双层预紧式6维力传感器预紧力对精度影响分析

针对传统Stewart结构6维力传感器性能的不足,设计并研制了一种双层预紧式6维力传感器,并进行了精度分析与实验研究.首先,介绍了该6维力传感器的结构特点,基于螺旋理论建立了其数学模型以及预紧力的数学描述形式.为了提高传感器的测量精度,在分析预紧支路结构的基础上,通过增大预紧力来降低由于预紧支路结构变形产生的误差.其次,对不同预紧力下预紧支路的结构变形进行了有限元仿真.最后研制并开发了6维力传感器样机和标定系统,进行了不同预紧力情况下的标定实验.通过增大预紧力,传感器的最大Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别由满量程的2.73%、2.43%降低到0.41%、0.64%.实验结果表明,增大预紧力有效地降低了预紧支路变形带来的测量误差,提高了传感器的测量精度,从而验证了理论分析与仿真的正确性.     

一种Stewart结构六维力／力矩传感器参数辨识研究

介绍了一种大量程Stewart结构六维力／力矩传感器系统．建立了传感器力／力矩测量数学模型,构建了基于运动学逆解的优化目标函数．提出了一种新的参数标定法,称作分支轮换标定法．基于所研发的六维力／力矩传感器系统进行了实验研究,实验结果表明分支轮换法可以有效地辨识出传感器的结构参数,提高了测量精度．该方法可用于类似结构的六维力／力矩传感器参数标定．     

基于Stewart平台六维力传感器的分区静态标定方法

基于Stewart平台的六维力传感器具有结构紧凑、刚度大、量程宽等特点,它在工业机器人、空间站对接等领域具有广泛的应用前景.好的标定方法是正确使用传感器的基础.由于基于Stewart平台的六维力传感器是一个复杂的非线性系统,所以采用常规的线性标定方法必将带来较大的标定误差从而影响其使用性能.标定的实质是,由测量值空间到理论值空间的映射函数的确定过程.由函数逼近理论可知,当只在已知点集上给出函数值时,可用多项式或分段多项式等较简单函数逼近待定函数.基于上述思想,本文将整个测量空间划分为若干连续的子测量空间,再对每个子空间进行线性标定,从而提高了整个测量系统的标定精度.实验分析结果表明了该标定方法有效.     

新型机器人手指六维力传感器系统设计

针对六维力传感器刚度低、尺寸大等问题,设计了一种可应用于机器人手指的、新型Stewart并联结构的六维力传感器。对该六维力传感器的结构、测量电路等进行了设计,并对传感器标定数据进行了分析,结果表明该传感器系统设计理论正确,且具有一定应用价值。     

基于坐标变换的六维力传感器静态标定方法

为了提高传感器的测量精度,研究了六维力传感器标定矩阵的构造方法。首先,指出了传统标定矩阵的物理意义。然后,在传统标定矩阵中引入坐标平移变换算式,提出了一种综合考虑位置、姿态、坐标轴刻度比例缩放变换关系的六维力传感器静态标定方法。在标定试验的基础上,构造了标定矩阵,并对实测数据进行了补偿计算。误差分析表明:在传感测量系统无平移系统误差时,与传统标定方法相比,该方法的补偿精度略有下降。当在传感测量中加入平移系统误差时,该方法的补偿精度不变,而传统标定方法的测量精度明显下降。该方法起到了消除平移系统误差作用。     

六维力传感器静态解耦算法及静态标定的研究

耦合误差严重影响着六维力传感器的精度,标定试验的准确性对提高六维力传感器的精度也是必不可少的。本文针对传感器输出电压正负方向拟合函数不同提出了一种基于耦合误差和分段拟合建模的六维力传感器解耦算法。用十字梁结构的传感器进行标定试验,将得到的标定数据应用于解耦算法中。通过标定数据验证了基于耦合误差和分段拟合的静态解耦算法性能的优越性。     

机器人六维力传感器静态标定研究

针对Stewart并联结构的机器人六维力传感器，设计了其静态标定装置，对静态标定系统的结构组成及标定步骤进行研究。以机器人手指用六维力传感器为例进行了试验，对试验结果的分析表明了该标定系统设计及标定方法的正确性及实用性。     

