球体质量块型六维加速度传感器的最大工作频率

工作频带是加速度传感器的重要性能指标之一,但六维加速度传感器的最大工作频率目前尚不明确。鉴于此,分别以实心球体质量块型和空心球体质量块型六维加速度传感器为研究对象,构建了系统最大工作频率的数学模型。首先,通过虚拟实验,获得了传感器基频及最大工作频率与质量块直径和支链刚度之间的数据对。接着,分别绘制了基频和最大工作频率的性能图谱,并运用多元线性回归理论拟合了数据对。最后,运用线性包络原理建立了2个频率之间的映射关系。结果表明,最大工作频率始终介于基频的1/35~1/30区间内。

完全各向同性的Stewart型六维加速度感知机构构型综合

各向同性是六维加速度感知机构的重要性能指标之一,决定了传感器的测量精度。为获得感知机构的完全各向同性,提出了一种新的构型综合方法。首先,运用Newton⁃Euler法并基于支链之间固有的尺度约束关系,构建了Stewart型六维加速度感知机构的正向解耦方程。其次,剖析了感知机构的各向同性与正向解耦方程中输入矩阵条件数的关联,以及支链位姿与输入矩阵的映射关系。创建了完全各向同性感知机构的构型综合步骤。最后,遵循该步骤,综合出“12⁃6”式Stewart型六维加速度感知机构,并开展了虚拟实验。将添加0.100%随机扰动和零扰动这两种情况相比较,结果显示,六维加速度的最大引用误差为0.169%,也即输入、输出误差的放大倍数仅为1.69。这表明,新构型具有优异的各向同性性能。

基于ADAMS二次开发的六维加速度感知机构的性能优化

构建了六维加速度感知机构的二次开发系统,可实现不同构型和不同尺寸间的转换。给出了基频和灵敏度的计算结果,并以灵敏度为主要性能指标,提出了9-3、12-6和6-6构型的一种参数优化方法。结果显示:6-6构型的线加速度灵敏度和角加速度灵敏度分别提升了2.4倍和4.1倍;9-3构型、12-6构型的线加速度灵敏度均提升了2.4倍,角加速度灵敏度均提升了3.6倍。

并联式六维加速度感知机构动力学模型的失效情况研究

以三种典型的并联式六维加速度感知机构为例,剖析动力学模型失效时的情况,并揭示失效机理。首先,通过计算机构雅可比矩阵的秩,挖掘动力学方程失效的第1种原因——奇异位形。其次,通过分析机构的工作频带,挖掘动力学方程失效的第2种原因——基频共振。然后,通过分析机构支链出现故障时的输入输出关系,挖掘动力学方程失效的第3种原因——支链故障。最后,开展了虚拟样机实验。研究表明,六维加速度感知机构在实际工作时,应避开以上3种情况。

并联式六维加速度感知机构的操作性能研究进展

六维加速度感知在机器人、航空航天、超精密加工等领域均具有迫切的应用需求,已成为高端装备向“超精尖”发展的一项核心技术。并联式六维加速度传感器具有结构紧凑、动力学解耦精度高等突出优势,其测量性能与感知机构的操作性能有关。从工作机理的角度,阐述了并联式六维加速度感知机构与并联机器人、并联式六维力感知机构之间的差异。从数学和力学的角度,系统阐释了并联式六维加速度感知机构的静刚度、奇异性、基频共振和故障修复四项操作性能的表征和优化方法,并剖析了现有方法尚不具备自适应性的原因。接着,阐明六维加速度标定平台的必要性和基本要求,并分析了四种原理方案的优缺点。最后,指出挖掘感知机构“性能-结构-激励”三者之间的内在联系,并突破几何/拓扑结构的重构、标定平台的设计和优化这些关键问题,有助于充分发挥并联式六维加速度感知机构的性能优势。

