容错并联式六维力传感器可靠性及冗余分析

针对航空航天、国防装备等领域对高可靠性六维力传感器的迫切需求,提出将容错设计思想引入六维力传感器研究。比较分析了容错并联式六维力传感器与普通Stewart平台式六维力传感器的可靠性,基于故障树分析法(FTA),建立了容错式传感器系统和普通传感器系统的可靠性数学模型,从容错并联式六维力传感器的设计角度,推导出了测量系统失效率的函数。建立了系统可靠性与传感器冗余度的函数关系,并进行了容错并联式六维力传感器冗余分析,得出测量分支数目,提出了容错六维力传感器构型,研制出了传感器样机。     

双层预紧式六维力传感器及其静态标定

针对基于传统Stewart结构六维力传感器在解耦、刚度等方面性能的不足,设计并研制一种双层预紧式六维力传感器,并对其进行静态标定试验研究.所设计的六维力传感器采用球窝锥头式球面副代替传统球副,有效地减小了球副的摩擦力矩,另外测量分支只承受压力,消除了力在换向时对接触球面的冲击,提高了整体刚度.基于螺旋理论推导出传感器所施加外力与测量分支轴向力之间的映射关系,进而说明预紧式六维力传感器的测量原理.采用最小二乘线性化标定方法对传感器进行静态解耦和测量误差分析,推导出传感器的标定矩阵和误差矩阵.研制出双层预紧式六维力传感器样机,并进行静态标定试验.经过标定试验,该传感器各方向最大非线性度误差低于满量程的1.17％,最大耦合误差低于满量程的1.82％.试验结果表明双层预紧式六维力传感器具有很高的测量精度,可用于工业生产中对六维力测量要求较高的场合.     

并联式轴用压电六维力/力矩传感器

针对巨型重载操作装备极端制造中多维大载荷测量的难题,提出一种利用压电石英作为力敏元件的新型并联式轴用压电六维力/力矩传感器。对比各种力敏元件的性能,选择压电石英作为力敏元件可以实现空间力/力矩的动态测量,分析压电石英晶组不同空间布局方式的测量原理,提出并联式轴用压电六维力/力矩传感器的多点测量原理,分别对其建立空间力学模型,并进行解耦计算。设计出高灵敏度、高刚度、高线性度的非组装整体化六维力/力矩传感器新结构。研究并联式轴用压电六维力/力矩传感器的标定方法,并进行静态和动态标定试验,得到六维力/力矩传感器的标定矩阵和误差矩阵。试验表明,该六维力/力矩传感器可以动态测量空间六维力/力矩,具有量程大、线性好、固有频率高、动态性能好和应用场合多等优点。     

超静定六维力传感器静定测量模型及标定方法

针对一种预紧式超静定Stewart结构六维力传感器,通过综合考虑传感器的整体刚度和分支杆变形的位移协调关系,以简洁的解析表达式推导得到了包含中间预紧分支作用的广义外力与6个测量分支轴向力之间的全映射关系,建立了超静定六维力传感器的静定测量模型,并提出一种超静定六维力传感器的静定标定方法,进行了标定实验及测试研究.研究内容为解决超静定并联式结构的六维力传感器受力分析提供了新的途径,同时为超静定结构六维力传感器的标定研究奠定了理论和实验基础.     

新型过约束正交并联六维力传感器测量模型与静态标定试验

面向航空航天领域对重载大吨位多维测力传感器的急需,通过引入冗余测力分支,提出一种适用于重载测力场合的新型过约束正交并联六维力传感器结构,在提高传感器结构刚度和承载能力的同时有效抑制了关节摩擦对多维力传感器测量精度的影响。基于螺旋理论,推导得到了该并联传感器一阶静力影响系数矩阵,建立理想状态下该新型过约束正交并联六维力传感器测量数学模型。考虑各测量分支的初始预紧力与刚度,基于传感器静力平衡方程与补充建立的位移协调方程,推导建立考虑初始预紧力与分支刚度因素下该新型过约束正交并联六维力传感器测量数学模型。在此基础上,设计并研制该新型过约束正交并联六维力传感器样机,搭建传感器加载标定与信号采集及处理试验系统,对新型过约束正交并联六维力传感器进行了加载标定试验。根据试验结果计算了传感器测量误差矩阵,分析得到了传感器测量精度,从而为重载过约束并联六维力传感器的开发与应用提供了参考。     

压电式轴上六维力传感器的研制

本文对现有的六维力传感器及其力敏元件进行分析和研究,研制了一种能准确测量轴上空间六维力的新型四支点压电石英并联式轴上六维力传感器.选择压电石英作为四支点六维力传感器的力敏元件,提出了两种不同的力敏元件空间布置方式,对其建立了数学模型和解耦计算,得到作用在轴上的空间六维力.分析了压电石英传感器测量轴上六维力产生偏差的原因,通过实验进行了验证,确定出压电石英六维力传感器的力敏元件相对合理的布置方式,为轴上六维力测量提供了参考依据.     

