CN101793582A - 一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统和测量方法，所述测量系统包括：测量控制分析单元，用于通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制，并根据运动信号以及六分力传感器传送的力和力矩分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量；六自由度运动平台，用于根据接收到的运动信号按相应的姿态或运动方式进行运动；六分力传感器，安装在六自由度运动平台上，用于通过采集测量参数获得被测刚体所受的力和力矩；安装平台，固定在六分力传感器上，用于安装被测刚体；六自由度运动平台通过六分力传感器和安装平台带动被测刚体进行运动。通过本发明能够实现质量、质心和转动惯量的测量，步骤简单、并且误差较小。

Description

一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统和测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统和测量方法。

背景技术

在对汽车或其它机械设备进行性能计算和动力学仿真时，经常要使用到质量、质心位置、转动惯量等参数，这些参数对于车辆的性能计算和动力学仿真是必需和关键的。实际计算和仿真时，大多采用估算法，但估算数值可能与真实值相差很多，这直接影响了计算结果的精度和真实性。

目前，测量质量和质心位置的主要方法是侧倾称重法，该种方法测量形式有一定的局限性，测量结果单一，不能够同时实现转动惯量的测量。

测量转动惯量的方法主要有：三线摆、质量周期法、弹簧共振法、频谱分析法等。三线摆、质量周期法和弹簧共振法存在测量周期选择不合适而造成误差的问题：若测量周期数太少，将使所得周期的偶然误差增大；若测量周期数太多，虽然可以减小计时起、停时的误差，但由于受空气等阻力的作用影响变大，相应的周期将会变长，使所测周期的误差变大。此外，在做三线摆测量时，由于忽略了平动动能的影响因此出现测量结果与理论值误差较大，并且还存在步骤繁琐、耗时较多等缺点。频谱分析法通过频谱分析，获得角振动固有频率，最后根据固有频率计算得出转动惯量，这是一种间接测试方法，中间环节较多，由于根据频谱分析得到的固有频率已经存在一定的误差，则最终结果计算出的转动惯量精度较差。

总之，需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提供一种测量方法，实现刚体质量、质心和转动惯量的测量，克服现有技术中步骤繁琐、误差较大的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种刚体质量、质心和转动惯量的测量方法和系统，能够实现质量、质心和转动惯量的测量，步骤简单、并且误差较小。

为了解决上述问题，本发明公开了一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统，所述测量系统包括：

测量控制分析单元，用于通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制，并根据所述运动信号以及六分力传感器传送的力和力矩，分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量；

六自由度运动平台，用于根据接收到的运动信号按相应的姿态或运动方式进行运动；

六分力传感器，其安装在六自由度运动平台上，用于通过采集测量参数获得被测刚体所受的力和力矩；

安装平台，其固定在六分力传感器上，用于安装被测刚体；

其中，所述六自由度运动平台通过六分力传感器和安装平台带动被测刚体进行运动。

优选的，所述运动信号包括：X、Y、Z三个方向的平动位移、速度或加速度，或者，绕X、Y、Z三个轴转动的角度、角速度或角加速度；

所述姿态包括：水平静止、绕X轴侧倾、绕Y轴俯仰或者绕Z轴横摆；

所述运动方式包括：X、Y、Z三个方向的平动，或者绕X、Y、Z三个轴的转动；其中，所述转动包括：绕X轴的侧倾运动、绕Y轴的俯仰运动、或者绕Z轴的横摆运动。

进一步，所述六分力传感器包括：三个或三个以上的三分量力传感器；其中，各个三分量力传感器分别采集各自X、Y、Z三个方向的力。

进一步，所述六分力传感器还包括：力和力矩计算单元，用于根据三分量力传感器的位置及其采集的力，计算获得被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。

进一步，所述测量控制分析单元包括：

刚体质量计算单元，用于在六自由度运动平台静止时，根据被测刚体所受的重力反力F_Z计算出被测刚体的质量；

质心坐标计算单元，用于在六自由度运动平台水平静止、侧倾或俯仰时，根据被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z计算出质心坐标；

