柔性X－Y－Z－θz四自由度位移傳感器的靜態(tài)解耦方法研究*

祖洪飛潘 奔彭來(lái)湖

(浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

近年來(lái)，各國(guó)先進(jìn)裝備制造、智能機(jī)器人和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域正蓬勃發(fā)展，這些領(lǐng)域?qū)Χ嘧杂啥雀呔任灰苽鞲衅鞯男枨笠苍谥鸩脚噬Ｍ瑫r(shí)，為了滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景以及各種復(fù)雜工況下的測(cè)量要求，研究者們也在不停地對(duì)位移傳感技術(shù)進(jìn)行革新，不斷有新材料以及新方案的應(yīng)用[1－2]。多自由度位移傳感器是一種可檢測(cè)到多個(gè)自由度位移信息的位移傳感器，在現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域以及實(shí)際科研應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用[3]。理想情況下，多自由度位移傳感器每一通道上的輸出都只由該方向的位移決定，各通道的輸出互不干擾，也沒(méi)有耦合。但實(shí)際上，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、材料加工及實(shí)驗(yàn)測(cè)試等過(guò)程中存在或多或少的誤差使各個(gè)通道之間存在不可避免的耦合[4－6]。要提高多自由度位移傳感器的測(cè)量精度，需最大限度地降低各個(gè)參數(shù)之間的耦合，并對(duì)存在的耦合進(jìn)行有效解耦[7]。

常用的解耦方法有硬件解耦和軟件解耦兩種。硬件解耦是從測(cè)量原理出發(fā)，通過(guò)對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，或通過(guò)工藝改良、提高加工精度等手段來(lái)減小耦合誤差。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，硬件解耦往往受到很多因素的制約，如依賴高精密加工裝備、工藝流程復(fù)雜、成本較高等，因此其應(yīng)用很受限。不同的是，軟件解耦是通過(guò)采用一定的解耦算法對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理來(lái)降低耦合誤差的。相較于硬件解耦，軟件解耦既不要求精密裝備，又不涉及傳感器結(jié)構(gòu)及工藝等方面的優(yōu)化，具有更高的可操作性，從而被廣泛采用[8－10]。

本文將從軟件解耦的思路出發(fā)，對(duì)實(shí)驗(yàn)室所研究的的柔性X－Y－Z－θz四自由度位移傳感器進(jìn)行靜態(tài)解耦方法研究及實(shí)驗(yàn)測(cè)試。由于該傳感器所采用的材料為彈性很大的聚氨酯材料，且在測(cè)試過(guò)程中其各自由度均有較大行程，因此各方向耦合較嚴(yán)重，且存在較大的遲滯以及非線性。本文擬采用對(duì)傳感器正反行程分別進(jìn)行靜態(tài)解耦的方式解決遲滯問(wèn)題。另外，通過(guò)對(duì)比分析基于克拉默法則、基于求解廣義逆矩陣等常用的靜態(tài)線性解耦算法，并在基于耦合誤差建模的靜態(tài)線性解耦模型的基礎(chǔ)上提出靜態(tài)非線性解耦模型，從而得到三者之中更適用于四自由度位移傳感器的解耦算法，提高傳感器的測(cè)量精度。

1 傳感器測(cè)量原理及耦合誤差分析

本文所研究的柔性X－Y－Z－θz四自由度位移傳感器的測(cè)量原理如圖1所示。傳感器核心部分為具有多自由度和連續(xù)大變形能力的圓柱狀聚氨酯彈性體，其一端固定，另一端自由，近固定端按一定的規(guī)律排布應(yīng)變片。當(dāng)移動(dòng)端產(chǎn)生X、Y、Z、θz方向的位移時(shí)，其固定端會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，進(jìn)而可以通過(guò)固定端應(yīng)變的測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)端位移的監(jiān)測(cè)[11]。

圖1 柔性四自由度位移傳感器測(cè)量原理簡(jiǎn)圖

理想情況下，該柔性X－Y－Z－θz四自由度位移傳感器每個(gè)通道的應(yīng)變只由對(duì)應(yīng)方向的位移決定。但由于其各自由度位移間存在無(wú)法避免的耦合，致使傳感器最終輸出的對(duì)應(yīng)各自由度的位移是多維耦合的結(jié)果，而非與各自由度一一對(duì)應(yīng)。即每個(gè)自由度的位移都或多或少會(huì)對(duì)其他維度位移的輸出信號(hào)產(chǎn)生影響，這嚴(yán)重影響了傳感器的測(cè)量精度[12－13]。

