CN106352894B - 一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，属于可穿戴式传感器的研究领域，可用于对不同种类的可穿戴式传感器测量的姿态角精确度进行标定。本装置在机械结构上由转动体和底座驱动部组成。本装置存在三个旋转自由度并通过直流电机进行驱动，使用导电滑环保证三个自由度都可以360度连续旋转并使用绝对式光电编码器进行三个自由度姿态角的测量，同时可以通过控制器对整个装置的运行状态进行实时控制来达到不同的实验要求。

Description

一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置

技术领域

本发明属于可穿戴式传感器的研究领域，具体涉及一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置。

背景技术

可穿戴式传感器，是集成了加速度计，陀螺仪和磁场传感器以及其他一些必要模块的一种微机电系统，通过内部算法融合加速度计，陀螺仪和磁场传感器所测量的原始数据，便可以获得可穿戴式传感器当前的姿态角。

要判断可穿戴式传感器测量姿态角的准确程度，需要对其输出的姿态角进行标定。当前，大多数研究者只使用光学运动捕捉系统对可穿戴式传感器输出的姿态角进行验证，但由于光学运动捕捉系统对姿态角的测量属于间接测量且本身具有一定的测量误差，另外，光学运动捕捉系统还存在约束被测试者只能在其能够测量到的范围内活动以及随标志点粘贴方法的不同其测量精确度也会存在差异等缺点，因此这种方法只能对可穿戴式传感器输出的姿态角进行粗略的验证。目前，在可穿戴式传感器的研究领域中也很少存在对可穿戴式传感器所测量的姿态角进行标定的装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，并提供一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，解决了评价可穿戴运动传感器输出姿态角的精确度的技术问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，包括转动体、底座驱动部、控制器和电机驱动器；

所述转动体包括依次铰接的内框架、中框架和外框架，所述外框架的底部与底座驱动部的外框主动轴相连，通过底座驱动部驱动外框架转动；所述中框架上安装有内框电机，所述内框电机的一端输出轴与内框架固连，所述内框电机上安装有内框编码器，所述内框编码器的转轴与内框电机的另一端输出轴相连；

所述外框架上安装有中框电机，所述中框电机的输出轴通过中框电机减速器与中框架相连接，所述中框架和外框架的铰接处安装有中框编码器；

所述内框电机、中框电机以及底座驱动部均与电机驱动器相连，电机驱动器与控制器相连，所述内框编码器、中框编码器以及底座驱动部均与控制器相连，通过控制器来控制电机的启停、转向、转速，同时控制器接收编码器反馈的角度信号，一方面实现对转动体姿态角的控制，另一方面，由控制器将接收的的角度信息进行存储，以便将得到的角度信息与穿戴式传感器测得的角度进行比较分析，从而实现对穿戴式传感器输出姿态角的标定。

进一步地，所述内框电机为双输出轴电机。

进一步地，所述内框架为亚克力板，所述亚克力板的转轴两侧对称开有整列孔；所述亚克力板的两端分别固定连接有立式带座轴承和工字结构固定架；所述中框架上安装有菱形带座轴承，所述立式带座轴承和菱形带座轴承之间通过内框传动轴连接；所述工字结构固定架与内框电机的输出轴固连。

进一步地，所述中框架上安装有配重板，用于平衡中框架在旋转时的转动惯量。

进一步地，所述中框架和外框架的铰接处还安装有中框导电滑环；所述中框导电滑环的外圈固定在外框架上，所述中框导电滑环上穿设有中框从动轴，所述中框从动轴支承在外框架上，所述中框导电滑环的内圈与中框从动轴固定连接，所述中框从动轴的一端与中框架固定连接，另一端与中框编码器的转轴固定连接。