转动惯量计算单元，用于在六自由度运动平台绕轴转动时，根据角加速度和被测刚体绕该轴的力矩，计算绕该轴的转动惯量；其中，所述轴包括：安装平台X、Y、Z轴以及质心X、Y、Z轴。

此外，本发明还公开了一种刚体质量、质心和转动惯量的测量方法，包括：

通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制；

六自由度运动平台根据接收到的运动信号，通过六分力传感器和安装平台带动被测刚体按相应的姿态或运动方式进行运动；

根据六分力传感器采集的测量参数获得被测刚体所受的力和力矩；

根据所述运动信号以及所获得的力和力矩，分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量。

优选的，所述运动信号包括：X、Y、Z三个方向的平动位移、速度或加速度，或者，绕X、Y、Z三个轴转动的角度、角速度或角加速度；

所述姿态包括：水平静止、绕X轴侧倾、绕Y轴俯仰或者绕Z轴横摆；

所述运动方式包括：X、Y、Z三个方向的平动，或者绕X、Y、Z三个轴的转动；其中，所述转动包括：绕X轴的侧倾运动、绕Y轴的俯仰运动、或者绕Z轴的横摆运动。

进一步，通过三个或三个以上的三分量力传感器采集测量参数；其中，各个三分量力传感器分别采集各自X、Y、Z三个方向的力。

进一步，所述获得被测刚体所受的力和力矩具体为：根据三分量力传感器的位置及其采集的力，计算获得被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。

进一步，所述分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量包括：

在六自由度运动平台静止时，根据被测刚体所受的重力反力F_Z计算出被测刚体的质量；

在六自由度运动平台水平静止、侧倾或俯仰时，根据被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z计算出质心坐标；

在六自由度运动平台绕轴转动时，根据角加速度和被测刚体绕该轴的力矩，计算绕该轴的转动惯量；其中，所述轴包括：安装平台X、Y、Z轴以及质心X、Y、Z轴。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所提出的测量系统，测量控制分析单元对六自由度运动平台的姿态和运动方式进行控制，通过六自由度运动平台带动被测刚体进行运动，通过六分力传感器获得被测刚体所受的力和力矩，通过测量控制分析单元按照运动信号以及力和力矩，分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量。本发明简化了刚体的质量、质心和转动惯量的测试过程，便于被测工件的安装与拆卸，不需要重复拆装，安装一次即可完成质量、质心、转动惯量的所有测试工作，步骤简单。

此外，六自由度平台作为受控机器人，按照运动信号中的具体参数作相应运动，动作精度高，提高了测试结果的精准度，去除了偶然误差；并且，其运动状态不受空气阻力的作用而改变，并减少了人为因素对测试结果的影响。

进一步，本测量系统能够根据运动信号以及采集的力和力矩，自动分析计算得到测量结果，具有较高的自动化。

附图说明

图1是本发明实施例中一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统实施例的结构示意图；

其中，图1(a)是测量系统的主视图；图1(b)是测量系统的左视图；图1(c)是测量系统的俯视图；

图2是测量系统实施例中六分力传感器的结构示意图；

图3(a)是图1所示除去测量控制分析单元的部分测试系统侧倾后的主视图；

图3(b)是图1所示除去测量控制分析单元的部分测试系统俯仰后的左视图；

图4是本发明一种刚体质量、质心和转动惯量的测量方法实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了本发明一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统实施例的结构示意图，其特征在于，所述测量系统包括：

测量控制分析单元101，用于通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制，以及根据所述运动信号以及六分力传感器传送的力和力矩，分析计算出被测刚体105的质量、质心和转动惯量；

