面向空間作業(yè)的多維力傳感器設(shè)計(jì)及標(biāo)定研究.pdf

1、空間艙外大型機(jī)械臂是用于空間作業(yè)的多自由度執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是完成空間在軌服務(wù)、深空探測(cè)的主要載體。而安裝于機(jī)械臂腕部的多維力傳感器，是其感知外界信息的最重要的傳感器，也是對(duì)它進(jìn)行力控制和遙操作的關(guān)鍵元件，更是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基礎(chǔ)。然而，空間作業(yè)這樣的特殊背景，給多維力傳感器的設(shè)計(jì)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，太空任務(wù)要求多維力傳感器具有大量程、高剛度、高靈敏度;另一方面，傳感器應(yīng)具有更高的可靠度以適應(yīng)太空環(huán)境。
　　本文設(shè)計(jì)了針對(duì)空間艙外大型

2、機(jī)械臂的六維力傳感器，并集成了采集系統(tǒng)、開展了靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、研究并實(shí)現(xiàn)了解耦算法，最終使傳感器各項(xiàng)性能達(dá)成了指標(biāo)要求。
　　本文根據(jù)應(yīng)用背景和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)。采用十字梁結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間力和力矩的感知，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析并優(yōu)化尺寸。然后根據(jù)裝配要求設(shè)計(jì)了具有抗過載能力的裝配結(jié)構(gòu)。
　　與傳統(tǒng)傳感器的分離設(shè)計(jì)方式不同，本文設(shè)計(jì)了可以集成到傳感器殼體內(nèi)部的硬件采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的本地?cái)?shù)字化，從而

3、便于與空間機(jī)械臂這樣的復(fù)雜系統(tǒng)的集成。為了提高可靠度和應(yīng)用的靈活性，設(shè)計(jì)了高速和低速雙通道采集電路。
　　為了提高傳感器精度，開展了傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和解耦算法的研究。首先設(shè)計(jì)了新型的標(biāo)定系統(tǒng)，來提供大量程、高精度的力和力矩源。再利用此標(biāo)定裝置進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。然后根據(jù)本傳感器耦合誤差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了兩種解耦算法。一種是基于空間劃分和動(dòng)態(tài)矩陣的靜態(tài)解耦算法，簡(jiǎn)稱在線解耦算法，它將配合硬件系統(tǒng)的低速采集通道使用。該算法解耦運(yùn)算簡(jiǎn)單，但解耦