进一步地，所述底座驱动部包括底座、外框电机、外框电机减速器、联轴器、主动同步带轮、外框导电滑环、外框主动轴、同步带、从动同步带轮、外框从动轴、外框编码器；所述外框电机、外框电机减速器、联轴器、外框主动轴依次相连，所述外框电机减速器固定在底座上，所述外框主动轴支承在底座上；所述外框主动轴上套设有外框导电滑环，所述外框导电滑环的内圈与外框主动轴固定连接，外框导电滑环的外圈与底座固定连接；所述外框主动轴上还套设有主动同步带轮；所述外框从动轴支承在底座上，外框从动轴的一端固定连接有从动同步带轮，另一端与外框编码器的转轴相连，所述外框编码器安装在底座上；所述主动同步带轮和从动同步带轮之间通过同步带相连；所述内框电机和内框编码器均与中框导电滑环的转子导线相连；所述中框导电滑环的定子导线、中框电机和中框编码器均与外框导电滑环的转子导线相连，外框导电滑环的定子导线分别与控制器和电机驱动器相连；所述外框编码器与控制器相连，所述外框电机与电机驱动器相连。

进一步地，所述中框架、外框架和底座均由铝型材搭建而成。

进一步地，所述中框导电滑环和外框导电滑环均为过孔式导电滑环。

进一步地，所述内框编码器、中框编码器和外框编码器均为绝对式光电编码器。

本发明的有益效果是：

(1)本标定装置存在三个旋转自由度，通过使用过孔式导电滑环，三个自由度都能够进行360度连续的回转，能够产生任意位置的姿态角。

(2)通过内框结构使用亚克力板，转动体结构使用铝型材进行框架的搭建，减少了铁质零件的使用，同时增大使用的铁质零件与被标定的可穿戴式传感器的距离，能够有效地防止对可穿戴式传感器中的磁场传感器造成磁场干扰。

(3)通过使用绝对式光电编码器，本装置对角度的分辨率非常高且能够独立地对可穿戴式传感器进行静态标定和动态标定。

(4)通过使用单片机，能够对驱动本标定装置三个自由度旋转的电机的转速，旋转方向和启动停止进行实时控制。

附图说明

图1 为本发明实施例的轴侧结构图；

图2 为本发明实施例的俯视图；

图3 为本发明实施例的外框架结构示意图；

图4 为本发明实施例的外框架俯视图；

图5 为本发明实施例的转动体的结构示意图；

图6 为本发明实施例的底座驱动部的结构示意图；

图7为本发明实施例的电路连接图；

图8为本发明标定可穿戴式传感器的示意图；

图中，铝型材1，型材角件2，立式带座轴承3，中框菱形带座轴承连接板4，内框传动轴5，菱形带座轴承6，亚克力板7，工字结构固定架8，内框电机连接板9，中框型材固定板10，内框编码器连接板11，内框编码器12，内框编码器固定板13，内框电机14，内框电机传动件15，配重板16，增高架17，中框电机传动件18，中框电机19，中框电机减速器20，中框电机减速器连接板21，中框从动传动板22，中框导电滑环23，中框菱形带座轴承24，套筒25，中框编码器固定板26，外框加固板27，中框从动轴28，中框菱形带座轴承固定板29，中框导电滑环回转固定件30，中框编码器连接板31，中框编码器32，外框电机33，外框电机减速器34，外框电机减速器连接板35，联轴器36，主动同步带轮37，主动轴轴承闷盖38，主动轴轴承架39，主动轴轴承架连接板40，外框导电滑环41，外框主动轴42，回转轴承43，回转轴承底座固定板44，同步带45，从动同步带轮46，外框从动轴47，从动轴轴承架连接板48，从动轴轴承架49，从动轴轴承闷盖50，外框编码器固定板51，外框编码器连接板52，外框编码器53，花键传动板54，可穿戴式传感器55，三轴坐标系56。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1展示了本发明实施例的轴侧结构图，其包括转动体、底座驱动部、电机驱动器（图中未示出）和控制器（图中未示出）；

