一种小量程六维力传感器的设计与分析

针对外科手术力觉信息采集对多维力传感器提出的低量程和高分辨率的要求,对常规的十字梁六维力传感器进行结构改进,设计了一种具有滑移结构的低维间耦合的小量程六维力传感器。分析了传感器结构抑制维间耦合的机理,通过有限元方法分析了其受力变形情况。标定实验表明:该六维力传感器非线性误差与维间耦合误差均小于2%,具有高灵敏度、高分辨率和低维间耦合的特点。     

一种新型自解耦六维力/力矩传感器结构设计与优化

针对多维传感器广泛存在维间耦合效应,精度难以提高的问题,设计了一种具有自解耦特性的新型六维力/力矩传感器.采用有限元法对该传感器弹性体进行静力分析,研究了结构在不同工况下的应力应变分布.基于结构变形特点,对特征点位置和布片组桥方式进行了优化.同时也对结构进行了维间耦合分析,验证了该新型传感器具有耦合效应低的优点,提高了传感器的精度,具有较好的应用前景.     

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。     

Stewart六维力传感器解耦算法优化

为满足六维力传感器的高刚度要求,使用固支约束代替铰约束。通过对传感器样机单维加载获得的标定数据进行处理,发现在使用求解标定矩阵或BP神经网络训练的方法时,分别存在维间耦合较大和多维加载误差极大的问题。对此提出一种新的思路,即在标定时同时进行单维加载和多维加载。之后使用上述两种方法进行解耦,对比发现,对新的方法,在使用BP神经网络的方法解耦时,将最大误差降低到了2.27%,证明该方法能够同时解决六维力传感器的维间耦合问题和多维加载问题。     

一种新型六维加速度传感器原理研究

为克服现有六维加速度传感器的不足,提出并研究了一种单惯性质量块的压电式六维加速度传感器。介绍了传感器的结构和工作原理,推导了其数学模型,运用ANSYS有限元软件对传感器的灵敏度、维间耦合度、固有频率等特性进行了仿真研究。研究结果表明：该六维加速度传感器能够实现6维加速度的传感;各维间的耦合属于线性耦合,可通过简单的矩阵运算予以完全解耦;固有频率有望比现有3维线加速传感器或3维角加速度传感器提高3倍以上。     

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.     

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。     

一种结构解耦的新型应变式三维力传感器研究

维间耦合一直是制约多维力传感器精度提高的重要因素,结构解耦也一直是多维力传感器追求的目标。提出了一种新型三维力传感器,可用于Fx、Fz、My3个维度广义力的测量,其敏感原理是结构解耦的,因此可具有更高的精度。介绍了这种新型三维力传感器的结构并分析其敏感原理。采用有限单元法对应变式三维力传感器进行结构静力仿真,利用ANSYS后处理器提供的路径映射技术,精确地获得了应变片的贴片区域。仿真结果表明,该新型传感器与目前的应变式多维力传感器相比,维间耦合误差有明显改善,维间干扰由传统结构的3.56%降低至0.40%。     

基于RF-GA的六维力传感器解耦方法

多维力传感器的维间耦合问题严重影响了检测精度的提高。通过设计新型RF-GA（基于遗传算法的改进随机森林算法）解耦方法解决多维力信息的解耦问题，实现提高力传感器检测精度的目标。针对随机森林算法中含有大量子树，但每个子树的预测准度无法保证的问题，利用遗传算法对随机森林的子树进行筛选，保留优质子树，从而提高预测精度。以基于应变检测的六维力传感器为实验对象，将RF-GA算法运用到实际力信息解耦中，并通过解耦实验对RF-GA算法进行验证。与现有解耦算法相比，RF-GA解耦方法具有精度高、解耦时间短的优点，实验结果表明该算法能有效提高多维力传感器的解耦精度。     

合肥智能所智能机器人传感器实验室

正中国科学院合肥智能机械研究所智能机器人传感器实验室,是国家高技术研究发展计划(863计划)先进制造与自动化领域智能机器人传感技术网点实验室,以信息获取科学、人机交互临场感、多传感器信息融合与传输、运动生物力学工程和智能机器人应用为主要研究方向,开展力信息获取和感知系统、智能机器人及其关键技术、数字运动员和运动员指导系统等方面的工作。一、传感器系统及其应用本实验室围绕多维力传感器的关键技术,以研究六维力传感器的结构和信息处理为切入点,研制机器人六维腕力/指力/脚踝力传感器、多维阵列式类皮肤传感     