該傳感器的多維耦合誤差主要源自以下三個(gè)方面。①材料及結(jié)構(gòu)方面:為增大位移測(cè)量范圍，傳感器采用了高彈性、非線性的聚氨酯材料，且為了滿足扭轉(zhuǎn)維度的測(cè)量需求，傳感器采用了簡(jiǎn)單的圓柱體，結(jié)構(gòu)上并未進(jìn)行解耦設(shè)計(jì)；②各軸運(yùn)動(dòng)方面:實(shí)際上，傳感器移動(dòng)端由法蘭盤與機(jī)械手連接，產(chǎn)生位移后始終與固定端平行，這與圖1所示的彈性體純彎曲變形情況存在一定的差異。產(chǎn)生位移X、位移Y時(shí)，機(jī)械手會(huì)給彈性體一個(gè)軸向附加力，這將對(duì)位移Z的輸出產(chǎn)生影響。另外彈性體在產(chǎn)生位移Z時(shí)，會(huì)附加彎曲變形，又會(huì)對(duì)位移X、位移Y的輸出產(chǎn)生影響；③應(yīng)變片布片方面:近固定端會(huì)排布12個(gè)應(yīng)變片，其粘貼位置及角度的偏差也會(huì)帶來(lái)耦合誤差。

圖2為X、Y、Z、θz四個(gè)位移參數(shù)單獨(dú)作用時(shí)四個(gè)通道的應(yīng)變輸出情況，(a)、(b)、(c)、(d)分別代表僅有位移X、位移Y、位移Z以及位移θz單獨(dú)作用時(shí)，由應(yīng)變測(cè)量得到的各位移輸出結(jié)果。在無(wú)耦合情況下，當(dāng)僅一個(gè)位移單獨(dú)作用時(shí)，其他維度位移的應(yīng)變輸出應(yīng)為0，即其曲線應(yīng)平行于x軸且對(duì)應(yīng)應(yīng)變均為0。但由于多維耦合誤差的存在，使其他維度位移的應(yīng)變輸出不為0，甚至有的偏差較大。例如，圖2(a)代表僅位移X單獨(dú)作用，可以看到，位移Z的輸出也會(huì)隨著X方向位移的增大而變大，X位移為30 mm時(shí)，Z通道的耦合輸出高達(dá)577με，這給傳感器帶來(lái)極大的測(cè)量誤差，故需使用合適的解耦算法對(duì)傳感器進(jìn)行解耦。

圖2 位移X、Y、Z、θz單獨(dú)作用時(shí)各方向的輸出情況

2 傳感器的靜態(tài)解耦方法

傳感器常用的靜態(tài)線性解耦方法主要有三種，分別基于克拉默法則、求解矩陣廣義逆及耦合誤差建模[14－15]。這三種方法主要用于靜態(tài)線性解耦，可以解決一部分線性耦合問(wèn)題，但本文所研究的傳感器有存在一定的非線性但不是很嚴(yán)重。由于在耦合建模的線性基礎(chǔ)上更易于推導(dǎo)出相應(yīng)的非線性模型，因此，本文在基于耦合誤差建模的靜態(tài)線性解耦模型的基礎(chǔ)上提出了靜態(tài)非線性解耦模型，通過(guò)理論分析以及與其余兩種靜態(tài)線性解耦算法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比看是否適用于傳感器。另外，傳感器正反行程存在一定的滯回，故需對(duì)其正反行程分別進(jìn)行解耦。

2.1 基于克拉默法則的靜態(tài)線性解耦算法

設(shè)四自由度位移傳感器位移輸入量與應(yīng)變輸出量有良好的線性關(guān)系，用位移向量S＝(S XS YS Z

SθZ)T表示任意位移，ε＝(εXεYεZεθZ)T表示任意位移作用下四個(gè)位移通道輸出的應(yīng)變值，則輸入位移S與輸出應(yīng)變?chǔ)艥M足以下關(guān)系:

式中:S為廣義位移向量，C為4×4的解耦矩陣，ε為應(yīng)變輸出向量。

選取四個(gè)線性無(wú)關(guān)的位移向量組成標(biāo)定位移矩陣B；把多次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的位移數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)位移通道的正反行程應(yīng)變輸出數(shù)據(jù)取平均值，相應(yīng)位移向量構(gòu)成的正反行程應(yīng)變輸出為矩陣A；則可通過(guò)求解線性方程組的方式求出解耦矩陣C正、C反。以正行程為例:

