并联结构力传感器力矩各向同性研究

六维力传感器可以同时测量空间六维广义力，已成为机器人研究领域的重点之一。文中研究的是一种新型、适用于机器人手腕和指尖的Stewart结构的六维力传感器，分析其力矩各向同性指标，得到力矩各向同性的具体解析表达式，同时对力矩各向同性进行了图谱分析，并研究了坐标系变化对力矩各向同性指标的影响，为该六维力传感器的结构设计奠定了理论基础，其研究结果具有理论和实用价值。     

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。     

新型灵巧手指六维力传感器参数设计方法研究

研究机器人力传感器性能与其结构参数关系，对机器人力传感器结构参数的合理选择有重要意义。提出了一种以等平台Stewart机构为原形的新型机器人灵巧手指六维力传感器，基于对其位移刚度椭球和扭转刚度椭球的分析，分别定义了其位移刚度和扭转刚度各向同性性能指标，并以性能图谱的形式给出了性能指标与结构参数关系，为基于各向同性性能的灵巧手指六维力传感器的结构优化设计提供了理论依据。     

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.     

新型解耦和各向同性五维力传感器性能分析

介绍基于并联4-SPS&1-UPU结构的新型机器人五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,为该五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和虎克铰,具有结构灵巧、工艺好等优点,可应用到机器人手指和其他使用多维力与力矩传感器的场合。     

新型并联解耦结构五维力传感器性能分析

介绍基于并联4-SPS&1-UPU结构的新型五维力/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、力矩各向同性度,为该五维力/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力矩各向同性的.该传感器采用弹性球铰替代普通球铰,弹性虎克铰替代普通虎克铰,具有结构灵巧、工艺好等优点,可应用到机器人手指和其他使用多维力/力矩传感器的场合.     

各向同性损伤与损伤扩展力

讨论用双标量表征各向同性损伤的具体形式，扼要阐明损伤扩展力的物理含义和各向同性损伤扩展力的计算表达式，导出各向同性损伤、损伤扩展力与细观的裂纹密度参数之间的定量关系。最后给出计算实例。     

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。     

新型扭矩—轴向力传感器标定研究

扭矩—轴向力传感器是研究复合振动攻丝过程的重要装置。在振动攻丝机上安装扭矩和轴向力传感器,可以实现扭矩和轴向力的在线测量,对研究在振动攻丝过程中扭矩和轴向力的关系具有重要意义。为了研究新设计的扭矩—轴向力传感器的基本特性,选择了标定设备和标定方法对传感器进行静态标定和动态标定,得出传感器的静态特性和动态特性指标,为进一步设计和改造传感器结构提供理论依据。     

垫圈式压电六维力传感器静态灵敏度解析

为实现基于垫圈式压电六维力传感器灵敏度指标的多结构参数设计与优选,必须开展传感器的静态灵敏度解析数学模型研究。首先,分析了传感器的结构特点和工作原理,根据载荷在传感器内部的传递路径推导其静态灵敏度解析数学模型;然后,使用解析数学模型和基于ANSYS软件的数值模型对9组不同结构参数模型分别进行了解析计算和数值模拟,在运用统计学理论对两种方法得到的结论进行分析的基础上,验证了解析数学模型的有效性;最后,引入正交试验,结合解析数学模型研究了多个结构参数对传感器灵敏度的影响规律,优选了传感器结构参数并研制了实验样机,完成了静态灵敏度标定实验。研究结果表明:垫圈式压电六维力传感器的解析数学模型与数值模型之间的综合相关系数为0.988;实验原型相对于解析数学模型和数值模型的平均载荷传递系数分别为0.73和0.75;解析数学模型、数值模型和实验原型的综合各向同性度分别为0.71,0.71和0.67,3种模型对传感器的灵敏度研究结论一致。以解析数学模型为基础的正交试验可实现对该类传感器的多参数主动设计和优选。     

