本发明涉及球形电机技术领域，尤其涉及一种基于激光幕布成像的球形电机转子定位装置及定位方法。
背景技术：
在机器人关节、卫星姿态调整等需要多自由度运动场合，现有技术都是通过两只或以上电机配合复杂的机械传动装置实现。多只电机加上机械传动装置无疑会增加系统的体积与重量，随着科技的发展，在如卫星姿态调整等领域，减小系统的体积与重量会给整个系统的性能带来质的飞跃。由于球形电机可在一个电机上实现多自由度运转，自从第一台球形电机被设计出来以来，就备受关注。球形电机相对于传统电机，无论是机械结构还是控制方式都有着巨大的区别。
球形电机的技术难点主要体现在：球形电机定子线圈数量较多驱动复杂、转子可做多自由度运转定位困难等。目前，针对球形电机转子位置检测主要有机械码盘、在电机转子体上喷涂喷码、激光码盘定位等方式。机械码盘定位试需要在球形电机制造时就要将机械码盘安装于球形电机中，且会增加球形电机的体积。转子体喷涂喷码方式需要识别复杂的喷码，且喷码喷涂于整个转子表面，电机安装后由于定子的遮挡和定子体积的限制，喷涂喷码方式难以得到应用。激光码盘定位方式需要高精度的激光定位装置，价格昂贵，且对于安装精度要求甚高。因此，自第一台球形电机制造出来至今，由于技术原因球形电机的发展十分缓慢。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、定位精度高、且不会增加球形电机本身体积的定位装置及其定位方法，本发明提供以下技术方案：
基于激光幕布成像的球形电机转子定位装置，包括固定支架、成像幕布、辅助定位激光发射模块、实时位置激光发射模块、视频摄像设备；所述固定支架为带有底面的长方体框架，球形电机定子设置于固定支架的底面，所述成像幕布沿水平向固定于固定支架的中部、且位置在垂直方向上可调；所述辅助定位激光发射模块设置两只、位于固定支架底面内部的对角线上、分别为激光发射器F1和F2，且当球形电机转子位于初始位置时转子输出轴位于两只辅助定位激光模块的中点位置；所述实时位置激光发射模块通过转子输出轴与球形电机转子连接、包括朝向成像幕布设置的位于一条直线上的激光发射器J1、J2、J3，所述激光器J2位于转子输出轴延长线上，且所述激光器J1与J2的距离d1小于激光器J2与J3的距离d2；视频摄像设备设置于固定支架顶部中心、正对成像幕布。
进一步的，所述视频摄像设备为高速摄像机、普通摄像机中的一种，也可以是其他任何可以视频摄像的设备。
上述的基于激光幕布成像的球形电机转子定位装置的定位方法，包括以下步骤：
S1、通过辅助定位激光发射模块发射的激光束确定成像幕布的中心原点位置、使激光发射器J2发射的激光束落于中心原点位置，并将成像幕布以激光发射器J1-J3所在的直线为x轴、以垂直于x轴的轴为y轴分成四个象限，分别为第1至第4象限；
S2、通过激光发射器J2发射的激光束在成像幕布上的成像点确定转子输出轴偏转角度θ、偏转方位角度ω以及所在象限，其中：
转子输出轴偏转角度θ＝arctan(d/h)，d为激光发射器J2在成像幕布上的成像点J2’至中心原点的距离；h为球形电机转子的球心至成像幕布的距离；
转子输出轴偏转方向角度ω＝arctan(dx/dy)，dx为J2’至y轴的距离，dy为J2’至x轴的距离；
S3、通过激光发射器J1、J3发射的激光束在成像幕布上的成像点确定转子输出轴的自转角度
当成像点位于第1象限时，转子输出轴自转角度Φ＝arctan(Oy/Ox)；
当成像点位于第2象限时，转子输出轴自转角度Φ＝180°-α＝180°-arctan(Oy/Ox)；
当成像点位于第3象限时，转子输出轴自转角度Φ＝180°+α＝180°+arctan(Oy/Ox)；
当成像点位于第4象限时，转子输出轴自转角度Φ＝360°-α＝360°-arctan(Oy/Ox)；
其中，Ox为激光发射器J1、J3发射的激光束在成像幕布上的成像点J1’和J3’在x轴上的距离，Oy为成像点J1’和J3’在y轴上的距离，α为J1’和J3’的连线与x轴的所夹的锐角。
本发明通过激光发射模块和成像幕布将球形电机转子输出轴在空间复杂的位置状态和自动角度等信息转换成平面图像信息，通过平面图像信息的分析和计算能够高效、精确地检测出球形电子转子的空间位置和自转角度信息，相比机械码盘定位方式不会增加球形电机本身的体积和重量，相比喷涂喷码方式不会因为定子的遮挡也影响精度，相比激光码盘方式成本低、安装要求低。
附图说明