六自由度运动平台102，用于根据接收到的运动信号按相应的姿态或运动方式进行运动；

六分力传感器103，其安装在六自由度运动平台上，用于通过采集测量参数获得被测刚体105所受的力和力矩；

安装平台104，其固定在六分力传感器上，用于安装被测刚体；

其中，所述六自由度运动平台102通过六分力传感器103和安装平台104带动被测刚体进行运动。

具体的，如图1所示，测量控制分析单元101通过导线与六自由度运动平台102和六分力传感器103连接，一方面，测量控制分析单元对六自由度运动平台的姿态和运动方式进行控制；一方面，六分力传感器将获得的数据(力和力矩)传送至测量控制分析单元。六自由度运动平台102由上平台和下平台组成，其中，下平台与地面固定连接，保持不动，上平台可以进行运动，其上安装有六分力传感器103。六分力传感器103的上面固定一个安装平台，安装平台上设计有T型槽、螺纹孔等，用于安装各种工装和被测刚体(被试件)。被测刚体通过工装与六分力传感器103固定安装，其能够随六分力传感器和六自由度平台的上平台一起运动，运动方式通过测量控制分析单元101进行控制。

优选的，所述运动信号包括：X、Y、Z三个方向的平动位移、速度或加速度，或者，绕X、Y、Z三个轴转动的角度、角速度或角加速度；

所述姿态包括：水平静止、绕X轴侧倾、或者绕Y轴俯仰；

所述运动方式包括：X、Y、Z三个方向的平动，或者绕X、Y、Z三个轴的转动；其中，所述转动包括：绕X轴的侧倾运动、绕Y轴的俯仰运动、或者绕Z轴的横摆运动。

即根据测量控制分析单元设定的姿态，可以控制六自由度运动平台移动一定距离，或根据设定转动的角度，使六自由度平台呈现一定的侧倾(绕X轴转动到某一角度)、俯仰(绕Y轴转动到某一角度)、横摆(绕Z轴转动到某一角度)的静止姿态。根据测量控制分析单元设定转动的角速度和/或角加速度，可以控制六自由度运动平台带动刚体绕X、Y、Z三个轴进行转动。并且，还可以根据测量控制分析单元的控制，将上述动作按照一定的规律(如正弦)作连续运动。

需要说明的是，在本发明实施例中，坐标系设置为：安装平台的中心为坐标系的原点，向上为Z方向，X、Y方向参见图1。

进一步，所述六分力传感器包括：三个或三个以上的三分量力传感器；其中，各个三分量力传感器分别采集各自X、Y、Z三个方向的力。

即通过三个或三个以上的三分量力传感器，可以通过力的分解与合成，转化为安装平台中心点处X、Y、Z三个方向的力。在本发明实施例中，为了计算方便，所述六分力传感器由四个三分量力传感器组成。如图2所示，六分力传感器设置在六自由度运动平台的上平台上，安装平台未画出，O点位于安装平台的中心处。三分量力传感器一端安装在六自由度平台的上平台上，另一端与安装平台连接，四个三分量力传感器平均分布(相邻夹角为90度)在以上平台中心点为原点、半径为R的圆周上。

三分量力传感器A采集到的力为：F_XA、F_YA、F_ZA，三分量力传感器B采集到的力为：F_XB、F_YB、F_ZB，三分量力传感器C采集到的力为：F_XC、F_YC、F_ZC，三分量力传感器D采集到的力为：F_XD、F_YD、F_ZD。在本发明实施例中，各个分力“X、Y、Z”的标注与坐标系X、Y、Z的方向不同，具有“X”标注的力为指向安装平台中心处的力，具有“Z”标注的力为指向平台上方的力。

优选的，所述六分力传感器103还包括：

力和力矩计算单元，用于根据三分量力传感器的位置及其采集的力，计算获得被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。

本发明实施例中，被测刚体所受的力和力矩中“X、Y、Z”的标注方向与坐标系的方向相同。通过力和力矩计算单元，可以将四个三分量力传感器测得的12个力可简化为安装平台中心点O处的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。其计算转换公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_X=F_{\mathrm{YA}}+F_{\mathrm{XB}}-F_{\mathrm{YC}}-F_{\mathrm{XD}}\\ F_Y={-F}_{\mathrm{XA}}+F_{\mathrm{YB}}+F_{\mathrm{XC}}-F_{\mathrm{YD}}\\ F_Z=F_{\mathrm{ZA}}+F_{\mathrm{ZB}}+F_{\mathrm{ZC}}+F_{\mathrm{ZD}}\\ M_X=(F_{\mathrm{ZA}}-F_{\mathrm{ZC}})R\\ M_Y=(F_{\mathrm{ZB}}-F_{\mathrm{ZX}})R\\ M_Z=-(F_{\mathrm{YA}}+F_{\mathrm{YB}}+F_{\mathrm{YC}}-F_{\mathrm{YD}})R\end{array}\right.$

