小型多維力傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用.pdf

1、力傳感器的小型化是當(dāng)今傳感器發(fā)展的趨勢(shì)，小型化多維力傳感器在空間機(jī)械臂遙操作與航空航天工程的地面實(shí)驗(yàn)中有著非常重要的作用。裝載于小型機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)處的小型六維力/力矩傳感器是幫助機(jī)械臂感知空間力覺(jué)信息并保障力控制與遙操作安全性的關(guān)鍵元件。用于空間站太陽(yáng)能帆板鉸接式伸展機(jī)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)伸縮桿內(nèi)力測(cè)量的小型力傳感器對(duì)空間大型可伸展機(jī)構(gòu)展開(kāi)過(guò)程中的力控制具有重要意義。
　　本文結(jié)合國(guó)家863項(xiàng)目“感知型機(jī)器人”和中國(guó)航天科技集團(tuán)公司上海航天設(shè)備制

2、造總廠(chǎng)委托項(xiàng)目“伸縮拉桿測(cè)試設(shè)備”，針對(duì)兩種小型化力傳感器的應(yīng)用與技術(shù)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了傳感器的測(cè)量單元、硬件電路和采集軟件，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器的測(cè)量精度，使研制的傳感器滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量需求和設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
　　首先，設(shè)計(jì)了小型六維力/力矩傳感器的彈性體，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)彈性體設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，在不斷地進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后，最終確定彈性體結(jié)構(gòu)與尺寸，并評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的合理性。根據(jù)裝配需求設(shè)計(jì)其他裝配零件。
　　

3、其次，基于傳感器小型化的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了小型六維力/力矩傳感器的硬件系統(tǒng)，包括可以集成在傳感器基座內(nèi)部的兩級(jí)信號(hào)放大電路和基于USB串口的數(shù)據(jù)采集電路。
　　為評(píng)價(jià)傳感器的靜態(tài)性能，對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)了新型標(biāo)定零件，實(shí)現(xiàn)小型化六維力/力矩傳感器的精確標(biāo)定。分別研究了基于最小二乘法擬合和基于遺傳算法擬合的靜態(tài)解耦算法，通過(guò)不同的算法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解耦、誤差分析與比較，選擇最優(yōu)的算法提高傳感器的測(cè)量精度。
　　最后，

4、本文設(shè)計(jì)了基于并聯(lián)互補(bǔ)式測(cè)量單元的細(xì)長(zhǎng)伸縮桿內(nèi)力測(cè)量傳感器。通過(guò)傳感器測(cè)量單元上的兩個(gè)S型傳感器構(gòu)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)的差分補(bǔ)償作用，解決細(xì)桿內(nèi)力測(cè)量過(guò)程中干擾內(nèi)力對(duì)有用內(nèi)力測(cè)量的不利影響，提高傳感器測(cè)量精度。通過(guò)傳感器放大電路的零點(diǎn)調(diào)節(jié)功能與上位機(jī)軟件的在線(xiàn)補(bǔ)償消除零位誤差，實(shí)現(xiàn)高精度、無(wú)損、操作簡(jiǎn)單與通用性良好的細(xì)長(zhǎng)伸縮桿內(nèi)力測(cè)量。最后通過(guò)標(biāo)定與測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證傳感器的測(cè)量精度。
　　課題研制的傳感器已分別被應(yīng)用于感知型機(jī)器人驗(yàn)