三维力传感器的设计和静态解耦算法研究

针对三维力传感器在获取大量程空间三维力时存在精度低、维间耦合的问题,从机械解耦角度进行改进,弹性体采用十字梁型结构,竖梁两侧开设通槽,并将电阻应变片粘贴于竖梁和横梁两侧,通过电阻应变片组桥方式连接。利用万能试验机对传感器进行标定加载分析,基于最小二乘理论对经多次测量筛选出的数据进行拟合,得出该传感器输入载荷与输出电压之间解耦矩阵。采用研制出的三维力传感器进行论证实验,通过对传感器标定并结合弹性体本身机械结构解耦。实验结果表明,所研制的大量程三维力传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为2.36%和2.1%,能够较好地抑制各维间的耦合,并达到了该传感器的预期精度要求。     

六维力传感器静态标定系统软件设计

介绍了新型Stewart并联结构六维力传感器的静态标定系统组成及标定步骤，重点进行了静态标定软件的设计。以机器人手指用六维力传感器为例进行了实验，对实验结果的分析表明了该软件的正确性及实用性。     

一种四柱式结构的六维力传感器

针对多维力传感器普遍存在维间耦合效应导致测量精度偏低等问题,设计了一种具有自解耦特性的四柱式六维力传感器,通过结构设计、仿真分析、应变片粘贴和电路组桥等方面的研究,较好的解决了各个分量之间的交叉影响问题,最终通过单分量标定试验得出传感器单个方向精度高于0.1％F.S.,通过交叉影响量标定试验得出传感器交叉影响量小于3％F.S.,达到了设计要求.     

残差补偿粒子滤波在六维力传感器下E膜中的应用

为减小动载环境下,噪声信号对六维力传感器测量精度的影响,提出一种具有残差补偿步骤的改进粒子滤波算法(RCPF)。该算法以双E型弹性体六维力传感器下E型膜为研究对象,根据挠度和应变的关系,建立非线性系统模型。根据权值蜕化程度,将样本集分层;借鉴残差补偿思想,在粒子重采样前修复先验分布的累积误差,将最新的观测信息融入样本集;基于Thompson-Taylor算法,通过聚合重采样将高、低权值粒子随机组合,产生新粒子集。将优化算法应用于六维力传感器动态测试系统。结果表明,RCPF算法具有更好的估计精度,在保持实时性的同时,有效地提高了六维力传感器的测量精度。     

六维力/力矩传感器静态解耦算法的研究与应用

维间耦合是影响多维力/力矩传感器测量精度的一个主要因素。介绍了六维力/力矩传感器维间耦合的基本原理,在研究基于求解矩阵广义逆的静态解耦算法的基础上,提出了基于耦合误差建模的静态解耦算法。以实验室研制的六维力/力矩传感器为例进行标定实验,用两种解耦算法对其进行解耦计算。实验结果证明基于耦合误差建模的静态解耦算法的有效性。     

分层优化PF在六维力传感器下E型膜中的应用

针对动载环境下,噪声污染导致六维力传感器测量精度急剧下降的问题,提出一种具有分层优化步骤的改进粒子滤波算法。以双E型弹性体六维力传感器下E型膜为研究对象,根据正弦激励力响应和应变的关系,建立非线性系统模型。在粒子滤波的框架下,将样本集按权值的蜕化程度分层,引入野草繁殖算法,将最新的观测信息融入高权值子集。基于Thompson-Taylor算法,通过聚合重采样将高、低权值粒子随机组合,产生中权值粒子集。将优化后的粒子滤波算法在六维力传感器动态测试系统中进行仿真研究,结果表明,该算法能以更小的估计误差贴近真实后验概率密度,在保持实时性的同时,有效地提高六维力传感器的测量精度。     

Stewart六维力传感器寿命特性的诊断与优化

为实现空间站在轨长寿命的应用要求,针对空间机械臂Stewart六维力(Stwart Six-Axis Force, SSAF)传感器使用寿命低的问题,开展了传感器寿命特性的诊断与分析优化。基于Stewart六维力传感器测量原理和名义应力疲劳寿命理论,推导出传感器寿命特性与结构参数的关系模型,通过分析力和力矩一阶寿命特性的影响系数矩阵,给出传感器寿命特性的评价指标及判定依据;利用多目标优化方法,建立了传感器寿命特性的目标优化函数,得到寿命最优的传感器结构参数。综合指标计算、仿真与试验结果表明：基于寿命特性提出的一种Stewart六维力传感器结构参数优化方法可实现结构应力均衡化,改善结构应力集中分布问题,降低疲劳应力损伤的影响,有效提升SSAF传感器的使用寿命。     

