一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法技术

本发明专利技术一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法属于索驱机构与力测量技术交叉领域，涉及一种采用索驱动并联机构进行空间六维力解耦测量的方法。该方法利用对称分布八索驱动并联机构进行空间六维力的解耦测量，将钢丝绳组件悬挂于索驱空间六维力测量机构内部，利用绳索与驱动装置代替刚性杆将运动与力传递到并联机构中的动模拟平台上。通过机构运动学模型和静力学平衡条件，建立起空间六维力与各索力之间的映射关系。采用静力学解耦方法对空间六维力进行解耦测量。该方法对空间六维力的解耦方便，精确性与重复性较高，连续性与实效性较好，更加有利于对发动机推力等的测量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法


[0001]本专利技术属于索驱机构与力测量技术交叉领域，涉及一种采用索驱动并联机构进行空间六维力解耦测量的方法。

技术介绍

[0002]在航空发动机、火箭推进或卫星推力矢量等测试中，经常需要在地面试车台进行不同方向推力的加载、测试以及校准，通过大量的测试试验来获取测试数据、验证并准确评估发动机的性能，以保证飞机、火箭或卫星的安全运行。目前在航空发动机中进行多自由度耦合的空间六维力测量时，一般采用的是刚性结构，在测力台架不同位置上针对各方向设置多个力传感器，用以测量空间六维力的各分量值，后将六分量力测量值合成被测六维力值来进行。这样的测量方法会受到测力台架结构特性，各分量力交互作用等多种因素的影响，需要对六维力测量系统进行多次修正，且可测量的空间六维力方向和位置有限，这在一定程度上影响了空间六维力测量的准确性、效率性以及实时性。
[0003]专利号为CN114136524A，专利技术人为赵友等的专利技术专利“一种六维力测量平台及其解耦方法”，测量平台采用一体化制造技术加工成一个整体，结构紧凑，通过对内部四个三维力传感器的输出信号进行线性加减，得到六维力测量结果，解耦方法简单、测量精度较高。但由于刚性机构在不同的应用场合下测量方向、作用点多变的空间六维力时仍需进行多次装拆，在一定工作空间的测量范围内调整其安装位姿比较困难。
[0004]索驱动并联机器人，也叫索驱并联机构，是索驱动形式机构与并联机器人的结合，可以利用绳索与驱动装置代替刚性杆将运动与力传递到并联机构中的动平台上，具有良好的运动性能、较高的负载能力、结构简单、惯性小以及较大的工作空间等优点，其机构系统的刚度也可以通过调节绳索上的索力和绳索长度来改变。结合其独特的优势，可以通过研究机构的静力学平衡条件，从而建立起空间六维力与各索力之间的映射关系。也可以通过研究机构的动力学模型，使空间六维力承受端机构动平台运动至理想被测位姿状态。由于其结构简单，故在测量试验前后的装卸也很方便。所以利用索驱并联机构的各种优势即可准确高效的对一定可调范围内空间六维力进行测量，可以改善现有测量机构及方法的局限性。