面向任务的并联结构六维力传感器设计

目前研究并联结构六维力传感器多以各向同性作为传感器性能优劣的评价指标,而实际中,传感器是用来执行一定的任务,而这一任务并不一定需要传感器为各向同性的结构.故而,面向任务的传感器结构设计具有重要的工程实践意义.基于此,应用螺旋理论建立并联式六维力传感器的静态数学模型;基于抓取规划中作业建模思想,建立传感器的任务模型,并将任务模型分为力椭球模型和力矩椭球模型;系统深入地研究传感器模型和任务模型之间的关系.推导出传感器结构参数与任务模型之间的解析关系式,提出基于任务的传感器性能优劣评价的数学描述.以新型整体预紧式双层并联结构六维力传感器为例,针对执行插销作业和探测任务分别进行具体的传感器结构参数设计,得到了传感器结构参数与任务之间的关系式.研究内容为并联结构传感器在实际应用中的结构设计奠定了基础.     

Stewart结构六维力传感器各向同性的解析分析与优化设计

各向同性是反映六维力传感器结构性能优劣的重要指标,各向同性性能分析是Stewart结构六维力传感器结构设计中的关键性问题。为了获得最优的各向同性性能,应用螺旋理论建立Stewart结构六维力传感器的静态数学模型,系统研究传感器的各向同性性能指标。利用数学解析的方法,对传感器的正向和逆向各向同性进行分析,推导出同时满足正向力和力矩各向同性时结构参数之间的关系表达式,证明了该类传感器不能同时满足逆向力和力矩各向同性,并得到了各向同性度性能指标之间存在的制约关系。权衡各向同性的四个性能指标,通过求解综合性能目标函数的极值,得到了综合性能指标的最优值,并推导出综合性能指标最优时结构参数之间所满足的关系表达式。研究内容为Stewart结构六维力传感器的结构性能优劣评价及结构优化设计奠定了基础。     

平板式压电六维力传感器静态性能研究

针对弹性体式六维力传感器存在的瓶颈矛盾,提出一种非弹性体式平板式压电六维力传感器。目前研究这类六维力传感器的静态性能主要是试验标定法和数字仿真法,这两种方法无法找到传感器结构参数与传感器性能之间的数学关系,也就无法全面实现基于静态特性的结构参数设计。从研究这类传感器的灵敏度特性出发,分析传感器的测量原理,推导传感器的等效结构模型;提出基于灵敏度特性的静态数学解析模型,建立这类传感器的数值模型;结合传感器的数学解析模型和数值模型研制传感器试验原型并开展静态标定试验,测试灵敏度、各向同性度、维间耦合、线性度、重复性等静态特性参数。试验结果证明:平板式压电六维力传感器工作原理正确,解析数学模型和数字模型有效,研究结论为全面设计和研究这类多维力传感器的静态特性奠定了基础。     

正交并联六维力传感器数学模型及参数优化

针对六维力传感器实际应用中所完成的任务不同,提出一种基于工况函数模型的并联结构六维力传感器结构参数优化方法,该方法所得到的优化结果更有利于传感器的受力和测量性能。首先介绍正交并联六维力传感器结构,并进行静力平衡方程求解,然后提出了基于工况函数模型的并联结构六维力传感器参数优化方法,以测力分支量程最小为优化目标,得到满足要求的结构参数及对应的测力分支最小量程。最后对正交并联六维力传感器进行结构参数优化,来验证该优化方法的可行性。     

双层预紧式多分支六维力传感器及其结构稳定性分析

提出一种双层预紧式多分支六维力传感器结构,并对其结构稳定性及工作有效性进行分析。由于所提出传感器采用单向约束的球面副,为保证结构稳定必须使传感器各测力分支在测量过程中始终受压,因此在使用之前需要对传感器施加一定的预紧力。应用凸分析理论确定出该类型六维力传感器可行的分支数目。通过对传感器静力平衡方程求解,将测力分支所产生的反作用力分为两部分,方程特解部分由六维外力产生,而通解部分只与预紧力有关;通过线性变换减少了通解中待确定参数的个数,并推导出外力在量程范围内时满足所有测力分支受压的预紧力确定方法。给出双层七分支和八分支结构六维力传感器预紧力的确定实例。研制出双层七分支结构六维力传感器样机并进行试验研究,试验结果与理论计算结果一致,从而验证了理论分析的正确性。     

基于曲线拟合的正交并联六维力传感器静态标定

针对六维力传感器在本身制造、安装和工作条件等因素的影响下造成输入与输出之间并非处于理想线性关系的问题,提出一种新的基于最小二乘的曲线拟合静态标定算法,该算法得到的六维力传感器静态标定结果与以往算法相比精度更高。首先,推导正交并联六维力传感器的数学模型。然后,介绍最小二乘法以及对最小二乘拟合进行理论分析。其次,提出基于高次曲线拟合的静态标定算法,建立六维外力/力矩与分支输出电压之间映射关系的拟合多项式,并求得曲线拟合系数矩阵。最后对正交并联六维力传感器进行静态标定试验,来验证该标定算法的正确性和优越性。     