The role of the mass matrix in the analysis of mechanical systems

This paper proposes a simple, intuitive method of analyzing and understanding the mass matrix of a mechanical system. With very little calculation, it is possible to determine four important values that describe the inertia and inertial coupling of a mechanism: the locked effective inertia, the force coupling, the free effective inertia, and the acceleration coupling. These values can be determined for a system formulated in terms of joint coordinates, but when used with systems formulated in terms of workspace coordinates, this work provides a unified method of determining important, well-established concepts such as effective mass (particularly important in the field of human-robot interaction) and dynamic isotropy (an important consideration for robotic manipulators and haptic devices). Two examples are provided which highlight the use of this method to analyze robotic manipulators.     

Force and acceleration sensor fusion for compliant manipulation control in 6 degrees of freedom

This paper focusses on sensor fusion in robotic manipulation: six-dimensional (6-D) force/torque signals and 6-D acceleration signals are used to extract forces and torques caused by inertia. As result, only forces and torques established by environmental contact(s) remain. Apart from an improvement of hybrid force/pose control behavior, an additional major benefit is that regular resetting/zeroing of force/torque sensors before free space/contact transitions can be omitted. All essential equations, transformations and calculations that are required for this 6-D fusion approach are derived. To highlight the meaning for practical implementations, numerous experiments with a six-joint Staeubli RX60 industrial manipulator are presented and the achieved results are discussed.     

新型力解耦和各向同性机器人六维力传感器

介绍了基于并联 6 -SPS结构的新型机器人六维力与力矩传感器的结构特点 ,并分析计算了其力与应变之间的转换关系及其力各向同性 ,为该六维力与力矩传感器的设计和使用提供了理论依据。分析计算结果表明该传感器是力与力矩解耦和各向同性的。该传感器采用弹性铰链替代球铰 ,具有结构灵巧、工艺性好等优点 ,可应用到机器人手腕、手指和其它使用多维力与力矩传感器的场合。     

介观压光型加速度传感器

对于光子晶体而言,角度、厚度、周期数等对其透射率产生很大的影响,但相对于这些,轴向压力的影响更大。通过对介观压光效应的应用,用光子晶体代替传统的力敏电阻器,设计一种新型的加速度传感器,使其测量精度得到很大的提高,测量量程也有很大的改进。所设计的加速度传感器采用四端固支梁结构,有效地消除了偏轴效应,具有很好的稳定性。利用ANSYS软件对所设计的结构进行了应力模拟分析和三阶模态分析。这种加速度传感器具有很大的优势,可以运用到以后的航天、军事、车辆等领域。     

一种新型四维加速度传感器研究

针对高档数控机床动态振动特性的健康监测需要,提出并研究了一种单惯性质量块的压电式四维加速度传感器。介绍了传感器的结构和工作原理,推导了其数学模型,运用ANSYS有限元软件对传感器的静态灵敏度、维间耦合和动态固有频率、维间耦合等特性进行了仿真研究。研究结果表明:该四维加速度传感器能够实现四维加速度的传感,线性度好、刚度高、理论固有频率大于25kHz,无静态维间耦合,低动态维间耦合,满足传感器的设计目标。     

微弯光纤传感器的原理和应用

光纤微弯传感器以其构简单、成本低廉、便于装备等优点越来越受到人们的关注,光纤微弯调制原理的应用已扩展到位移、力、加速度等各种物理参量的测量中.本文简要介绍了光纤微弯传感器的工作原理、结构,对光纤微弯传感器在多种参量测量中的典型和最新的应用情况做了详细介绍.     

Run-time self-classification of external force using virtual point mass approximation for object manipulation

Many tasks assigned to a manipulator include interactions with its operating environment or manipulating objects, which are detected as forces and moments by the force sensor. It is, however, not easy to detect when a pure external wrench occurred in interactions or manipulations since signals measured by the force sensor consist of the inertial effect of the end-effector and manipulating objects as well as the effect of interactions. In order to separate these combined effects, a self-classification method for the 6-axis force sensor is proposed in this paper by relating the wrench and the virtual point mass. With the proposed method, wrenches due to the end-effector and objects can be classified in runtime without any prior information for them, and thus a pure external wrench can also be distinguished from them. The effectiveness of the proposed self-classification method is verified through experiments.