面向空間作業(yè)的多維力傳感器設計及標定研究.pdf

1、空間艙外大型機械臂是用于空間作業(yè)的多自由度執(zhí)行機構(gòu)，是完成空間在軌服務、深空探測的主要載體。而安裝于機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，也是對它進行力控制和遙操作的關鍵元件，更是實現(xiàn)上述目標的基礎。然而，空間作業(yè)這樣的特殊背景，給多維力傳感器的設計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。一方面，太空任務要求多維力傳感器具有大量程、高剛度、高靈敏度;另一方面，傳感器應具有更高的可靠度以適應太空環(huán)境。
　　本文設計了針對空間艙外大型

2、機械臂的六維力傳感器，并集成了采集系統(tǒng)、開展了靜態(tài)標定實驗、研究并實現(xiàn)了解耦算法，最終使傳感器各項性能達成了指標要求。
　　本文根據(jù)應用背景和技術指標設計了傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)。采用十字梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對空間力和力矩的感知，利用ANSYS軟件進行有限元分析并優(yōu)化尺寸。然后根據(jù)裝配要求設計了具有抗過載能力的裝配結(jié)構(gòu)。
　　與傳統(tǒng)傳感器的分離設計方式不同，本文設計了可以集成到傳感器殼體內(nèi)部的硬件采集系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器信號的本地數(shù)字化，從而

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