并联式六维加速度感知机构的三支链故障自修复

针对六维加速度感知机构在部分输出信号失真时动力学解耦算法完全失效的问题,通过挖掘传感器输出量之间固有的协调关系,提出了一种适用于并联式六维加速度感知机构三支链故障的自诊断、自修复算法。首先,基于感知机构内部冗余支链的变形协调条件,推导出了6个电荷协调方程,并构造了一种正六边形的协调闭链结构。其次,引入“消去原则”,并运用数形结合的思想,基于上述协调闭链,提出了一种故障自修复算法,可修复196种三支链故障,自修复率高达89%。最后,进行了虚拟样机试验。结果显示:采用自修复算法后,并联式六维加速度感知机构的综合解耦误差减小了43.04%,且满足实时性要求,由此验证了所提算法的有效性、可行性。

六维加速度传感器标定平台的设计与仿真研究

针对现有的多维运动平台无法满足六维加速度传感器标定要求的问题,设计了一种能够输出4种运动模式的六维标定平台。建立了该标定平台的虚拟样机,并通过仿真实验,分析了4种典型构型的六维加速度传感器在不同标定模式下的输入-输出关系。实验结果与传感器系统正向动力学的理论计算值一致,验证了标定平台的有效性,为后续解耦算法的优化奠定了理论基础。运用VB和SolidWorks软件开发了标定平台三维模型的二次开发系统,确保了标定平台能够在4种运动模式之间进行快速切换,并实现自动仿真,提高了模型的开发效率。

基于SSA-GB-ELM的并联式六维加速度传感器非线性解耦

六维加速度传感器的高精度测量可有效提高底盘防倾翻控制系统的控制效果,但并联式弹性元件的维间耦合会给传感器带来非线性误差,采用极限学习机算法进行标定解耦可以有效提高传感器的测量精度。但传统极限学习机非线性解耦算法精度较低,使用麻雀搜索算法可以获得极限学习机的最佳初始权值、阈值。同时,将最大类间方差法融入到麻雀算法优化的极限学习机中,可以探索六维加速度传感器固有耦合关系,把传统极限学习机黑箱模型转换为灰箱模型,从而提出一种麻雀搜索优化灰箱极限学习机(sparrow search algorithm-gray box-extreme learning machine, SSA-GB-ELM)的解耦算法。通过实验验证,使用该算法的并联式六维加速度传感器非线性解耦精度显著提高,Ⅰ类误差最大为0.023%,Ⅱ类误差最大为0.046%,解耦时间为1.095 s,可以高效解决六维加速度传感器非线性耦合问题。

一种压电式六维加速度传感器的快速原型及其特性

介绍了一种压电式六维加速度传感器,研究了其敏感单元的布局原理,建立了相应的六维加速度传感方程以实现对6只压电式单轴加速度传感器的输出进行解耦得到刚体运动的六维加速度。在此基础上,采用基于实时仿真系统(dSPACE DS1103和MATLAB/Simulink)的快速控制原型(rapid control prototyping,RCP)技术建立了压电式六维加速度传感器的快速原型。在六维随机振动激励和固定轴旋转振动激励情况下对开发的压电式六维加速度传感器的快速原型的传感性能进行了实验测试。研究结果表明该压电式六维加速度传感器的快速原型能够实现六维加速度的传感,建立的传感方程能够准确地解算出刚体运动的六维加速度。

一种压电式六维加速度传感器的校准方法研究

基于多只压电式单轴加速度传感器的压电式六维加速度传感器的传感误差主要由多只压电式单轴加速度传感器的安装误差和输出误差决定。为了对压电式六维加速度传感器的传感误差进行估计和补偿,提出并研究了一种压电式六维加速度传感器的校准方法,建立了压电式六维加速度传感器的校准模型。在此基础上,分析了校准过程中加速度激励误差对校准结果的影响和最佳角加速度激励频率的范围,建立了对校准误差进行估计的方法。研究结果表明,利用所建立的校准方法和校准误差估计方法不仅能够准确地实现压电式六维加速度传感器的校准,而且能够对校准结果的误差进行估计。该研究工作为压电式六维加速度传感器的误差补偿和精度提高奠定了基础。