所述的转动体包括依次铰接的内框架、中框架和外框架，外框架的底部与底座驱动部的外框主动轴相连，通过底座驱动部驱动外框架转动，用于提供产生三轴姿态角所需的三个旋转自由度；

所述的底座驱动部用于支撑和驱动外框架的旋转以及测量外框架的姿态角；

所述的控制器用于根据用户指令控制可穿戴式传感器标定装置的运动。

图2为本发明实施例的俯视图，转动体中，亚克力板7在其转动轴两侧均匀开有整列孔，用于减小转动惯量；立式带座轴承3通过螺栓与亚克力板7的一端相连接，立式带座轴承3和亚克力板7之间设置铝制均力板，用于减小螺栓在固定时对亚克力板7的压强。在亚克力板7的另一端，同样使用螺栓将工字结构固定架8与亚克力板7固定连接，工字结构固定架8和亚克力板7之间设置铝制均力板；将内框电机传动件15通过螺栓固定于工字结构固定架8上；

中框架通过铝型材1和型材角件2相连接，菱形带座轴承6通过中框菱形带座轴承连接板4固定在中框架上，在中框架的另一端，内框电机14通过内框电机连接板9固定于中框架上，内框电机14采用双出轴电机；用螺栓将内框编码器固定板13固定于内框电机14上，内框编码器12通过内框编码器连接板11固定于内框编码器固定板13上，内框电机14的后端输出轴与内框编码器12的转轴相连；中框型材固定板10通过T型螺栓固定于中框架上，用于加固中框架。配重板16通过增高架17固定于中框架上，用于平衡中框架在旋转时的转动惯量。在转动体中的内框架与中框架的连接上，一端通过内框传动轴5将立式带座轴承3与菱形带座轴承6固定为同轴心并通过紧定螺钉将立式带座轴承3和菱形带座轴承6的轴承内圈与内框传动轴5周向锁死；另一端，将内框电机14的前端输出轴插入内框电机传动件15内，采用过盈配合和紧定螺钉将两者固定并通过内框电机传动键进行内框电机转动形式的传动。

图3 为本发明实施例的外框架结构示意图，图4 为本发明实施例的外框架俯视图，中框电机19和中框电机减速器20组成中框电机套装，中框电机减速器20通过中框电机减速器连接板21固定于外框架上，中框电机传动件18通过过盈配合、双键和紧定螺钉固定于中框电机减速器20的输出轴上，用于将中框电机减速器20的输出轴的转动形式传递给中框架。中框编码器固定板26和中框菱形带座轴承固定板29固定于外框架的另一端，中框菱形带座轴承24成对相对安装于中框编码器连接板26和中框菱形带座轴承固定板29上，并通过套筒25对中框从动轴28进行轴向的固定。通过紧定螺钉将中框导电滑环23固定于中框从动轴28的一端，并通过过盈配合、双键和紧定螺钉将中框从动传动板22固定于中框从动轴28同一侧的轴端，中框从动传动板22通过T型螺栓与中框架固定连接；中框编码器32通过紧定螺钉与中框从动轴28另一侧轴端周向锁紧，同时中框编码器32通过中框编码器连接板31固定于中框编码器固定板26上。外框加固板27固定于外框型材框架底部型材直角连接处，用于对型材框架进行固定。中框导电滑环回转固定件30固定于中框菱形带座轴承固定板29上，用于对中框导电滑环23的外圈进行周向固定。

图5 为本发明实施例的转动体的结构示意图，转动体结构通过外框回转轴承连接板与底座回转轴承43的内圈相连接，外框主动轴42通过固定于外框架的花键传动板54驱动外框架进行转动。