上述力和力矩，简称为六分力，即为作用在被测刚体上X、Y、Z方向的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。

进一步，所述测量控制分析单元包括：

刚体质量计算单元，用于在六自由度运动平台静止时，根据被测刚体所受的重力反力F_Z计算出被测刚体的质量；

质心坐标计算单元，用于在六自由度运动平台水平静止、侧倾或俯仰时，根据被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z计算出质心坐标；

转动惯量计算单元，用于在六自由度运动平台绕轴转动时，根据角加速度和被测刚体绕该轴的力矩，计算绕该轴的转动惯量；其中，所述轴包括：安装平台X、Y、Z轴以及质心X、Y、Z轴。

所述测量控制分析单元的刚体质量计算单元，在六自由度运动平台静止时，根据刚体重力反力F_Z计算出被测刚体的质量。即被试件安装完成后，在静止时，六分力传感器得到一组测量值，根据空间汇交力系平衡条件，计算出被试件的质量有如下表达：

质量： $m=\frac{F_Z}{g}.$

进一步，质心坐标计算单元计算刚体的质心位置，如图1所示，被测刚体的质心位置在图中1051所指的位置。质心坐标计算单元在六自由度运动平台静止时，根据被测刚体所受的力和力矩计算出质心坐标X和Y，根据空间力偶系平衡条件：

质心横坐标： $X=\frac{M_Y}{F_Z};$

质心纵坐标： $Y=\frac{M_X}{F_Z}.$

如图3所示，六自由度运动平台102带动被测刚体转动一个角度(绕X轴侧倾或绕Y轴俯仰一个角度)，质心坐标计算单元可根据此时被测刚体所受的力F_Z以及质心的横坐标或纵坐标，测量计算出质心Z坐标。

当六自由度平台绕X轴侧倾任意角度α后，静止不动时，测得一组六分力值，根据YOZ平面力矩平衡条件，质心坐标计算单元可计算得到质心坐标Z：

$Z=\frac{{F^{\′}}_Z\×X}{{F^{\′}}_Y},$

式中，X为上述已求得的质心横坐标，F′_Z为六自由度运动平台侧倾任意角度α时刚体所受Z方向的力，F′_Y为六自由度运动平台侧倾任意角度α时刚体所受Y方向的力。

当六自由度平台绕Y轴俯仰任意角度α后，静止不动时，测得一组六分力值，根据XOZ平面力矩平衡条件，质心坐标计算单元也可计算求得质心坐标Z：

式中，Y为上述已求得的质心纵坐标，F′’_Z为六自由度运动平台俯仰任意角度α时刚体所受Z方向的力，F‘’_X为六自由度运动平台俯仰任意角度α时刚体所受X方向的力。

进一步，六自由度运动平台带动被测刚体绕Z轴作横摆运动时，转动惯量计算单元根据测试控制分析系统获取的每一时刻六分力传感器得到的M_Z信号，与六自由度平台对应时刻的横摆角加速度

比较，依据达朗伯原理，即可求得被试件绕平台Z轴的转动惯量，本实施例中为以一定的频率和幅值正弦信号绕Z轴作横摆运动，则

绕Z轴的转动惯量： $I_{\mathrm{ZO}}=\frac{{M^{\′}}_Z}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ZO}}};$

