运动姿态测量机构

球形转子的二自由度运动姿态可由二对行波定子驭动决定，通过控制各对的运动速度和转向，可使球形转子转向各个方向，为检测球转子的运动姿态，国外采用球绞结构和两个光电编码器但由于球绞实现困难，我们采用了调心轴承和连杆的测量结构。

在球转子上安装输出轴(其轴线通过球心)，输出轴上装有能两自由度回转的调心轴承，在调心轴承的轴承座圆环上与各自光电编码器相连的连杆连接，两连杆与调心轴承在同一平而内 (这一平而与四个行波定子组成平而平行)，当输出轴在中心位置时(即输出轴轴线垂直于四个行波定子组成的平而时)，两连杆是互相垂直的，即各连杆中心线与调心轴承中心相交，球转子转动时，调心轴承也随之向外移动并且两自由度转动，其轴承中心仍在两连杆组成的平而内。另外，各连杆与各光电编码器轴线垂直相交，连杆可在与光电编码器轴的相交点滑动，并带动光电编码轴回转;同时，为避免出现冗余自由度，连杆1与调心轴承座圆环固连，连杆2与调心轴承座圆环铰接，这样做，输出轴偏离中心位置时，即球转子运动姿态变化时，连杆1中心线继续保持通过调心轴承中心，而连杆2中心线则不能保证通过调心轴承中心。

运动姿态控制策略

对于球转子运动姿态可以用上述尸点在xoy平而的运动位置描述，即控制目标由球转子的运动姿态角转化为尸点的运动位置，由于姿态角与尸点关系较简单，这里就不再赘述了。

超声波电机的位置控制一般采用相位差控制、频率控制和调压控制等策略。对于二自由度超声波电机来说，由于要求四个行波定子在工作时的谐振频率基木一致，而定子由于加工、材料和工艺等原因，很难保证一致，修正行波定子外缘倾角大小的方法来使四个定子的谐振频率接近一致，且行波定子的谐振频率的带宽一般较小，所以不宜采用变频法。若采用调压控制，虽然可以实现一定的控制效果，提高电机的转速，但是硬件电路的实现比较复杂，而且由于调压时电机定子电压的峰一峰值在不断改变，因此电机会出现速度波动，这不利于电机的平稳运行。

对于球形二自由度超声波电机来说，采用相位差控制是比较理想的控制方案。相位差控制只需要用软件改变定子驭动信号的相位差，方法简单且可靠实用，不需要增加额外的硬件电路。只要控制得当，对电机输出转速的影响较小，可以实现电机的平稳运行。更重要的是因为电机是由两对定子驭动采用相位差控制有无可比拟的优越性，这是由于电机的静摩擦系数大于行波驭动时的摩擦系数。假设一对定子由行波驭动，另一对定子不驭动，这时不被驭动的这对定子与转子间为静摩擦，也就是说球转子无法在行波驭动的那对定子作用卜运动，这是因为静摩擦产生的阻力矩大于行波驭动定子的驭动力矩。若不被驭动的那对定子改为驻波驭动，虽然行波驭动的那对定子产生的驭动力矩不变，但是此时驻波驭动的定子与转子间为动摩擦，而动摩擦产生的阻力矩远小于静摩擦产生的阻力矩，因此，行波驭动定子的驭动力矩就大于动摩擦的阻力矩，这样，球转子就可以顺利地运转了。