预紧式并联六维加速度传感器的解耦算法研究

针对六维加速度传感器的解耦难度与构型复杂度存在矛盾的现状,给出了12支链预紧式并联六维加速度传感器的设计方案,并在四维位形空间内构建了解耦算法。通过重组输入量并联列求解正向动力学方程和力协调方程,剖析了输出量的构成成份。通过引入前置、后置矩阵以及"辅助角速度"的概念,将动力学方程转换成两组形式简单的一阶线性常微分方程,并运用梯形方法推导出关键特征量的显式递推公式。解耦算法与ADAMS仿真的相对误差为0.62%,且前者的计算效率更高;试验结果显示,实物样机在1 min内的测量误差为8.42%,验证了设计方案的可行性。通过在离散节点处进行Taylor展开,推导出局部截断误差的解析式,为解耦精度的提高提供了依据。进一步地,将解耦算法推广至更一般化的情形,通过引入两个关于向量独立元素的定理,证明出预紧式并联六维加速度传感器的最少支链数为7,对应拓扑构型的最少自由度为6。

类人机器人腕用六维加速度传感器的理论研究

类人机器人灵巧手抓取过程中的惯性力会影响到抓取的鲁棒性,为了消除惯性力的影响,需要检测出加在手上的空间加速度反馈给控制系统,以确保抓取的平稳性和快速性。采用并联机构作为弹性元件研究了一种六维加速度传感器,建立了静态数学模型,推导了加速度和灵敏度雅可比矩阵,并对传感器的静态特性进行了研究。根据定义的静态性能指标采用空间模型理论的图谱寻优法,优化设计了传感器的理论模型参数。为了验证设计参数的可靠性,给出了1种类人机器人腕用六维加速度传感器的算例,仿真实验获得的各弹性连接杆上应变的实验值与理论值的最大误差为1.617%。最后标定实验结果证明研究的理论和方法是有效和可靠的。

并联式六维加速度传感器的解耦参数辨识及其扰动分析

针对并联式六维加速度传感器的强非线性耦合特性,从解耦方程出发,构建了一种能够适应不确定性扰动的参数辨识模型。通过输入项的坐标反变换,得到了输入、输出项在载体系内的线性映射,据此提炼出13个参数项。定义并计算参数项对输入项的影响系数矩阵,确定了两者之间的敏感性以及参数项的优化依据。通过参数分离和运动分解,构造了3个稳定的辨识方程,据此提出一种参数辨识算法。运用算子范数理论剖析辨识方程自身的性态,揭示出,影响辨识误差的关键要素为输入矩阵的条件数,故理论上存在最优输入项。辨识结果与仿真数据吻合得较好,表现为,当外界扰动不超过1%时,参数误差小于0. 88%。实验室条件下,参数辨识后的传感器样机在1分钟内的测量误差为8. 42%,基本满足工作要求。

六维加速度传感器的研究现状及发展趋势

基于产品性能的高精尖发展需求,指出了研究六维加速度传感器的必要性。根据输入信号的作用部位对六维加速度传感器进行了分类,分析了各类型的本质属性和适用场合,并指出它们之间的关联。以解耦算法为主线,详细阐述了近十年来国内外学者在六维加速度传感器领域所做的工作及取得的成果,进一步提炼出个体的创新思想和共同面临的技术瓶颈。通过深入挖掘六维加速度传感器的解耦机理,找到了解决瓶颈问题的突破口,同时针对亟需解决的关键技术和未来的发展趋势给出了几点思考。得出的结论和展望给从事这一领域的研究者们提供了较有价值的参考。

基于并联机构的六维加速度传感器的方案设计及建模研究

提出一种新的基于并联机构的压电式六维加速度传感器的设计方案,即用并联机构充当传感器的弹性体结构,压电陶瓷同时充当传感器的敏感元件和并联机构的移动副,弹性球铰链代替传统的球面副。分别在质量块、外壳及地面上固结坐标系,基于多体系统理论推导两两之间位姿关系的解析表达式。运用牛顿-欧拉法建立系统的动力学方程,通过引入辅助角速度并用四元数来描述旋转矩阵和角速度矢量,将其转化成两个一阶常微分方程组的初值问题,并运用改进的欧拉算法进行求解,实现了六维加速度的完全解耦。针对四元数的违约问题,运用矩阵广义逆理论提出了一种有效的可重复运行的修正算法。利用建立的解耦模型及其算法对实例进行了求解,数据处理总时间小于采样点时间跨度,且理论计算值与ADAM S仿真数据吻合得很好;另外,通过试验进一步验证了设计方案的合理性以及数学模型的可靠性。