图6 为本发明实施例的底座驱动部的结构示意图，外框电机33和外框电机减速器34组成外框电机套装，通过外框电机减速器连接板35固定在底座上。外框电机减速器34通过联轴器36将转动形式传递给外框主动轴42，圆锥滚子轴承成对相对安装在主动轴轴承架39内并用主动轴轴承闷盖38固定轴承的一侧外圈，轴承另一侧外圈用圆环顶板固定并通过圆锥滚子轴承对外框主动轴42进行定位。主动轴轴承架39通过主动轴轴承架连接板40固定在底座上，外框导电滑环41通过紧定螺钉固定在外框主动轴42上，并用固定在主动轴轴承架连接板40上的光轴对外框导电滑环41的外圈进行周向固定。主动同步带轮37通过紧定螺钉固定在外框主动轴42上并通过同步带45和从动同步带轮46将外框主动轴42的转动形式传递给外框从动轴47，圆锥滚子轴承成对相对安装在从动轴轴承架49内，从动轴轴承架49通过从动轴轴承架连接板48固定在底座上，同时从动轴轴承闷盖50固定于从动轴轴承架49底部。外框编码器53通过外框编码器连接板52固定在外框编码器固定板51上，并通过螺栓将外框编码器固定板51固定于底座上。回转轴承43通过回转轴承底座固定板44固定在底座型材框架上，用于支撑转动体并使其能够相对于底座旋转。

本标定装置使用的控制器为单片机，并与本装置中的编码器以及电机驱动器相连，用于获取编码器的测量数据并控制转动体的运动方式。

所述中框架、外框架和底座均由铝型材搭建而成。

所述内框编码器12、中框编码器32和外框编码器53均为绝对式光电编码器。

所述外框导电滑环41和中框导电滑环23均为过孔式导电滑环。

如图7所示，为本发明实施例的电路连接图，其中，所述内框电机14和内框编码器12均与中框导电滑环23的转子导线相连；所述中框导电滑环23的定子导线、中框电机19和中框编码器32均与外框导电滑环41的转子导线相连，外框导电滑环41的定子导线分别与控制器和电机驱动器相连，即内框电机14通过中框导电滑环23和外框导电滑环41与电机驱动器相连，内框编码器12通过中框导电滑环23和外框导电滑环41与控制器相连，中框电机19通过外框导电滑环41与电机驱动器相连，中框编码器32通过外框导电滑环41与控制器相连；另外，外框电机33和外框编码器53布置在底座上，不存在绕线问题，所以外框编码器53直接与控制器相连，所述外框电机33直接与电机驱动器相连。

图8为本发明标定可穿戴式传感器的示意图，将需要标定的可穿戴式传感器55固定在亚克力板7上，56为三轴坐标系，X轴，Y轴，Z轴分别对应标定装置的内框架、中框架、外框架，通过控制器使用者可以在不同条件下对可穿戴式传感器进行标定，如以下3种情形但不局限于这3种情形：1)可以使标定装置处于任意姿态，检验可穿戴式传感器55输出的3轴角度误差，即进行静态标定；2）控制本装置单个自由度旋转进行单轴姿态角的标定；3）使本装置三个自由度同时旋转进行XYZ三轴姿态角的动态标定。控制器对三轴的控制方式是一致的，以对Y轴的控制为例来说明本标定装置的控制过程。启动标定装置后，由控制器发出控制信号经由电机驱动器、外框导电滑环41到中框电机19，从而实现对中框电机19的启停、转向和转速的控制。中框编码器32会以200Hz的频率对Y轴的角度进行采样，将采集到的角度信息经由外框导电滑环41返回到控制器，由控制器存储得到的角度，分析时，将记录下的编码器测量的绝对姿态角与被标定的可穿戴式传感器所测量的姿态角通过数据处理软件进行对比分析，便能够得到所标定的可穿戴式传感器输出姿态角的误差信息，从而对可穿戴式传感器输出的姿态角进行标定。

Claims (9)

1.一种可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：包括转动体、底座驱动部、控制器和电机驱动器等；

所述转动体包括依次铰接的内框架、中框架和外框架，所述外框架的底部与底座驱动部的外框主动轴(42)相连，通过底座驱动部驱动外框架转动；所述中框架上安装有内框电机(14)，所述内框电机(14)的一端输出轴与内框架固连，所述内框电机(14)上安装有内框编码器(12)，所述内框编码器(12)的转轴与内框电机(14)的另一端输出轴相连；