基于时间函数的并联六维力传感器量程设计

针对并联六维力传感器设计与制造过程中面临的解耦计算复杂、量程确定困难、实用性不强等问题,应用螺旋理论,推导了其受六维外力向测量分支反作用力的映射矩阵;基于工程实际,提出并建立了并联六维力传感器测量分支作用反力的时间函数模型;提出了一种在特定工作环境下测量分支量程的确定方法.以Stewart并联结构为例,针对曲面打磨作业,确定了其测量分支的量程,验证了时间函数模型的正确性和可行性.研究内容对提高并联结构六维力传感器的工程应用性有重要的实践价值.     

羽流力/力矩测量系统在线标定研究

基于压电效应开发的用于发动机羽流力/力矩测量系统,对其进行在线标定是需点解决的技术难题之一.针对立式结构的羽流力/力矩测量系统,选择液压力源配合标准力传感器的加载方式,设计了具备远程操作、在线标定、实时校准功能的标定平台.分析了六维力标定的加载方法以及加载力与传感器受力之间的关系,建立了六维力加载力学模型.对测试系统进行静态标定试验,得到了压电式六维力传感器各分量的线性拟合直线方程.试验表明:该六维力标定系统稳定、可靠,具有精度高、操作简便、对环境影响小等优点.     

具有3维力感知能力的多足仿生机器人足端机构设计

为提高多足仿生机器人在崎岖地形中的适应能力,设计了一种具有3维力感知能力的足端机构,该机构主要包含足端球、盖板、4个1维力传感器、基座和预紧螺栓.4个力传感器以45?倾角对称安装在基座卡槽内,根据传感器受力在水平和垂直方向的分力可实现足端球与环境间接触力的测量.首先,对足端机构的3维力测量原理进行分析,基于ADAMS仿真验证了该测量原理的正确性.在传感器标定实验中发现,预紧螺栓施加的预紧力以及足端球的材料对足端机构的3维力测量性能具有较大的影响.最后,在确定预紧力和足端球材料后,对选定参数的足端机构进行标定实验,标定结果表明,足端机构在X和Y方向的力测量精度可以达到±11.3%,Z方向的力测量精度可以达到±9.4%.     

基于八角环二维力传感器抓取力控制研究

设计了一种小型八角环二维力传感器,利用ANSYS仿真软件对传感器进行了有限元和应变节点分析,通过传感器静态标定实验得到了标定解耦矩阵,解决了由于加工误差和应变计粘贴误差带来的力矩耦合问题.设计了二指平行手爪,搭建了基于力外环控制的夹持器系统.运用手爪测量了不同材料之间的最大静摩擦系数.实际的抓取实验验证了基于力比例控制的稳定抓取具有良好效果.     

基于应变式跳远测试二维力传感器的设计与性能测试

设计了一种基于应变式的跳远测试二维力传感器并对其进行了性能测试。传感器弹性体单元采用工字结构,通过力学分析对弹性体进行设计和强度校核,运用有限元方法对弹性体结构进行应力和应变仿真,验证设计的合理性,确定了应变片的最佳布置方案和组桥方式,利用万能试验平台对传感器进行性能测试。测试结果表明,该传感器具有0~ 4000N的竖直力量程,线性度误差低于4.14%,迟滞误差低于1.63%。此传感器具有结构简单、成本低、便于安装,可靠性高等特点,在二维力测试领域具有广阔的应用前景。     

基于局部去耦的重载Stewart 6维力传感器精度与刚度的综合优化设计

为了满足工业机器人用6维力传感器高精度、高刚度、大承载的性能要求,提出了一种局部去耦的设计方法,对重载Stewart 6维力传感器进行兼顾精度与刚度的综合优化.首先,通过结构参数优化,获取最优参数;其次,结合球铰去耦样机和无去耦措施样机的实验数据,分析得出耦合因素对传感器各支路输出特性的影响;再次,对传感器进行局部去耦设计,并通过有限元仿真加以验证.最后,样机实验结果显示相较于传统结构Stewart 6维力传感器,局部去耦的重载Stewart 6维力传感器除同样保留了较高的测试精度之外,在刚度方面也有大幅提升,可满足设计需求.