正交并联六维力传感器结构性能及参数优化

对正交并联六维力传感器进行了静力学分析及结构参数优化。提出了具有部分解耦性的正交并联六维力传感器结构,基于螺旋理论分析了六维外力与测量分支作用反力的映射关系,并针对并联六维力传感器测量分支量程难以确定、结构易扰动等问题,提出一种分支受力稳定、量程较短的多目标优化方法。以卫生陶瓷曲面打磨作业工况为例,确定了正交并联六维力传感器的测量分支量程,验证了该优化方法的可行性。     

新型并联过约束六维力传感器的仿真计算

提出了一种新型过约束并联十二分支六维力传感器结构,基于螺旋理论建立了该新型过约束并联六维力传感器理想数学模型。在此基础上,考虑各分支结构弹性变形,针对垂向加载及水平加载两种典型工况,基于变形协调条件和静力平衡方程对该新型过约束超静定结构六维力传感器的受力情况进行了分析与仿真计算,绘制了数值算例下新型过约束并联六维力传感器各分支受力随外力变化的曲线图。     

超静定并联式六维力传感器动力学

提出了一种新型的基于Stewart平台的超静定并联式六维力传感器结构,并对其进行了动力学理论分析和有限元仿真研究.描述了该传感器相对于经典Stewart平台六维力传感器所具有的结构特点;利用有限元法,采用位移协调和力平衡条件建立了传感器弹性动力学理论模型,依此模型进行数值分析,绘制了固有频率与各结构参数间变化关系曲线;并利用ANSYS软件建立了传感器有限元模型,进行了振动模态分析,得到其固有频率和振型.研究内容为深入开展六维力传感器的弹性动力学分析与综合及动态优化设计奠定了基础.     

基于结构变形的大型并联六维力传感器精度研究

为了研究结构变形对大型六维力传感器精度的影响,基于螺旋理论及影响系数方法,并借助位姿解建立了考虑结构整体变形条件下Stewart平台六维力传感器测量误差模型,推导出并联六维力传感器测量的Ⅰ,Ⅱ类误差表达式,分析了在不同外载下,六维力传感器Ⅰ,Ⅱ类误差,总结了结构变形和平台自重对传感器测量精度的影响规律,为具有普通球形铰链大型Stewart平台六维力传感器标定方案的选择和精度的改善提供了理论基础.     

柔性并联六维力传感器力映射解析研究

针对由柔性铰链构成的柔性并联Stewart平台六维力传感器弹性体结构,提出一种可用于柔性一体式并联六维力传感器六维外力与各柔性测力分支拉/压力间的精确力映射解析建模方法。基于虚功原理和几何相容条件并根据柔性铰链空间形式的柔度矩阵,构建传感器柔性串联支路末端的柔度矩阵和传感器的整体刚度矩阵。推导得到六维外力与传感器柔性分支杆所受轴向拉/压力间的解析映射关系。通过具体算例和传感器的有限元模型,对上述理论推导过程进行仿真验证。结果表明:理论值与仿真值基本吻合,最大误差在7%以内,从而说明了所提出的力映射解析方法具有较高的求解精度,并为柔性并联六维力传感器的尺寸优化设计奠定了理论基础。     

大量程柔性铰六维力传感器静态解耦的研究

为提高大量程六维力传感器的测量精度,提出了一种新型的六维力传感器非线性静态解耦方法,该方法结合混合递阶遗传算法和小波神经网络的优点,采用递阶遗传算法与最小二乘法分别对小波神经网络隐层结构参数以及输出层权值进行优化,再将优化后的小波神经网络模型用于六维力传感器非线性解耦.建立了基于混合递阶遗传算法和优化小波神经网络的六维力传感器非线性解耦模型,设计了基于混合递阶遗传算法的小波神经网络结构及参数优化算法,给出了六维力传感器非线性解耦的具体实现流程.以最新研制的6-UPUR大量程柔性铰六维力传感器为对象进行实验,结果表明,采用该方法六维力传感器的Ⅰ类误差和Ⅱ类误差分别为1.25％和2.59％,比采用BP和RBF神经网络方法的测量精度高.     

Stewart型六维力传感器的静态解耦实验

本文研究了一种Stewart型机器人六维力传感器的静态解耦实验问题，为该种六维力传感器的实用及其产业化奠定基础，并且介绍了传感器测试原理、标定装置，进行静态标定与解耦实验。实验结果分析表明，该六维力传感器解耦性良好，满程测量精度能达到2％。     

预紧式并联六维力传感器容错测量机理与标定测试研究

对一种预紧式并联六维力传感器进行了容错测量原理的理论分析与标定测试研究。介绍了预紧式并联六维力传感器的结构容错特点,并基于螺旋理论和变形协调关系,分别建立传感器无故障、信号故障时的数学模型,进而揭示其容错测量机理。研究分析了预紧式并联六维力传感器的静态标定算法,提出一种容错标定方法,并对传感器进行了无故障及信号故障时单向、两方向组合及分区加载的容错静态标定测试研究。通过分析测试数据,得到传感器不同工作状态下的线性误差。研究内容为容错六维力传感器的实际应用奠定了理论和试验基础。