所述外框架上安装有中框电机(19)，所述中框电机(19)的输出轴通过中框电机减速器(20)与中框架相连接，所述中框架和外框架的铰接处安装有中框编码器(32)；

所述内框电机(14)、中框电机(19)以及底座驱动部均与电机驱动器相连，电机驱动器与控制器相连，所述内框编码器(12)、中框编码器(32)以及底座驱动部均与控制器相连，通过控制器来控制电机的启停、转向、转速，同时控制器接收编码器反馈的角度信号，一方面实现对转动体姿态角的控制，另一方面，由控制器将接收的角度信息进行存储，以便将得到的角度信息与穿戴式传感器测得的角度进行比较分析，从而实现对穿戴式传感器输出姿态角的标定。

2.根据权利要求1所述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：所述内框电机(14)为双输出轴电机。

3.根据权利要求1所述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：

所述内框架为亚克力板(7)，所述亚克力板(7)的转轴两侧对称开有整列孔；所述亚克力板(7)的两端分别固定连接有立式带座轴承(3)和工字结构固定架(8)；所述中框架上安装有菱形带座轴承(6)，所述立式带座轴承(3)和菱形带座轴承(6)之间通过内框传动轴(5)连接；所述工字结构固定架(8)与内框电机(14)的输出轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：所述中框架上安装有配重板(16)，用于平衡中框架在旋转时的转动惯量。

5.根据权利要求1所 述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：

所述中框架和外框架的铰接处还安装有中框导电滑环(23)；所述中框导电滑环(23)的外圈固定在外框架上，所述中框导电滑环(23)上穿设有中框从动轴(28)，所述中框从动轴(28)支承在外框架上，所述中框导电滑环(23)的内圈与中框从动轴(28)固定连接，所述中框从动轴(28)的一端与中框架固定连接，另一端与中框编码器(32)的转轴固定连接。

6.根据权利要求5所 述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：所述底座驱动部包括底座、外框电机(33)、外框电机减速器(34)、联轴器(36)、主动同步带轮(37)、外框导电滑环(41)、外框主动轴(42)、同步带(45)、从动同步带轮(46)、外框从动轴(47)、外框编码器(53)；所述外框电机(33)、外框电机减速器(34)、联轴器(36)、外框主动轴(42)依次相连，所述外框电机减速器(34)固定在底座上，所述外框主动轴(42)支承在底座上；所述外框主动轴(42)上套设有外框导电滑环(41)，所述外框导电滑环(41)的内圈与外框主动轴(42)固定连接，外框导电滑环(41)的外圈与底座固定连接；所述外框主动轴(42)上还套设有主动同步带轮(37)；所述外框从动轴(47)支承在底座上，外框从动轴(47)的一端固定连接有从动同步带轮(46)，另一端与外框编码器(53)的转轴相连，所述外框编码器(53)安装在底座上；所述主动同步带轮(37)和从动同步带轮(46)之间通过同步带(45)相连；所述内框电机(14)和内框编码器(12)均与中框导电滑环(23)的转子导线相连；所述中框导电滑环(23)的定子导线、中框电机(19)和中框编码器(32)均与外框导电滑环(41)的转子导线相连，外框导电滑环(41)的定子导线分别与控制器和电机驱动器相连；所述外框编码器(53)与控制器相连，所述外框电机(33)与电机驱动器相连。

7.根据权利要求6所 述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：所述中框架、外框架和底座均由铝型材搭建而成。

8.根据权利要求6所 述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：所述中框导电滑环(23)和外框导电滑环(41)均为过孔式导电滑环。

9.根据权利要求6所 述的可穿戴式传感器输出姿态角的标定装置，其特征在于：所述内框编码器(12)、中框编码器(32)和外框编码器(53)均为绝对式光电编码器。