基于冗余并聯(lián)機構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器研究.pdf

1、生物醫(yī)學(xué)、慣性導(dǎo)航、機器人等領(lǐng)域正朝著高、精、尖的性能方向發(fā)展,迫切需要六維加速度傳感器這類能夠同時獲取載體多自由度運動信息的測量系統(tǒng),目前國內(nèi)外對其研究尚處于原理探索階段,主要技術(shù)瓶頸在于解耦難度與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度之間存在矛盾。針對該現(xiàn)狀,本文提出了一種基于冗余并聯(lián)機構(gòu)的壓電式六維加速度傳感器,擁有自主知識產(chǎn)權(quán),從構(gòu)型設(shè)計、解耦算法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、參數(shù)辨識四個方面對其作了深入的研究和探討。
　　提出了一種基于四面體構(gòu)型的9-SPS冗余并聯(lián)

2、機構(gòu),運用螺旋理論、拓撲理論等現(xiàn)代機構(gòu)學(xué)理論對其展開分析,結(jié)果表明新型并聯(lián)機構(gòu)具有初始位姿空間內(nèi)零奇異、運動學(xué)正解封閉、冗余信息可用于處理次級噪聲、解耦特性優(yōu)越以及拓撲構(gòu)型緊湊且對稱等眾多優(yōu)點。鑒于此,用該構(gòu)型的并聯(lián)機構(gòu)充當六維加速度傳感器的彈性體結(jié)構(gòu),另外,壓電陶瓷同時充當敏感元件和移動副,彈性球鉸鏈充當球面副。在上述方案的指導(dǎo)下設(shè)計了六維加速度傳感器的原理樣機,并制作了一臺加工成本和安裝精度要求都較低的實物樣機。
　　分別在位

3、形空間內(nèi)運用矢量力學(xué)方法以及在相空間內(nèi)運用分析力學(xué)方法推導(dǎo)出系統(tǒng)的動力學(xué)方程;在同倫思想的啟發(fā)下,通過引入輔助角速度,解決了牛頓-歐拉方程中輸入輸出量耦合程度高的問題;通過挖掘出姿態(tài)四元數(shù)與其對應(yīng)的廣義動量之間“隱藏”著的正交關(guān)系,在不破壞原動力學(xué)方程平衡性的前提下,解決了涉及到哈密頓約束正則方程的指標-3問題;構(gòu)建了六維加速度傳感器的兩類解耦算法,它們均具有解耦效率高和算法適應(yīng)性強的優(yōu)點。考慮到兩類解耦算法在數(shù)值性態(tài)上存在較大差異,從

4、定性和定量兩個角度進行了全面地對比,并分析了造成兩者差異的原因,對比結(jié)果可用于指導(dǎo)傳感器在具體應(yīng)用場合下對解耦算法的合理選取。
　　通過以定義出的結(jié)構(gòu)矩陣為乘子的迭代運算,同時獲取到系統(tǒng)的基頻和一階主振型,巧妙避開傳統(tǒng)算法中需要求解高次方程的復(fù)雜工作,具有計算效率高和絕對收斂的優(yōu)點。通過添加關(guān)于構(gòu)型自身冗余約束關(guān)系的協(xié)調(diào)方程,解算了超靜定反向動力學(xué)方程,從而推導(dǎo)出靈敏度關(guān)于結(jié)構(gòu)參數(shù)的解析表達式,同時得出所設(shè)計傳感器理論靈敏度各向同

5、性的結(jié)論。提出并證明了關(guān)于誤差區(qū)間寬度的三個定理,據(jù)此揭示并量化了六維加速度傳感器的誤差傳遞關(guān)系,一定程度上拓展了區(qū)間分析法的應(yīng)用領(lǐng)域。為解決多目標優(yōu)化過程中普遍存在的三大問題,在基頻、靈敏度及誤差傳遞模型的基礎(chǔ)上提出了一種綜合性能函數(shù),據(jù)此繪制了六維加速度傳感器的性能圖譜,對傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及定量評價具有較大的參考價值。
　　通過深入剖析解耦算法中間參量的形成機理后發(fā)現(xiàn),在線閾頻和角閾頻之下分別激勵外殼做純線運動和純角運動時,

6、系統(tǒng)動力學(xué)方程可以簡化成只關(guān)于部分解耦參數(shù)的線性代數(shù)方程。據(jù)此提出了一種可用于對并聯(lián)式六維加速度傳感器的25個解耦參數(shù)實施分組辨識的“四步法”?？紤]到目前市場上還沒有能夠與“四步法”相匹配的外部激勵設(shè)備,研制了基于雙曲柄滑塊機構(gòu)的新型試驗平臺,且同樣擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。將傳感器實物樣機安裝在試驗平臺上,并運用自行開發(fā)的虛擬儀器控制參數(shù)辨識試驗的全過程。試驗結(jié)果顯示,參數(shù)辨識之后解耦誤差降低了1個數(shù)量級,表明“四步法”是有效的、可行的。