式中:i、j＝1、2、3、4；S i表示在第n次加載實(shí)驗(yàn)中第i號(hào)廣義位移值的大小，εi j表示第i號(hào)廣義位移在第n次加載過(guò)程中第j號(hào)電橋的應(yīng)變輸出量，將標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別通過(guò)式(2)、式(3)求出矩陣B、矩陣A。則矩陣C正可由下式求得:

針對(duì)本傳感器的測(cè)試及結(jié)算結(jié)果如下:

同理可求得C反:

2.2 基于求矩陣廣義逆的靜態(tài)線性解耦算法

同樣，設(shè)四自由度位移傳感器位移輸入量與應(yīng)變輸出量呈線性關(guān)系，且X、Y、Z、θz四個(gè)位移產(chǎn)生的變形可疊加。向量S與向量ε與上文意義相同。以傳感器正行程為例，當(dāng)S X單獨(dú)工作時(shí)，傳感器四個(gè)通道對(duì)應(yīng)的應(yīng)變輸出分別用εX X、εYX、εZX、εθzX，其中εYX、εZX、εθzX分別代表在僅有位移X作用時(shí)位移Y、位移Z以及角位移θz的耦合輸出，其他εi j的意義可依次類推。那么，根據(jù)傳感器位移輸入與應(yīng)變輸出呈線性的假設(shè)可知:

則當(dāng)S X單獨(dú)作用n次時(shí)可表示為:

當(dāng)S Y單獨(dú)作用n次時(shí)可表示為:

當(dāng)S Z單獨(dú)作用n次時(shí)可表示為:

當(dāng)Sθz單獨(dú)作用n次時(shí)可表示為:

將S X、S Y、S Z、Sθz共計(jì)實(shí)驗(yàn)n次的結(jié)果按式(8)至式(11)整合成如下矩陣表達(dá)式:

簡(jiǎn)記為:

式中:S為4×n的位移矩陣，ε為4×n的應(yīng)變輸出矩陣，K為常數(shù)矩陣，則常數(shù)矩陣K可由下式表示:

因此，由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中正行程的30組數(shù)據(jù)(每組數(shù)據(jù)都為實(shí)驗(yàn)3次的平均值)以及相應(yīng)四個(gè)通道的應(yīng)變輸出可構(gòu)成矩陣S和矩陣ε，其中，S為4×30的位移矩陣，ε為4×30的正行程應(yīng)變輸出矩陣。進(jìn)而將矩陣S、矩陣ε代入式(14)中求出正行程的解耦矩陣K正:

同理可得到反行程的解耦矩陣K反:

2.3 基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法

如前文所述，在四自由度位移不存在耦合的情況下，某一通道的應(yīng)變輸出只由該維作用位移確定，并不受其他位移的影響。如圖3所示，ε1、ε2、ε3、ε4表示位移X、Y、Z、θz的輸出應(yīng)變。

圖3 無(wú)耦合時(shí)四自由度位移傳感器輸入輸出系統(tǒng)

圖3所示關(guān)系可用下式表達(dá):

在存在耦合的情況下，為了描述方便，這里我們先假設(shè)各位移之間的耦合為線性關(guān)系，如圖4所示，四個(gè)通道的應(yīng)變輸出ε1、ε2、ε3、ε4由四自由度作用位移S X、S Y、S Z、Sθz疊加而成，可用如下表達(dá)式表示:

圖4 存在耦合時(shí)四自由度位移傳感器輸入輸出系統(tǒng)

式中:εii代表主方向作用位移對(duì)該方向應(yīng)變輸出的影響，εij(i≠j)代表其他位移對(duì)該方向應(yīng)變輸?shù)挠绊憽?/p>

以S X為例，該方向位移的耦合誤差為ε′X＝ε12＋ε13＋ε14，由式(17)、式(18)可知，四自由度位移輸入與相應(yīng)的應(yīng)變輸出滿足下式:

令k i jk′jj＝k′i j，可得四自由度的解耦公式為:

式(21)為基于耦合誤差建模的靜態(tài)解耦算法的基本模型，但該模型是在位移輸入與應(yīng)變輸出呈線性這個(gè)假設(shè)下得到的。然而實(shí)際情況是它們之間的耦合并不是完全的線性關(guān)系，有的甚至非線性較強(qiáng)，如圖5所示。