技术实现思路

[0005]本专利技术为克服现有空间六维力测量中，测力结构复杂，工作空间有限，六分量力解耦困难的问题，专利技术了一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法，该方法利用对称分布八索驱动的并联机构测量空间六维力，并进行解耦测量，这种装置将测量组件利用钢丝绳悬挂于索驱空间六维力测量机构内部，通过研究机构的运动学与静力学关系，可实现利用该装置对空间六维力的测量与静力学解耦的功能。通过研究机构的动力学关系，可实现测量组件在合理工作空间中的位姿调整，以便测量不同方向、不同作用点的空间六维力。被测空间六维力作用点的位姿可控，且工作空间大，采用的静力学解耦方法对空间六维
力的解耦方便，精确性与重复性较高，操作简易、测量准确，更加有利于对发动机推力的测量。
[0006]本专利技术采用的技术方案是一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法，其特征是，该方法利用对称分布八索驱动机构进行空间六维力测量装置进行解耦测量，将钢丝绳悬挂于索驱空间六维力测量机构内部，利用绳索与驱动装置代替刚性杆将运动与力传递到并联机构中的动平台上，通过机构静力学平衡条件，建立起空间六维力与各索力之间的映射关系建立动力学模型；采用静力学解耦方法对空间六维力的进行解耦测量；测量方法的具体步骤如下：
[0007]步骤一、分别调整八条索驱动中的钢丝绳和各导向滑轮的相对位置；
[0008]各导向滑轮5分别沿装置总体机架各顶点与相邻动模拟平台1各顶点连线的导向进行安装调整，尽可能的减小了钢丝绳4与导向滑轮5内表面的接触点位置的偏移变化；
[0009]步骤二、伺服控制系统与伺服电机连接；
[0010]在安装好的空间六维力测量装置上，将伺服控制系统与八索驱动空间六维力测量装置中的伺服电机6连接，进行驱动控制，并使所有绳索均处于正拉力预紧状态；
[0011]步骤三、建立固定坐标系和运动坐标系，导出机构内绳索长度矢量与动模拟平台1位姿关系；
[0012]索驱式空间六维力测量机构的固定坐标系为O
‑
xyz，简称“O”，运动坐标系为O
′‑
x
′
y
′
z
′
，简称“O
′”
，l
i
表示从B
i
到A
i
的绳索矢量，a
i
表示A
i
在O下的位置矢量，b
i
表示B
i
在O
′
下的位置矢量，p表示O
′
在O下的位置矢量，R表示O
′
相对于自身的旋转矩阵，则绳索长度矢量与动模拟平台1位姿之间的关系为：
[0013]l
i
＝a
i
‑
p
‑
R
·
b
i (1)
[0014]单位绳索矢量为：
[0015]u
i
＝l
i
/||l
i
|| (2)
[0016]步骤四、建立运动学速度和加速度方程；
[0017]对上述绳索长度关系式按时间变量求导，则索驱加载机构的运动学速度方程为：
[0018][0019]公式(3)中，表示各绳索长度变化的速度矢量，
[0020]表示动模拟平台1的速度矢量，
[0021]J
T
表示速度雅克比矩阵，继续对时间变量求导，则索驱加载机构的运动学加速度方程为：
[0022][0023]公式(4)中，表示各绳索长度变化的加速度矢量，
[0024]表示动模拟平台1的加速度矢量；
[0025]步骤五、运动学建模与静力学分析，建立机构的静力学平衡方程；
[0026]在一定工作空间范围内，经过运动学建模与静力学分析，得到机构的静力学平衡方程，从而建立起合外力及合外力矩与八组S型拉力传感器3测得值之间的映射关系，得到被测空间六维力的计算方法；
[0027]在利用索驱机构进行空间六维力的测量时，采用静态加载测量；向动模拟平台1上的六维力传感器11中心施加设定的外部空间六维力，记录八组S型拉力传感器3的值t
i
，t
i
表示第i根绳索张紧力大小；
[0028]动模拟平台1所受到的合力与合力矩为F：
[0029]F＝W+G (5)
[0030]其中，W表示外部施加在动模拟平台1上的合力与合力矩，即被测空间六维力，G表示动模拟平台1所受到的重力对其产生的力与力矩；
[0031]索驱测量机构的静力学平衡方程为：
[0032]JT+F＝0 (6)
[0033]公式(6)中，J表示结构力雅克比矩阵：
[0034][0035]而T表示各绳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用索驱机构进行空间六维力解耦测量的方法，其特征是，该方法利用对称分布八索驱动机构进行空间六维力的解耦测量，将钢丝绳组件悬挂于索驱空间六维力测量机构内部，利用绳索与驱动装置代替刚性杆将运动与力传递到并联机构中的动平台上，通过机构运动学模型和静力学平衡条件，建立起空间六维力与各索力之间的映射关系；采用静力学解耦方法对空间六维力的进行解耦测量；测量方法的具体步骤如下：步骤一、分别调整八条索驱动中的钢丝绳和各导向滑轮的相对位置；各导向滑轮(5)分别沿装置总体机架各顶点与相邻动模拟平台(1)各顶点连线的导向进行安装调整，尽可能的减小了钢丝绳(4)与导向滑轮(5)内表面的接触点位置的偏移变化；由于本发明为静态加载，钢丝绳(4)与导向滑轮(5)内表面之间的摩擦力对整体结果影响很小，可以忽略；步骤二、伺服控制系统与伺服电机连接；在安装好的空间六维力测量装置上，将伺服控制系统与八索驱动空间六维力测量装置中的伺服电机(6)连接，进行驱动控制，并使所有绳索均处于正拉力预紧状态；步骤三、建立固定坐标系和运动坐标系，得出机构内绳索长度矢量与动模拟平台(1)位姿关系；索驱式空间六维力测量机构的固定坐标系为O
‑
xyz，简称“O”，运动坐标系为O
′‑
x
′
y
′
z
′
，简称“O
′”
，l
i
表示从B
i
到A
i
的绳索矢量，a
i
表示A
i
在O下的位置矢量，b
i
表示B
i
在O
′
下的位置矢量，p表示O
′
在O下的位置矢量，R表示O
′
相对于自身的旋转矩阵，则绳索长度矢量与动模拟平台(1)位姿之间的关系为：l
i
＝a
i
‑
p
‑
R
·
b
i
ꢀꢀ
(1)单位绳索矢量为：u
i
＝l
i
/||l
i
||
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(2)步骤四、建立运动学速度和加速度方程；对上述绳索长度关系式按时间变量求导，则索驱加载机构的运动学速度方程为：公式(3)中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王渊，林山，周伟，王智，唐首臣，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：