小型多維力傳感器設計及應用.pdf

1、力傳感器的小型化是當今傳感器發(fā)展的趨勢，小型化多維力傳感器在空間機械臂遙操作與航空航天工程的地面實驗中有著非常重要的作用。裝載于小型機械臂腕關節(jié)處的小型六維力/力矩傳感器是幫助機械臂感知空間力覺信息并保障力控制與遙操作安全性的關鍵元件。用于空間站太陽能帆板鉸接式伸展機構細長伸縮桿內(nèi)力測量的小型力傳感器對空間大型可伸展機構展開過程中的力控制具有重要意義。
　　本文結合國家863項目“感知型機器人”和中國航天科技集團公司上海航天設備制

2、造總廠委托項目“伸縮拉桿測試設備”，針對兩種小型化力傳感器的應用與技術指標要求，設計了傳感器的測量單元、硬件電路和采集軟件，對傳感器進行標定實驗驗證傳感器的測量精度，使研制的傳感器滿足實際測量需求和設計指標要求。
　　首先，設計了小型六維力/力矩傳感器的彈性體，通過ANSYS軟件對彈性體設計進行結構靜力學分析，在不斷地進行參數(shù)優(yōu)化后，最終確定彈性體結構與尺寸，并評價該結構尺寸設計的合理性。根據(jù)裝配需求設計其他裝配零件。
　　

3、其次，基于傳感器小型化的設計要求，設計了小型六維力/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)部的兩級信號放大電路和基于USB串口的數(shù)據(jù)采集電路。
　　為評價傳感器的靜態(tài)性能，對傳感器進行靜態(tài)標定實驗。設計了新型標定零件，實現(xiàn)小型化六維力/力矩傳感器的精確標定。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，通過不同的算法對實驗數(shù)據(jù)進行解耦、誤差分析與比較，選擇最優(yōu)的算法提高傳感器的測量精度。
　　最后，

4、本文設計了基于并聯(lián)互補式測量單元的細長伸縮桿內(nèi)力測量傳感器。通過傳感器測量單元上的兩個S型傳感器構成并聯(lián)結構，利用該結構的差分補償作用，解決細桿內(nèi)力測量過程中干擾內(nèi)力對有用內(nèi)力測量的不利影響，提高傳感器測量精度。通過傳感器放大電路的零點調(diào)節(jié)功能與上位機軟件的在線補償消除零位誤差，實現(xiàn)高精度、無損、操作簡單與通用性良好的細長伸縮桿內(nèi)力測量。最后通過標定與測量實驗驗證傳感器的測量精度。
　　課題研制的傳感器已分別被應用于感知型機器人驗