垫圈式压电六维力传感器的安装动态特性

为了研究垫圈式压电六维力传感器在实际测量过程中的动态特性,开展了传感器安装动态特性仿真方法和实验标定方法研究。根据垫圈式压电六维力传感的工作原理及结构特点,分析了传感器动态特性的研究方法。按照带预紧安装的垫圈式压电六维力传感器实验原型参数建立了数值模型,开展了数值仿真方法和传感器动态特性仿真。最后,对垫圈式压电六维力传感器的安装固有频率进行了标定及实验研究。实验结果表明:垫圈式压电六维力传感器各维度上的安装固有频率大于3.9kHz,且数值仿真方法和实验标定方法得到的标定结果一致。垫圈式压电六维力传感器的安装固有频率优于现有技术,提出的仿真方法和标定方法可用于此类传感器安装固有频率的预估和标定。

     

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。     

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。     

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.     

平板式压电六维力/力矩传感器的研制

针对弹性体式六维力/力矩传感器存在的技术瓶颈,提出了一种新型平板式压电六维力/力矩传感器。首先,介绍了传感器的结构和工作原理,提出了两种石英晶片组布置方案。然后,推导了两种布置方案的传感器的数学模型,并建立了有限元模型,仿真得到了两种结构传感器输出的电荷灵敏度、维间干扰、固有频率等重要参数,确定了石英晶片组相对合理的布置方式。最后,对传感器进行了静态和动态标定。研究结果表明:传感器结构简单合理、仿真分析方法和数学模型正确,固有频率>25kHz,使用退耦矩阵后传感器的维间干扰<3%,基本满足传感器的设计指标。     

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。     

大量程预紧式六维力传感器及静态标定研究

提出一种新型的基于6/3-3 Stewart结构的大量程预紧式六维力传感器,介绍了传感器的结构特点和测量原理.假设传感器为线性系统的情况下,研究超静定受力状态下的静态标定原理.并给出两种求解标定矩阵的标定方案.为了改善维问耦合和制造误差等因素带来的非线性影响,利用误差反传算法和径向基函数神经网络,研究传感器的非线性静态标定方法.最后对传感器样机进行静态标定实验,给出了4种标定方案的实验结果并进行比较.标定结果表明该六维力传感器具有较好的测试精度.4种方法有效地解决了预紧式传感器超静定受力而带来的标定难题.     

新型并联式六维力传感器及静态性能分析

针对传统并联式六维力传感在分支布局和测量性能上的不足,提出一种分支水平和竖直布置的新型并联式六维力传感器,并对六维力传感器静态性能进行研究。首先介绍了新型并联式六维力传感器的结构特点和测量原理,建立了该传感器的数学模型,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。推导出六维力传感器线性度和重复性指标,用于评价六维力传感器的静态性能。最后利用传感器样机实验数据验证了所推导性能指标的可能性和有效性。     

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％。     

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。     

机器人基座六维力传感器重力补偿研究

机器人基座六维力传感器常受到安装精度和机器人重力影响而出现测量误差。为了解决这一问题,在利用 D-H 法建立机器人位姿模型的基础上,推导出基于最小二乘法的基座六维力传感器静态重力补偿算法。针对算法中需要采集大量机器人位姿数据的问题,采用正交实验法确定样本空间以减少位姿采集量。最后以六自由度协作机器人为例,利用 6 因素 5 水平的正交实验表获取机器人典型位姿,搭建数据采集平台,实现补偿算法所需数据的采集,求解该机器人的基座六维力传感器静态重力补偿矩阵。实验表明,该补偿算法能够有效得到基座六维力传感器测得的误差值。     

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。     

Stewart结构六维力传感器力各向同性研究

对于Stewart并联结构的六维力传感器,当坐标系建立在下平台的几何中心处,根据传感器的静态数学模型,研究了力各向同性指标,得到力各向同性的具体解析表达式,同时对力各向同性进行了图谱分析,并研究了坐标系变化时力各向同性指标。     

集成化微型六维力/力矩传感器的研制

弹性敏感元件是应变式多维力传感器的核心,弹性体机械加工和应变片粘贴的误差成为影响微型多维力传感器测量精度的重要因素。为此设计由一体化结构的弹性体和单片组合式应变片组成的新型弹性敏感元件,弹性体结构简单,机械加工和应变片粘贴精度高。基于DSP的传感器信号处理和智能化电路放置在传感器本体内部,使传感器具有集成化、智能化和微型化的特点。     

一种六维轮力传感器标定分析

针对汽车六维车轮力传感器数值解耦精度不高的问题,设计了标定台架,并对一种新研制的六维WFS进行了标定和解耦,以评估该传感器的性能并研究和完善高精度的解耦方法。讨论和分析了六维WFS的测量原理和解耦理论,通过多向组合加载的方式,获得了传感器各通道对多维耦合力的响应,利用最小二乘法解耦得到了传感器的耦合系数矩阵;并对耦合系数矩阵和耦合率矩阵的特征进行了讨论。研究结果表明,采用多向组合加载结合最小二乘法进行解耦,解决了试验中难以精确施加纯单向力或力矩的困难,能使六维WFS具有更高的测量精度。     

基于ADuC812单片机的六维力传感器

介绍了六维力传感器的概况,详细讲述了一种基于ADuC812单片机的六维力传感器的设计,并给出了其数据采集系统的硬件构成以及软件框图。     

预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器

针对六维力/力矩传感器测量量程受限问题,提出一种具有分载测量功能的预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器。首先,对比传统Stewart结构力/力矩传感器,阐述了预紧式六维力/力矩传感器的结构特点和测量原理。然后,完成了预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的结构设计。建立了传感器的有限元模型,对模型进行了模态分析,得到了传感器的前五阶固有频率和振型,并确定了传感器的工作带宽为0~204Hz。最后,研究了传感器的静态标定原理,并对传感器进行了静态标定实验,得到了传感器的标定实验解耦矩阵。实验结果表明,该预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的测力量程为0~3000N,测力矩量程达0~300N·m,测量精度优于实际值的7.5%。传感器能够满足空间六维力/力矩的测量,具有量程大、解耦计算简单、安装调试方便等优点。     

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。     

一种新型的六维力传感器静态标定系统设计研究

针对现有六维力传感器静态标定系统集成度不足、操作界面比较复杂、测量误差大、实验效率低等不足,研制了一种基于虚拟仪器的六维力传感器静态标定系统。该系统以Lab VIEW软件为设计操作平台,基于线性模型的六维力传感器静态解耦方法,充分分析了影响实验结果的误差因素,开发设计了标定试验台、信号采集系统以及数据分析软件。在静态环境下多次实验,实验结果表明与传统静态标定系统相比,该系统界面易用性好,标定效率高,具有较好的准确度。