基于Stewart结构六维大力传感器的性能分析及结构优化

针对基于Stewart结构新型六维大力传感器在结构设计时存在诸多性能指标难以均衡的问题,对传感器的结构几何参数与其性能的关系进行了分析。依据基于Stewart结构六维大力传感器的测量原理,建立了传感器测量精度与一阶静力影响系数矩阵条件数的关系模型。通过分析力及力矩一阶静力影响系数矩阵和力及力矩柔度矩阵,揭示了传感器的各向同性指标、灵敏度及其各向同性指标与其结构参数之间的相互关系。并通过图谱优化方法和遗传算法对新型六维大力传感器的结构参数进行了优化。其分析结果将为六维大力传感器的结构设计提供有效的参考。     

Spatially isotropic configuration of Stewart platform-based force sensor

This paper studies isotropic configuration of the Stewart platform-based force sensor using an analytic approach. The conditions leading to spatially isotropic configuration are introduced. The isotropic performance of the classical Stewart platform-based force sensor is studied, the result indicates that it is impossible to realize spatial isotropy in theory. A modified Stewart platform-based force sensor which can achieve spatial isotropy is proposed. In order to obtain spatially isotropic configuration, the analytic relations of key structural parameters leading to spatially isotropic configuration are derived. Classes of spatially isotropic configurations can be easily obtained from the analytic results.     

主动光学系统力促动器的设计和测试

设计了一套用于控制薄镜面主镜面形的力促动器,并进行了实验测试。分析了常用的可以实现高精度、高稳定性的力促动器结构形式;结合实际情况和目前薄镜面主动光学实验系统的要求,设计了由步进电机驱动谐波减速器、精密丝杠传动,S型Loadcell反馈输出力变化的力促动器结构。最后,通过开环和闭环实验对结构进行了测试。实验结果表明,该力促动器行程为0~10 mm,输出力为—100 ~100 N,精度优于0.05 N,满足大行程、高精度微量输出和高稳定性要求,可以应用于主动光学支撑系统,同时也适用于其他精密调整结构。     

新型机器人6维力／力矩传感器结构的刚度性能指标分析

提出了一种新颖的6维力/力矩传感器并联结构,应用并联机器人机构学理论求出其刚度矩阵,定义其刚度性能指标,并对其刚度性能指标进行分析计算,为该传感器的设计与应用提供理论依据。分析计算结果表明,该并联结构的6维力/力矩传感器是位移刚度和扭转刚度各项同性的,可应用到机器人手腕、手指和其它使用多维力/力矩传感器的场合。     

考虑力传递性能的力觉反馈手控器的优化设计

对机构力传递性能进行研究,并提出力传递能力概念。建立一种综合机构工作空间、运动学性能和力传递性能的多目标优化函数,并应用于一种三平动自由度的手控器机构优化设计。对机构优化结果进行工作空间、机构雅可比条件数和力传递性能分析,确定基本结构参数和动力驱动参数,进一步完成样机制作。优化和研制过程为高性能手控器的研制提供了参考。     

基于正弦力加载的力传感器动态标定技术研究

针对国内现有动态标定装置精度不高、重复性较差的问题,提出了一种基于正弦力加载的新型力传感器动态标定方法;对该标定方法做了详细介绍,阐述了该标定系统中最关键的正弦机构的工作原理;利用基于最小二乘的曲线拟合法对力传感器和位移传感器输出正弦电压的幅值进行了求解,并以此为基础,依据相应公式在LabVIEW中设计了数据处理程序,实现了对力传感器动态灵敏度的精确求解;搭建了实验平台,对Interface 1010AJ型力传感器进行了1 Hz~5 Hz的动态标定,并分析了实验结果。研究结果表明,该新型的力传感器动态标定系统具有良好的精度,其误差在1.5%内。     

一种数控力/位置控制半实物仿真系统的构建

针对数控系统的力位置控制实现难度大、参数调整复杂的问题,研究了一种基于Quanser Q8卡和Si mulink的半实物仿真系统。以X-Y-Z三轴运动平台为对象,对该系统中软硬件的具体构成进行了设计。通过以Z轴的恒接触力控制为目标,在Si mulink软件中设计了含有位置环和力环的控制器,给出了实际仿真曲线。结果表明,该系统控制器设计合理,参数调整简单,控制效果观察直观。