一种面向大柔度基底的运动力学测试方法技术

本发明专利技术公开了一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，涉及仿生工程测试技术领域，首先根据目标研究基底对象的运动特性，确定直线传动设备的数量，其次获取目标研究基底的力学模型和直线传动设备控制模型，并将目标研究基底力学模型的相关参数作为直线传动设备的控制参数；再搭建实验台，并对实验台中的传感器和直线传动设备进行标定，完成控制参数的修正；最后进行仿生机构的运动力学测试实验，并根据获得的解算公式对原始力数据进行处理，获得目标研究基底对象的力学特性。本发明专利技术不仅解决了单一力传感器面向柔性基底时的测量失效问题，还实现了对全方向、不同特性大柔度基底的模拟。的模拟。的模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种面向大柔度基底的运动力学测试方法


[0001]本专利技术涉及仿生工程测试
，更具体的说是涉及一种面向大柔度基底的运动力学测试方法。

技术介绍

[0002]目前，在仿生工程领域，人们对仿生机构的性能验证更多面向坚实基底。但从未来实际应用角度来说，无论是救援机器人、侦察机器人，还是面向太空环境的太阳能帆板清洁机器人，均需要面临具有较高柔度特性的基底环境。
[0003]在评价具有仿生黏附特性的爬壁机器人、跳跃机器人及其他仿生机构的运动性能时，对黏附力、脱附力、起跳力、着落力等特征力的测量尤为重要。目前，对于高刚度结构的力学测量技术目前已经非常成熟，相应的力学测量方法也已经比较完善。然而，面向高刚度结构的力传感器通常在受到较大晃动时，即使没有负载也会出现电位信号，所以相应测试技术已不再适用于大柔性结构的运动力学测量。
[0004]当前，受力采集技术的限制，针对具有非刚性尤其是大柔度结构的力学特性研究主要集中在纯理论分析与有限元分析阶段。然而在实际工况下，基底所面临的外载荷通常具有一定程度的实时性和复杂性，理论方法与数值方法普遍难以满足要求，仍需通过实验方法深入研究。已有的诸如压电薄膜传感器、石墨烯柔性传感器等新兴的面向柔性结构或柔性表面的传感器不仅精度较差，且对于使用场景普遍具有极多的限制，难以用于复杂受载情况下的力学测量。
[0005]因此，如何实现对仿生机构在大柔度基底上运动力学特性的近似测量是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术提供了一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，解决现有技术中提到的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、根据目标研究基底对象的运动特性，确定直线传动设备的数量；
[0010]步骤二、获取目标研究基底的力学模型，所述力学模型通过力与位移、速度、加速度之间的关系确定；
[0011]步骤三、确定直线传动设备控制模型，并将目标研究基底力学模型的相关参数作为直线传动设备的控制参数；
[0012]步骤四、完成实验台的设计和搭建，并获取实验台的参数属性；
[0013]步骤五、对实验台中的传感器和直线传动设备进行标定，完成控制参数的修正；
[0014]步骤六、直线传动设备与力采集设备同步运行，完成仿生机构的运动力学测试实验；
[0015]步骤七、确定所要求解的作用力，对实验台进行动力学分析，获得解算公式；
[0016]步骤八、根据获得的解算公式对原始力数据进行处理，获得目标研究基底对象的力学特性。
[0017]可选的，所述步骤一中还包括在分析目标研究基底对象的运动特性之后，确定其运动方向并在相应方向上设置直线传动设备模拟其运动，其余各个方向上对运动自由度进行限制。
[0018]可选的，步骤二中所述目标研究基底的力学模型为：
[0019][0020]转化为标准振动形式为：
[0021][0022]式中，项为x方向惯性力，项为y方向惯性力，项为z方向惯性力，与K和C相关的为刚度
‑
阻尼特性，M为目标研究基底质量，C为目标研究基底阻尼，K为目标研究基底刚度，ζ
x
为目标研究基底x方向阻尼比，ζ
y
为目标研究基底y方向阻尼比，ζ
z
为目标研究基底z方向阻尼比。
[0023]可选的，目标研究基底的刚度K和阻尼C的求解过程为：通过自由衰减法对目标基底进行振动特性标定实验，分别求出各个方向上的固有频率与阻尼比，进而求出目标研究基底的刚度K和阻尼C。
[0024]可选的，步骤三中直线传动设备控制模型为：
[0025][0026]式中，F
x
为x方向直线传动设备的控制模型，F
y
为y方向直线传动设备的控制模型，F
z
为z方向直线传动设备的控制模型，刚度、阻尼参数与步骤二中所得的模型参数一致。
[0027]可选的，步骤四中实验台设计和搭建的具体过程为：
[0028]根据所述步骤一的分析结果设计实验台，其中，x向直线传动设备的定子与三维力传感器顶面固定连接，y向直线传动设备的定子与x向直线传动设备的动子固定连接，z向直线传动设备的定子与y向直线传动设备的动子固定连接，等效基底平面与z向直线传动设备的动子固定连接，三维力传感器底面通过安装板与机架固定连接，实验台搭建完成，并获取各方向参与运动的质量M