其中，M′_Z为六自由度运动平台绕Z轴作横摆运动时被测刚体绕Z轴的力矩，

为绕Z轴横摆运动的角加速度。

进一步，通过平行轴定理，可求得被试件绕质心Z轴的转动惯量，

绕质心Z轴的转动惯量：I_Z＝I_ZO-m(X²+Y²)。

同理，六自由度平台作绕X轴和Y轴的转动时，可分别求得被测刚体绕质心X轴和Y轴的转动惯量。即：

绕X轴的转动惯量： $I_{\mathrm{XO}}=\frac{{M^{\′}}_X}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{XO}}},$

其中，M′_X为六自由度运动平台绕X轴作侧倾运动时被测刚体绕X轴的力矩，

为绕X轴运动的角加速度。

绕质心X轴的转动惯量：I_X＝I_X0-m(Y²+Z²)。

绕Y轴的转动惯量： $I_{\mathrm{YO}}=\frac{{M^{\′}}_Y}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{YO}}},$

其中，M′_Y为六自由度运动平台绕Y轴作俯仰运动时被测刚体绕Y轴的力矩，

为绕Y轴运动的角加速度。

绕质心Y轴的转动惯量：I_Y＝I_YO-m(X²+Z²)。

此外，为了提高测试结果的精度，当安装平台和被试件工装质量和转动惯量相对于被测刚体较大时，测试结果应考虑被试件工装的影响。测试结束后，可单独测量被试件工装的质量、质心位置和转动惯量，对测量结果进行修正。

设针对被测刚体、安装平台和被试件，测量结果分别为：质量m，质心坐标X、Y、Z，绕平台中心X、Y、Z轴线的转动惯量I_X0、I_Y0、I_Z0。

设针对安装平台和被试件工装，测量结果分别为：质量m₁，质心坐标X₁、Y₁、Z₁，绕平台中心X、Y、Z轴线的转动惯量I_X1、I_Y1、I_Z1。

设修正后被测刚体的测量结果分别为：质量m′，质心坐标X′、Y′、Z′，绕质心X、Y、Z轴线的转动惯量I_X′、I_Y′、I_Z′。修正按下列公式进行：

$\left\{\begin{array}{c}{m}^{\′}=m-m_1\\ X^{\′}=\frac{1}{m^{\′}}(m*X-m_1*X_1)\\ Y^{\′}=\frac{1}{m^{\′}}(m*Y-m_1*Y_1)\\ Z^{\′}=\frac{1}{m^{\′}}(m*Z-m_1*Z_1)\\ {I_X}^{\′}=I_{X0}-I_{X1}-m^{\′}(Y^{\′2}+Z^{\′2})\\ {I_Y}^{\′}=I_{Y0}-I_{Y1}-m^{\′}(X^{\′2}+Z^{\′2})\\ {I_Z}^{\′}=I_{Z0}-I_{Z1}-m^{\′}(X^{\′2}+Y^{\′2})\end{array}\right.$

六自由度运动平台在其运动范围内，具备绕任意轴线作横摆、俯仰、侧倾运动的能力。在质心位置确定后，六自由度运动平台可以绕被测刚体质心X、Y、Z轴线转动，六分力传感器测量值也可以移到质心位置，这样转动惯量计算单元就可以直接得到绕质心轴线的转动惯量。即：

$I_X=\frac{{M^{\′\′}}_X}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_X},$

其中，M″_X为六自由度运动平台绕被测刚体质心X轴作侧倾运动时被测刚体绕X轴的力矩，

为绕刚体质心X轴运动的角加速度。

$I_Y=\frac{{M^{\′\′}}_Y}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_Y},$

其中，M″_Y为六自由度运动平台绕被测刚体质心Y轴作俯仰运动时被测刚体绕Y轴的力矩，

为绕刚体质心Y轴运动的角加速度。

$I_Z=\frac{{M^{\′\′}}_Z}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_Z},$

其中，M″_Z为六自由度运动平台绕被测刚体质心Z轴作横摆运动时被测刚体绕Z轴的力矩，

为绕刚体质心Z轴运动的角加速度。

该测量系统也能够测量被试件绕任意虚拟轴线的转动惯量，并且允许被试件的轴线与运动平台轴线方向不一致。需要说明的是，力和力矩包括大小和方向，在本发明的实施例中，当值为正时，其方向与图中的标注的方向相同；当值为负时，其方向与图中标注的方向相反。

