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．     

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。     

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。     

Stewart型六维力传感器的标定方法研究

I、II类误差是影响Stewart型六维力传感器测量精度的主要因素,对Stewart型六维力传感器的测力原理和误差引入原因做了简要的介绍。为提高传感器的实际测量精度,减小测量误差,提出了一种基于标定杆的标定方案。通过理论分析验证了该方案的可行性并通过有限元仿真软件ANSYS完成了Stewart型六维力传感器的静态标定仿真实验,标定前后传感器测量精度的对比证明该方案可有效提高传感器的实际测量精度,降低I、II类误差。     

Stewart六维力传感器优化设计

对Stewart六维力传感器进行了优化设计分析,在有限元分析的基础上,通过球头球窝结构、十字槽结构以及圆环内嵌十字梁结构等形式,增强了传感器整体的抗耦能力。同时,对优化前后的传感器进行了试验比对,在一维加载时,传感器的最大误差由3.28%减小到0.41%;在三维加载时,最大误差由4.76%减小到2.22%。从以上的数据可以看出:改进后的设计更加合理,提高了传感器的精度。     

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。     

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.     

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。     

大量程六维力传感器设计与标定研究

为提高大量程六维力传感器的灵敏度,设计了一种适用于机械臂末端的应变式传感器.该传感器采用十字梁式弹性体结构,通过优化应变梁结构和合理布置应变片等方式,使传感器在大量程条件下仍具有较高的刚度和灵敏度.使用有限元法分析验证了传感器应力分布的合理性,并根据最小二乘法标定原理对传感器进行解耦标定实验,实验结果表明:传感器静态性能良好,最小灵敏度为0.375 mV/N,满足使用要求.     

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.     

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.     

2-DOF并联柔性结构微动平台的新构型及尺寸优化

为了获得具有良好静、动态特性的2-DOF并联柔性结构微动平台,在给出平台新构型的基础上,对其进行尺寸优化设计.基于Stewart并联机构思想并对其进行相应的结构改变,设计出了具有对称双圆弧薄板式弹性单元体的2-DOF并联柔性结构微动平台新构型.采用悬臂曲梁变形理论给出了平台各方向的刚度表达式,进而通过加权组合法建立了综合考虑各方向刚度的平台尺寸优化的统一目标函数;采用序列二次规划(SQP)法对所建立的数学模型进行了求解.通过实验测试了优化平台与未优化平台的静、动态特性,结果表明:在150 V驱动电压作用下,优化平台x、y方向的位移分别为22.98μm、23.15μm,满足设计要求;优化平台x、y、z方向的固有频率分别为1.731 k Hz、1.722 k Hz、1.725 k Hz,在各方向的动态特性更加均衡;在50 N阶跃输入力作用下,优化平台x、y方向的响应时间分别为18 ms、20 ms,明显快于未优化平台.     

交变力作用下的可见光探测器结构设计

在可见光探测器结构优化设计问题的研究中,为保证可见光探测器在交变力作用下的成像精度,设计了一种新型可见光探测器结构.通过材料选取和结构的设计,提高了可见光探测器的整体刚度.建立有限元模型,分析计算了结构在载荷作用下的变形量,用以检验所设计的可见光探测器结构的刚度性能;对模型进行了模态分析,可验证结构固有频率远离系统成像帧频,能够避免因共振引起的成像质量下降.最后,通过设计实验的方法来验证可见光探测器结构的刚度性能及沿Y方向的固有频率.实验结果表明可见光探测器设计方案满足各项指标要求.     

水下机器人手爪力感知系统研究

提出了一种水下机器人手爪力感知系统的组成结构,该力感知系统由一个六维力/力矩传感器和三指夹持器指端的三个指力传感器组成,本文介绍了上述两种传感器的设计和标定,并对利用该手爪系统抓取物体进行了实际测试和分析,实验结果表明;所设计的力感知系统能够实时地感知腕力和夹持力信息,可以满足机械手力控制的需要.     

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。     

小型三维力传感器的设计和解耦测试研究

研制了一种小型电阻应变式3维力传感器,采用一种新型弹性体结构,其自上而下开有多层槽孔,4个电阻应变片贴于弹性体侧面,用于检测空间3维力。采用弹性体的位移变化量转化成应变片的应变量,运用有限元仿真分析力作用与应变关系,判定了具有该弹性体结构的传感器力解耦性能。针对实际3维力传感器进行静态标定和解耦计算,得到3维力解耦矩阵。3维力实验测试表明,所研制的传感器具有较高的精度,较好地消除了3维间的耦合性,能够满足小量程微小型机器人力反馈控制需求。     

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。     

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%.     

面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试

为提高足式机器人的运动适应能力,为其设计了一款具有刚度连续调节功能的新型柔性旋转关节.通过研究杠杆机构输出刚度与传动比的对应关系,提出以变传动比杠杆机构作为核心部件进行可调刚度柔性关节的设计.文中对关节的结构以及关节驱动方式等进行了紧凑化设计,以满足足式机器人系统对体积及重量的要求.在设计中通过分析关节输出刚度系数与关节相关结构参数之间的关系,为关节输出刚度调节选择了较为敏感的参数调节范围,提高了刚度调节的灵敏性.在此基础上,通过开展机构运动学分析,确定了关节机构的理论刚度输出固有特性.关节样机测试表明,该调节机构能够实现关节输出刚度的调整和有效控制,该关节在结构设计以及功能方面均可以满足在足式机器人腿部结构中的应用需求.