apx
‑
x
、M
apx
‑
y
、M
apx
‑
z
。
[0029]可选的，控制参数修正的具体过程为：首先对三维力传感器进行标定实验，并将标定矩阵输入到力采集程序中，然后编写直线传动设备标定程序进行直线传动设备标定试验，对实验台各方向参与运动的质量进行修正，并求解出直线传动设备内部的固有阻尼，对质量参数进行修正时，首先在程序中设置一个固有频率参数ω
code
，并运行直线传动设备标定程序进行自由衰减振动试验获得实际振动特性的固有频率ω
a
，再根据公式
[0030][0031]分别求得实验台各方向的实际质量参数M
ax
、M
ay
、M
az
，将其作为新的质量参数输入到直线传动设备标定程序中并重新运行程序，再根据自由衰减法进行等效大柔度基底的标定试验，由此次标定试验的实测阻尼比ζ
a
结合质量参数与固有频率对直线传动设备自身阻尼带来的影响进行修正。
[0032]可选的，步骤七动力学分析的具体过程为：先将仿生机构与大柔度基底之间的作用力沿着所搭建实验台的坐标系进行分解，再通过达朗贝尔原理中的动静法将加速度项转化为惯性力，并结合力传感器的实测力对实际作用力在各方向上的分力进行求解，最终获得等效起跳平面所受的各方向分力的解算公式。
[0033]可选的，解算公式的具体形式为：
[0034][0035]式中，F
ax
为x方向所要求解的力，F
ix
为x方向惯性力，F
sx
为x方向三维力传感器的实际测量值，F
ay
为y方向所要求解的力，F
iy
为y方向惯性力，F
sy
为y方向三维力传感器的实际测量值，F
az
为z方向所要求解的力，F
iz
为z方向惯性力，F
sz
为z方向三维力传感器的实际测量值。
[0036]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，具有以下有益效果：
[0037]1、本专利技术通过直线传动设备对基底的柔度特性进行集中模拟，其余部分采用刚性元件进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，其特征在于，包括：步骤一、根据目标研究基底对象的运动特性，确定直线传动设备的数量；步骤二、获取目标研究基底的力学模型，所述力学模型通过力与位移、速度、加速度之间的关系确定；步骤三、确定直线传动设备控制模型，并将目标研究基底力学模型的相关参数作为直线传动设备的控制参数；步骤四、完成实验台的设计和搭建，并获取实验台的参数属性；步骤五、对实验台中的传感器和直线传动设备进行标定，完成控制参数的修正；步骤六、直线传动设备与力采集设备同步运行，完成仿生机构的运动力学测试实验；步骤七、确定所要求解的作用力，对实验台进行动力学分析，获得解算公式；步骤八、根据获得的解算公式对原始力数据进行处理，获得目标研究基底对象的力学特性。2.根据权利要求1所述的一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，其特征在于，所述步骤一中还包括在分析目标研究基底对象的运动特性之后，确定其运动方向并在相应方向上设置直线传动设备模拟其运动，其余各个方向上对运动自由度进行限制。3.根据权利要求1所述的一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，其特征在于，步骤二中所述目标研究基底的力学模型为：转化为标准振动形式为：式中，项为x方向惯性力，项为y方向惯性力，Mz项为z方向惯性力，与K和C相关的为刚度
‑
阻尼特性，M为目标研究基底质量，C为目标研究基底阻尼，K为目标研究基底刚度，ζ
x
为目标研究基底x方向阻尼比，ζ
y
为目标研究基底y方向阻尼比，ζ
z
为目标研究基底z方向阻尼比。4.根据权利要求3所述的一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，其特征在于，所述目标研究基底的刚度K和阻尼C的求解过程为：通过自由衰减法对目标基底进行振动特性标定实验，分别求出各个方向上的固有频率与阻尼比，进而求出目标研究基底的刚度K和阻尼C。5.根据权利要求1所述的一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，其特征在于，步骤三中所述直线传动设备控制模型为：
式中，F
x
为x方向直线传动设备的控制模型，F
y
为y方向直线传动设备的控制模型，F
z
为z方向直线传动设备的控制模型，刚度、阻尼参数与步骤二中所得的模型参数一致。6.根据权利要求1所述的一种面向大柔度基底的运动力学测试方法，其特征在于，步骤四中所述实验台设计和搭建的具体过程为：根据所述步骤一的分析结果设计实验台，其中，x向直线传动设备的定子与三维力传感器顶面固定连接，y向直线传动设备的定子与x向直线传动设备的动子固定连接...

【专利技术属性】
技术研发人员：王周义，冯一平，王昊宇，张宝文，袁清松，王炳诚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学深圳研究院，
类型：发明
国别省市：