通过本发明实施例提供的测量系统，简化了刚体质量、质心和转动惯量的测试过程，便于被测刚体的安装与拆卸，不需要重复拆装，安装一次即可完成包括质量、质心和转动惯量的所有测试工作。并且，六自由度平台作为并联机器人，按照测量控制分析单元设置的运动信号中的具体参数作相应运动，控制精度高，提高了测量结果的精度，去除了偶然误差、空气阻力以及人为因素对测试结果的影响。此外，本系统能够根据运动信号以及采集的力和力矩，自动分析计算得到测量结果，具有较高的自动化。

针对上述测量系统，本发明实施例还提供了使用该测量系统测量刚体质量、质心和转动惯量的方法。

参照图4，示出了本发明一种刚体质量、质心和转动惯量的测量方法实施例的流程图，包括：

步骤401，通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制；

步骤402，六自由度运动平台根据接收到的运动信号，通过六分力传感器和安装平台带动被测刚体按相应的姿态或运动方式进行运动；

步骤403，根据六分力传感器采集的测量参数获得被测刚体所受的力和力矩；

步骤404，根据所述运动信号以及所获得的力和力矩，分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量。

优选的，所述运动信号包括：X、Y、Z三个方向的平动位移、速度或加速度，或者，绕X、Y、Z三个轴转动的角度、角速度或角加速度；

所述姿态包括：水平静止、绕X轴侧倾、绕Y轴俯仰或者绕Z轴横摆；

所述运动方式包括：X、Y、Z三个方向的平动，或者绕X、Y、Z三个轴的转动；其中，所述转动包括：绕X轴的侧倾运动、绕Y轴的俯仰运动、或者绕Z轴的横摆运动。

进一步，通过三个或三个以上的三分量力传感器采集测量参数；其中，各个三分量力传感器分别采集各自X、Y、Z三个方向的力。

进一步，所述获得被测刚体所受的力和力矩具体为：根据三分量力传感器的位置及其采集的力，计算获得被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。其中，针对各个三分量力传感器采集的力，通过力的分解与合成计算出被测刚体所受的力，通过力矩公式M＝R×F，得出绕各轴线的力矩。

具体的，所述步骤404包括：

步骤A1，在六自由度运动平台静止或匀速平动时，根据被测刚体所受的重力反力F_Z计算出被测刚体的质量；

即，质量： $m=\frac{F_Z}{g};$

步骤A2，在六自由度运动平台水平静止、侧倾或俯仰时，根据被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z计算出质心坐标；

在六自由度运动平台水平静止时，根据测得的力和力矩得到：

质心横坐标： $X=\frac{M_Y}{F_Z};$

质心纵坐标： $Y=\frac{M_X}{F_Z};$

在六自由度运动平台侧倾或俯仰时，根据测得的力和力矩得到，质心坐标Z：

$Z=\frac{{F^{\′}}_Z\×X}{{F^{\′}}_Y}$ 或

步骤A3，在六自由度运动平台绕轴转动时，根据角加速度和被测刚体绕该轴的力矩，计算绕该轴的转动惯量；其中，所述轴包括：安装平台X、Y、Z轴以及质心X、Y、Z轴。

绕X轴的转动惯量： $I_{\mathrm{XO}}=\frac{{M^{\′}}_X}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{XO}}},$

绕Y轴的转动惯量： $I_{\mathrm{YO}}=\frac{{M^{\′}}_Y}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{YO}}},$

绕Z轴的转动惯量： $I_{\mathrm{ZO}}=\frac{{M^{\′}}_Z}{{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{\mathrm{ZO}}}.$

进一步，通过平行轴定理，可求得被试件绕质心X、Y、Z轴的转动惯量。或者，根据质心的位置，控制六自由度运动平台分别绕被测刚体质心X、Y、Z轴线转动，则六分力传感器测量值也可以移到质心位置，此时，转动惯量计算单元直接根据公式：

得到绕三条质心轴线的转动惯量。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明所提供的一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统和方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种刚体质量、质心和转动惯量的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：