同樣以正行程為例，圖5中(a)、(b)、(c)、(d)為四個(gè)位移單獨(dú)作用時(shí)，其他三個(gè)通道應(yīng)變的耦合輸出與主通道應(yīng)變輸出的關(guān)系?？梢钥闯?，其關(guān)系并非線性。因此，為進(jìn)一步提高傳感器的測(cè)量精度，需要一種非線性解耦算法。基于耦合誤差建模的靜態(tài)解耦方法，本文提出了改進(jìn)的非線性解耦方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體如下:實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，分別對(duì)傳感器施加位移S X、S Y、S Z、Sθz，并記錄其余通道的應(yīng)變輸出值，多次試驗(yàn)取平均值，并將四個(gè)主通道的位移－應(yīng)變輸出擬合曲線關(guān)系用二次多項(xiàng)式表示:

圖5 某位移單獨(dú)作用時(shí)其他位移耦合輸出與主位移應(yīng)變關(guān)系

則可得到基于耦合誤差建模的非線性解耦模型表達(dá)式:

然后，根據(jù)此基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法，將正反行程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(23)、式(24)可求得解耦模型中正反行程各參數(shù)方程，見(jiàn)表1、表2。

表1 正行程各參數(shù)方程

表2 反行程各參數(shù)方程

3 誤差對(duì)比及解耦結(jié)果

為了更加直觀地看出三種解耦算法的解耦結(jié)果，本文根據(jù)三種解耦算法對(duì)所測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦，然后由作出相應(yīng)的絕對(duì)誤差對(duì)比圖，如圖6至圖9所示。

圖6 位移X正反行程三種解耦算法誤差對(duì)比

圖7 位移Y正反行程三種解耦算法誤差對(duì)比

圖6至圖9分別代表位移X、位移Y、位移Z、角位移θz正反行程采用三種靜態(tài)解耦算法后的絕對(duì)誤差對(duì)比圖，其橫坐標(biāo)為相應(yīng)位移值，縱坐標(biāo)為解耦后的絕對(duì)誤差。由圖6至圖9可知，在采用基于耦合誤

圖8 位移Z正反行程三種解耦算法誤差對(duì)比

圖9 角位移θz正反行程三種解耦算法誤差對(duì)比

差建模的靜態(tài)非線性解耦算法后，位移X、Y、Z、θz的誤差值均明顯低于其余兩種解耦算法。X、Y、Z、θz四個(gè)位移采用基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法后的誤差均值分別為0.322 mm、0.330 mm、0.025 mm、0.18°。其余兩種靜態(tài)解耦算法的絕對(duì)誤差值都大于基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法的絕對(duì)誤差均值，這說(shuō)明基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法更適用于本文所提到的四自由度位移傳感器。

為了評(píng)價(jià)四自由度位移傳感器的精度，我們用Ⅰ類誤差和Ⅱ類誤差來(lái)表示。

式中:Y i(FS)表示i方向可施加位移的滿量程值；e i(max)表示i方向施加的位移值與實(shí)際測(cè)得位移值之間的最大差值；Y ij(max)表示當(dāng)j方向施加位移時(shí)且其余3個(gè)方向無(wú)位移時(shí)，i方向測(cè)得的最大位移。

根據(jù)式(25)、式(26)求得四個(gè)位移參數(shù)未采用耦合誤差建模解耦前的Ⅰ類誤差分別為1.79%、1.98%、1.37%、1.08%，解耦后分別為1.41%、1.85%、1.25%、1.03；Ⅱ類誤差未解耦前分別為6.78%、4.01%、21.42%、3.61%，解 耦 后 分 別 為1.73%、2.05%、1.33%、1.19%。從以上數(shù)據(jù)可以看出Ⅰ類誤差解耦前后變化不大，但Ⅱ類誤差降了大約2～16倍。因此，基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法顯著提高了四自由度位移傳感器的精度。

4 結(jié)論

本文針對(duì)柔性X－Y－Z－θz四自由度位移傳感器各維位移因耦合較大而影響測(cè)量精度的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)三種常用解耦算法的分析比較，得到了適用于四自由度位移傳感器的解耦算法為基于耦合誤差建模的靜態(tài)解耦算法，并在其線性的理論基礎(chǔ)上推導(dǎo)了適合四自由度位移傳感器的非線性模型。

另外，針對(duì)傳感器遲滯較大的問(wèn)題，本文采用了正反行程分別解耦的方式。

結(jié)果表明，在使用基于耦合誤差建模的靜態(tài)非線性解耦算法后Ⅰ類誤差雖前后變化不大但Ⅱ類誤差降低了大約2～16倍，提高了四自由度位移傳感器的精度。

另外，還可通過(guò)提高耦合誤差建模解耦算法中的函數(shù)階次來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)量精度，但這是比較有限的。改進(jìn)解耦算法以及數(shù)據(jù)修正等方法是今后可考慮的提高測(cè)量精度的途徑。