图1、本发明的球形电机转子定位装置的主要结构示意图。
图2、本发明的实时位置激光发射模块的激光发射器安装方式。
图3、球形电机转子输出轴位于中心起始位置的激光投影示意图。
图4、图3的投影方式下成像幕布上的激光成像点示意图。
图5、球形电机转子输出轴位于最大倾角位置的激光投影示意图。
图6、球形电子转子输出轴位于最大倾角旋转一周在成像幕布上形成的激光成像点示意图。
图7、球形电机转子输出轴自转角度在四个象限内的示意图。
图中：1、固定支架，11、底面，2、成像幕布，3、辅助定位激光发射模块，4、实时位置激光发射模块，5、视频摄像设备，61、球形电机定子，62、球形电机转子，621、转子输出轴。
具体实施方式
如图1所示的基于激光幕布成像的球形电机转子62定位装置，包括固定支架1、成像幕布2、辅助定位激光发射模块3、实时位置激光发射模块4、视频摄像设备5；所述固定支架1为带有底面11的长方体框架，球形电机定子61设置于固定支架1的底面11，所述成像幕布2沿水平向固定于固定支架1的中部、且位置在垂直方向上可调；所述辅助定位激光发射模块3设置两只、位于固定支架1底面11内部的对角线上、分别为激光发射器F1和F2，且当球形电机转子62位于初始位置时转子输出轴621位于两只辅助定位激光模块的中点位置；如图2所示，所述实时位置激光发射模块4通过转子输出轴621与球形电机转子62连接、包括朝向成像幕布2设置的位于一条直线上的激光发射器J1、J2、J3，所述激光器J2位于转子输出轴621延长线上，且所述激光器J1与J2的距离d1小于激光器J2与J3的距离d2；视频摄像设备5设置于固定支架1顶部中心、正对成像幕布2。
进一步的，所述视频摄像设备5为高速摄像机、普通摄像机中的一种，也可以是其他任何可以视频摄像的设备。
上述的基于激光幕布成像的球形电机转子62定位装置的定位方法，包括以下步骤：
S1、通过辅助定位激光发射模块3发射的激光束确定成像幕布2的中心原点位置、使激光发射器J2发射的激光束落于中心原点位置，如图3所示，并将成像幕布2以激光发射器J1-J3所在的直线为x轴、以垂直于x轴的轴为y轴分成四个象限，分别为第1至第4象限；如图4所示，实时位置激光发射模块4和辅助定位激光发射模块3会在成像幕布2上形成五个激光成像点，辅助定位激光发射模块3F1、F2形成的成像点F1’和F2’位于成像幕布2的第1、3象限的边缘，且其位置固定不变，两成像点连线的中心位置为中心原点，当球形电机转子62位于起始位置时，实时位置激光发射模块4的激光发射器J2在成像幕布2上的成像点J2’恰好位于中心原点，本实施例中使用了辅助定位激光发射模块3来确定幕布的中心原点位置，增加或减少甚至减去辅助定位激光发射模块3，通过实验计算等方式找到中心原点位置的方式，也可视为本专利的保护范围。
S2、通过激光发射器J2发射的激光束在成像幕布2上的成像点确定转子输出轴621偏转角度θ、偏转方位角度ω以及所在象限，其中：
转子输出轴621偏转角度θ＝arctan(d/h)，如图5、6所示，d为激光发射器J2在成像幕布2上的成像点J2’至中心原点的距离；h为球形电机转子62的球心至成像幕布2的距离；
转子输出轴621偏转方向角度ω＝arctan(dx/dy)，dx为J2’至y轴的距离，dy为J2’至x轴的距离；
S3、通过激光发射器J1、J3发射的激光束在成像幕布2上的成像点确定转子输出轴621的自转角度如图7所示，
当成像点位于第1象限时，转子输出轴621自转角度Φ＝arctan(Oy/Ox)；
当成像点位于第2象限时，转子输出轴621自转角度Φ＝180°-α＝180°-arctan(Oy/Ox)；
当成像点位于第3象限时，转子输出轴621自转角度Φ＝180°+α＝180°+arctan(Oy/Ox)；
当成像点位于第4象限时，转子输出轴621自转角度Φ＝360°-α＝360°-arctan(Oy/Ox)；
其中，Ox为激光发射器J1、J3发射的激光束在成像幕布2上的成像点J1’和J3’在x轴上的距离，Oy为成像点J1’和J3’在y轴上的距离，α为J1’和J3’的连线与x轴的所夹的锐角。
该球形电机转子62定位方式将球形电机转子62复杂的空间状态转换为幕布平面上简单的成像点并通过摄像机识别。相对于现有的球形电机定位方式，可大大提高位置检测的精度与响应速度。
以上述依据本发明理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。