测量控制分析单元，用于通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制，并根据所述运动信号以及六分力传感器传送的力和力矩，分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量；

六自由度运动平台，用于根据接收到的运动信号按相应的姿态或运动方式进行运动；

六分力传感器，其安装在六自由度运动平台上，用于通过采集测量参数获得被测刚体所受的力和力矩；

安装平台，其固定在六分力传感器上，用于安装被测刚体；

其中，所述六自由度运动平台通过六分力传感器和安装平台带动被测刚体进行运动。

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，

所述运动信号包括：X、Y、Z三个方向的平动位移、速度或加速度，或者，绕X、Y、Z三个轴转动的角度、角速度或角加速度；

所述姿态包括：水平静止、绕X轴侧倾、绕Y轴俯仰或者绕Z轴横摆；

所述运动方式包括：X、Y、Z三个方向的平动，或者绕X、Y、Z三个轴的转动；其中，所述转动包括：绕X轴的侧倾运动、绕Y轴的俯仰运动、或者绕Z轴的横摆运动。

3.如权力要求2所述的测量系统，其特征在于，所述六分力传感器包括：

三个或三个以上的三分量力传感器；

其中，各个三分量力传感器分别采集各自X、Y、Z三个方向的力。

4.如权力要求3所述的测量系统，其特征在于，所述六分力传感器还包括：

力和力矩计算单元，用于根据三分量力传感器的位置及其采集的力，计算获得被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。

5.如权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述测量控制分析单元包括：

刚体质量计算单元，用于在六自由度运动平台静止时，根据被测刚体所受的重力反力F_Z计算出被测刚体的质量；

质心坐标计算单元，用于在六自由度运动平台水平静止、侧倾或俯仰时，根据被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z计算出质心坐标；

转动惯量计算单元，用于在六自由度运动平台绕轴转动时，根据角加速度和被测刚体绕该轴的力矩，计算绕该轴的转动惯量；其中，所述轴包括：安装平台X、Y、Z轴以及质心X、Y、Z轴。

6.一种刚体质量、质心和转动惯量的测量方法，其特征在于，包括：

通过向六自由度运动平台发送运动信号对其姿态或运动方式进行控制；

六自由度运动平台根据接收到的运动信号，通过六分力传感器和安装平台带动被测刚体按相应的姿态或运动方式进行运动；

根据六分力传感器采集的测量参数获得被测刚体所受的力和力矩；

根据所述运动信号以及所获得的力和力矩，分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

所述运动信号包括：X、Y、Z三个方向的平动位移、速度或加速度，或者，绕X、Y、Z三个轴转动的角度、角速度或角加速度；

所述姿态包括：水平静止、绕X轴侧倾、绕Y轴俯仰或者绕Z轴横摆；

所述运动方式包括：X、Y、Z三个方向的平动，或者绕X、Y、Z三个轴的转动；其中，所述转动包括：绕X轴的侧倾运动、绕Y轴的俯仰运动、或者绕Z轴的横摆运动。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，

通过三个或三个以上的三分量力传感器采集测量参数；

其中，各个三分量力传感器分别采集各自X、Y、Z三个方向的力。

9.如权力要求8所述的测量方法，其特征在于，所述获得被测刚体所受的力和力矩具体为：

根据三分量力传感器的位置及其采集的力，计算获得被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z。

10.如权力要求9所述的测量方法，其特征在于，所述分析计算出被测刚体的质量、质心和转动惯量包括：

在六自由度运动平台静止时，根据被测刚体所受的重力反力F_Z计算出被测刚体的质量；

在六自由度运动平台水平静止、侧倾或俯仰时，根据被测刚体所受的三个力F_X、F_Y、F_Z和三个力矩M_X、M_Y、M_Z计算出质心坐标；

在六自由度运动平台绕轴转动时，根据角加速度和被测刚体绕该轴的力矩，计算绕该轴的转动惯量；其中，所述轴包括：安装平台X、Y、Z轴以及质心X、Y、Z轴。

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