柔性重載六維力感知機構(gòu)剛度建模方法與實驗研究.pdf

1、本文以面向重載應用的柔性六維力感知機構(gòu)為研究對象，圍繞機構(gòu)的力感知特性進行了理論、仿真與實驗研究。系統(tǒng)地從構(gòu)型設計、剛度建模、靜力映射、性能評價、仿真優(yōu)化、樣機研制與標定等多方面展開研究，為柔性并聯(lián)力感知機構(gòu)的剛度研究提供新的思路，對重載六維力傳感器的研制與應用奠定理論基礎(chǔ)。
　　首先，基于“混合分支”設計理念，對重載應用的柔性并聯(lián)六維力感知機構(gòu)進行構(gòu)型設計，提出了多種不同承載分支形式的六維力感知機構(gòu)構(gòu)型。基于有限元仿真，對力感知

2、機構(gòu)整體剛度及其測力分支力敏感區(qū)域進行應力分析，總結(jié)機構(gòu)的力感知特性，為面向重載應用的六維力感知機構(gòu)構(gòu)型優(yōu)選提供依據(jù)。
　　其次，開展面向柔性關(guān)節(jié)的混合分支柔性力感知機構(gòu)剛度建模方法研究?；诰€彈性和小變形假設理論，推導出雙軸直圓柔性鉸鏈柔度矩陣各元素的解析表達式。基于柔性串聯(lián)支路的變形疊加原理和柔性并聯(lián)機構(gòu)的變形協(xié)調(diào)條件，建立了柔性串聯(lián)分支及柔性并聯(lián)力感知機構(gòu)的整體剛度矩陣，進而構(gòu)建出柔性并聯(lián)力感知機構(gòu)任一關(guān)節(jié)內(nèi)力與六維外力間的

3、解析映射模型。
　　再次，基于并聯(lián)機構(gòu)的影響系數(shù)法，構(gòu)建了柔性并聯(lián)力感知機構(gòu)的靜力映射矩陣。引入加權(quán)Moore-Penrose廣義逆，求解出冗余柔性力感知機構(gòu)的靜力映射矩陣的逆矩陣，并從變性能的角度證明了該逆矩陣符合實際物理意義。基于虛功原理，構(gòu)建柔性并聯(lián)力感知機構(gòu)的整體靜力平衡方程，通過引入二階影響系數(shù)矩陣，建立了考慮外載影響和關(guān)節(jié)變形的柔性并聯(lián)力感知機構(gòu)完整剛度矩陣。進而，基于變形協(xié)調(diào)條件，建立了具有混合分支的柔性力感知機構(gòu)完

4、整剛度矩陣。
　　最后，對基于優(yōu)選構(gòu)型設計的重載六維力傳感器的性能進行了研究。提出了適用于重載六維力傳感器的承載能力性能指標，并分析了主要結(jié)構(gòu)尺寸對傳感器承載能力的影響規(guī)律。利用有限元仿真研究了傳感器力/力矩靈敏度隨主要結(jié)構(gòu)尺寸的變化規(guī)律，并以靈敏度作為優(yōu)化目標，對傳感器進行尺寸優(yōu)化。基于虛擬樣機技術(shù)對傳感器進行虛擬標定及誤差分析。最終，研制了具有混合分支的重載六維力傳感器樣機，搭建了傳感器標定測試平臺，進行了標定測試和誤差分析。