并联式六维加速度传感器的混合解耦及误差自补偿算法

针对惯性仪器普遍存在的误差累积问题,以并联式六维加速度传感器为例,提出了一种新的解决方案。通过融合位形空间和相空间内的解耦算法,推导出关于8个Hamilton转动参量的常微分方程组以及广义加速度关于转动参量的一次多项式,共同构成了新的混合解耦算法。通过剖析混合算法的基本结构及其中间参量的影响因素,找到了产生误差累积效应的根本原因。选取角速度、角位移的方向交替点为系统的振动状态特征点,推导了特征点与Hamilton变量的映射关系,并据此定义了2个状态观测量。基于观测量的局部小值和特征阈值,给出了特征点的判据,进而构建了一种半闭环结构的误差自补偿算法。样机试验结果显示:混合算法的计算精度明显高于纯空间算法;加入误差自补偿算法后,关键参量的相轨迹得到明显收敛,且未破坏整个算法的实时性;随机扰动为±30%时,特征点的误判率、漏判率分别为2.0%和3.5%,且该指标值与扰动正相关;实验室条件下,并联式六维加速度传感器在1 min内的综合误差仅为3.05%,表明新的解决方案有效缓解了误差累积效应。

一种六维加速度传感器的测量属性分析

本文研究的六维加速度传感器为并联机构,旨在用于低频作业装备下的小量程加速度测量。为了能够准确地获取传感器的测量属性,采用并联机构的守恒转换的方法求解传感器的刚度矩阵,通过对传感器的简化建立系统的无阻尼自由振动模型,获得传感器固有频率求解的理论表达式,对双悬臂梁弹性元件进行分析,计算获得悬臂梁弯曲应力与上平台加速度加载的关系曲线,利用有限元分析仿真确定传感器的测量范围,经过实验验证,证明该传感器在16 Hz,x轴方向0-10 m/s2的加载状态下传感器测量电压与加速度加载量之间具有良好的线性关系,传感器的线加速度精度为1.3%。

六维加速度传感器的两类解耦算法及其对比研究

针对目前六维加速度传感器在研制过程中遇到的瓶颈,分别在位形空间内运用牛顿-欧拉方程以及在相空间内运用哈密顿正则方程推导出两类关于加速度6个分量的完全解耦算法。与传统算法相比,这两类算法均具有不依赖外部设备、不限制载体运动规律的优点。通过定性和定量对比两类算法数值求解精度、效率和稳定性,揭示了解耦机理,同时得到了六维加速度传感器解耦算法的五点选取原则。将实物样机安装在标准激振器上进行了实验测试,实验结果与理论分析相一致。

一体化结构六维加速度传感器设计

提出了一种基于单惯性质量块的一体化结构六维多维加速度传感器设计,介绍了传感器的工作原理,采用有限元工具对传感器静态和动态特性进行了分析,给出了弹性体的应变分布、固有频率及振型等,实验结果表明传感器的误差小于1%。

基于Kane方法的并联式六维加速度传感器动态特性研究

六维加速度传感器因其系统的复杂性,对其动态特性的研究较少。针对所研究的并联式六维加速度传感器(以下简称并联惯性传感器),建立基于Kane方法的动力学模型,对并联惯性传感器的动态特性进行理论分析,通过传感器理论模型的结构简化和忽略系统阻尼的影响,建立动力学模型的解析解方程,推导传感器的固有频率和振型,与有限元法仿真环境下得到的试验数据进行比对,验证所建立动力学模型的准确性。在传感器工作频率带宽内,采用一定频率的加速度荷载进行标定试验,试验结果表明线加速度测量精度为1.3%。