輪輻式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化.pdf

1、隨著近代工業(yè)技術(shù)以及現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展和革新，自動化作業(yè)機器人已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域的重要組成部分。無論是重載制造裝備，還是工業(yè)上常用的工業(yè)機器人和機械手，在其工作過程中都需要多維靈巧的操作能力和實時力反饋功能幫助其實現(xiàn)正確恰當(dāng)?shù)淖灾鞑僮?，而保證這一功能可以正確實現(xiàn)的核心結(jié)構(gòu)就是六維力傳感器。高靈敏度的六維力傳感器是機器人手臂關(guān)節(jié)的重要組成部分也是不可或缺的部分，六維力傳感器的性能直接決定機器人的工作效率。
　　本文選用動態(tài)測量性能及力反

2、饋性能較為優(yōu)異的壓電石英作為力敏元件，通過建模仿真技術(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，結(jié)合并聯(lián)分載原理及多支點測量原理設(shè)計了一種應(yīng)用于工業(yè)機器人及機械手關(guān)節(jié)部分的輪輻式壓電六維力傳感器，并進行了性能標(biāo)定及優(yōu)化。
　　首先，本文對三支點測量原理，四支點測量原理及五支點測量原理等進行研究，推導(dǎo)出多支點測量原理及測量公式，結(jié)合多支點空間布局原理將四支點布局方式中的十字形布局及正方形布局進行結(jié)合，提出一種新型的八支點空間布局方式并對其測量原理進行了深入研

3、究。
　　其次，本文結(jié)合多支點測量原理及測量公式對力敏元件的疊放布局方式進行了深入分析?；趬弘姍C理及壓電方程整合出一整套合理的石英晶組疊放布置方式，依據(jù)八支點空間布局原理，設(shè)計出一種無耦合現(xiàn)象的六維力測量方案及測量公式。
　　再次，本文通過市場調(diào)研和文獻檢索，考慮機器人及機械手臂關(guān)節(jié)尺寸及操作環(huán)境需要，結(jié)合八點支撐式空間布局方案設(shè)計出一種圓盤式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)。通過參數(shù)化建模結(jié)合仿真實驗，得出該結(jié)構(gòu)傳感器的性能指標(biāo)，圓

4、盤式壓電六維力傳感器可以有效完成六維力的測量，但是存在上下蓋殼體受力不均、力學(xué)傳遞效率較低、質(zhì)量過大以及固有頻率不足等缺陷。基于輕量化原則結(jié)合力學(xué)傳遞機理以及并聯(lián)分載原理，對圓盤式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，將圓盤力學(xué)分載機構(gòu)改進設(shè)計為輪輻式結(jié)構(gòu)，建模并進行仿真實驗。實驗結(jié)果顯示:經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輪輻式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞性能得到了大幅度改善，上下蓋殼體受力一致，輪輻式并聯(lián)分載機構(gòu)作用良好，力學(xué)傳遞效率較高，同時固有頻率和靈

5、敏度也得到極大的提升。輪輻式壓電六維力傳感器結(jié)構(gòu)采用輕量化設(shè)計，大大降低了傳感器本身重量，減少了安裝后機器人以及機械手臂的工作能耗，提升了工作效率。輪輻式壓電六維力傳感器主要特點為:低能耗、高固有頻率、高靈敏度，同時具有高速測量和動態(tài)測量功能。
　　最后，本文對輪輻式壓電六維力傳感器進行參數(shù)化建模，建立了力學(xué)模型以及參數(shù)化實體模型，并對其進行六維力測量仿真實驗，結(jié)合八支點測量公式對其進行了性能檢測與量程合理化分析，計算出不同載荷下