多维并联柔性重力梯度敏感机构创新设计研究

For measuring components of gravity gradient with miniaturized system, a kind of multidimensional compliant and parallel sensing mechanisms are presented. These mechanisms have many advantages such as multidimensional on-time components measuring, high sensitivity, high precision, high anti-interference capability, low components coupling. Beginning with the type synthesis of flexure mechanisms in terms of the exact constraint principle and a graphic approach, the mapping relationship will be established, which defines the connection between components of gravity gradient, the freedoms and constraints of mechanism. Based on the screw theory, novel compliant sensing mechanisms are analyzed for measuring different multidimensional components of gravity gradient. In order to minimize motion coupling, an effective relationship between the stiffness matrix and sensing errors need be established, then the design of high-precision sensing mechanism can be resorted to the problems of parametric design and dimension synthesis of a compliant mechanism. Finally, a prototype for measuring gravity gradient based on fiber measurement will be developed and tested for experimental certification. The achievements will supply both theoretic and technological supports for design of multidimensional gravity gradient mechanism and other precise instruments. At the same time, they can pose a little significant effect on extending the applications of compliant mechanisms in the field of precision engineering.

本项目的研究对象是一类用于重力梯度测量的多维并联柔性敏感机构。该机构应具有多分量同步测量、灵敏度高、精度高、抗干扰能力强、分量耦合小等特点。项目力图从柔性机构构型创新着手，基于精确约束设计原理和图谱法，将旋量理论作为数学工具，探寻重力梯度分量与机构自由度及约束之间的映射联系，挖掘满足不同维度重力梯度分量测量要求的新型并联柔性敏感机构。在运动耦合最小的原则下探索系统刚度矩阵与重力梯度敏感误差间的有效映射，将敏感机构的精度设计问题转化为柔性机构的参数设计与尺度综合问题。最后，通过一种基于光纤测量的重力梯度仪实验样机研发和性能测试，验证理论成果。 本项目研究成果可为多维重力梯度敏感机构及其他精密仪器的设计提供理论依据和技术支撑。同时，有望对拓展柔性机构在精密工程领域的应用起到一定的积极作用。

本项目的研究对象是一类用于重力梯度测量的多维并联柔性敏感机构。该机构应具有多分量同步测量、灵敏度高、精度高、抗干扰能力强、分量耦合小等特点。本项目以柔性机构作为研究对象，基于旋量理论和图谱法对其常用构型进行了刚度综合，通过基本柔性单元的刚度分析，提出了基于刚度参数化的柔性机构构型综合方法，并将其应用到重力梯度敏感机构的设计中。主要研究内容包括：以旋量理论作为数学工具，借助目前比较成熟的图谱法，从串联、并联、混联连接方式出发，综合得到了目前常用的四十余种柔性机构，对于每一种构型，绘出了其三维立体图、自由度约束线图和柔度矩阵计算图，借助柔性机构建模方法，给出了其参数化的刚度（柔度）矩阵；对柔性基本单元柔性杆和柔性板簧，进行了参数化建模分析，通过无量纲后的柔度矩阵，分析比较了4种1R并联柔性铰链，在主功能方向柔度和寄生误差等方面，对构型进行了优选；通过对参数化的柔性板簧和柔性杆的分析，发现了尺寸参数取值的不同对应着不同自由度构型，提出了一种基于刚度参数化的柔性机构柔度分析和构型综合方法，给出了柔性机构柔度分析及构型综合方法的流程和步骤，并将其应用到串联、并联、混联柔性机构构型和刚度综合中，选取实际参数进行有限元仿真验证，在线性范围内，相比于仿真结果，分析误差在6%以内；利用刚度参数化构型综合方法，设计了一种两自由度同时敏感的重力梯度敏感机构，通过有限元仿真，验证了理论模型的正确性，能够实现预期的性能指标。本项目研究成果可为多维重力梯度敏感机构及其他精密仪器的设计提供理论依据和技术支撑，同时，有望对拓展柔性机构在精密工程领域的应用起到一定的积极作用。