一个脉冲信号，机器人控制***可以检测此信号，并使关节停止转动，防止意外事故。如图1所示，黑色的实线表示俯仰角θ1为45.0°时，各机械臂的位置；如图2所示，黑色的实线表示俯仰角θ1为90.0°时，各机械臂的位置；如图3所示，黑色的实线表示俯仰角θ1为0.0°时，各机械臂的位置。要实现天线指向在三维空间内旋转，将机器人绕中心轴线O-O3旋转即可。如图4所示为俯仰角θ1为45.0°，机器人绕中心轴线O-O3旋转180.0°时，各机械臂的位置。

Claims (5)

1.一种相位中心可调的多自由度相位中心机器人。其特征在于：O点为被测天线的相位中心。被测天线安装在天线支架(1)上，天线支架(1)一方面可绕上关节O₁旋转，转动角度表示为θ₂，另一方面天线支架(1)还可以沿轴线OO₁以角速度ω₁自转，实现天线极化角的调节，角度调节范围为0.0～360.0°；机器人上臂(2)可绕中关节O₂旋转，转动角度表示为θ₃；中臂(3)可绕下关节O₃旋转，转动角度表示为θ₄；下臂(4)可绕垂直旋转轴(5)旋转，转动角速度表示为ω₂，垂直旋转轴(5)固定在地面安装基座之上；通过调节转角θ₂、θ₃和θ₄的大小可以控制相位中心(O)在三维空间的位置(根据天线测试要求，天线相位中心一旦调节对准后微波发射源后将保持不变)和天线俯仰角(θ₁)的大小，俯仰角调节范围为0.0～90.0°；当机器人下臂(4)绕垂直旋转轴(5)转动时，可实现机器人绕轴线OO₃转动，使天线方向在以相位中心(O)为圆心，天线支架长度为半径的一个半球空间(6)内任意调节。机器人的天线支架、上臂、中臂和下臂长度均为500mm，各运动关节均安装有角位置检测传感器和电气限位装置。

2.根据权利要求1所述的相位中心可调的多自由度相位中心机器人，其特征在于：所述机器人上关节、中关节和下关节，均采用分装永磁式直流力矩电机作为关节驱动元件。驱动关节不加减速器，直流电机与机器人结构融为一体直接驱动运动关节。

3.根据权利要求1所述的相位中心可调的多自由度相位中心机器人，其特征在于：所述各运动关节的角位置检测传感器全部采用14位高精度绝对式光电编码器采集角位置信号，保证各运动轴的测量精度在0.1度以内，角位置检测传感器采用RS485总线进行信号传输。

4.根据权利要求1所述的相位中心可调的多自由度相位中心机器人，其特征在于：所述各运动关节的电气限装置全部采用光电开关检测运动极限位置，为机器人各运动关节提供电气保护

5.根据权利要求1所述的相位中心可调的多自由度相位中心机器人，其特征在于：所述机器人整体结构除关节驱动电机和传感器外，全部由环氧树脂、陶瓷轴承和尼龙螺钉等非金属复合材料制成。

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