基于重构策略的结构解耦力/力矩传感器设计与研究

摘要

本文提出一种利用弹性体结构实现了力和力矩解耦的传感器构型，并进行了相关的理论分析、有限元仿真及试验研究，从构型综合、解耦条件、优化分析、静力学分析、测量模型重构、传感器样机设计加工及标定试验等方面对传感器进行研究，其测量精度比装配式结构解耦六维力传感器精度高，重构策略简便，为结构解耦力/力矩传感器在面向具体应用中的静态性能和模型重构提供理论依据及设计基础。
　　首先使用螺旋理论方法设计出能够实现传感器结构解耦的弹性体构型，并利用解耦约束条件分析验证了该结构的正确性，并使用正交优化试验方法确定测力梁的结构尺寸，依据测力梁的尺寸大小完成了弹性体的结构设计，根据线切割加工工艺完善了弹性体结构，且采用悬臂梁结构可以快速实现不同分辨率及量程传感器的设计，并完成弹性体外壳及下底板的设计工作，最后确定传感器电桥的组桥方法，完成了传感器的整体设计。
　　其次研究了在有限元软件中传感器各方向分步加载力和力矩情况下输出应变曲线的变化规律，以此分析传感器存在的耦合情况，对存在的耦合现象进行具体分析。根据推导出的加载外力和应变的关系，分析了灵敏度和刚度的各向同性情况，得到传感器的刚度模型；基于响应曲面方法分析传感器的结构参数对传感器力和力矩灵敏度的影响情况；以传感器力和力矩灵敏度作为优化目标进行优化，得到传感器结构参数最优解，利用有限元方法对传感器进行了虚拟标定，得到传感器的虚拟标定矩阵和误差矩阵，对传感器的设计提供了一定的理论依据。
　　然后着重分析了结构解耦六维力传感器的可重构策略，对间接输出型传感器和直接输出型传感器的可重构模型进行对比分析，给出了本文提出的结构解耦六维力传感器的可重构测量原理结构图，通过虚拟标定方法给出了结构解耦力/力矩传感器在不同维度下的标定矩阵和误差矩阵，并完成了传感器软件重构算法的编程，实现了六维力传感器面向具体测量任务的自适应重构能力。
　　最后根据搭建的标定试验平台进行传感器的可重构标定试验研究，根据标定试验分析，计算得到传感器的重要静态性能指标参数，表明了传感器良好的测力性能。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 多维力传感器的发展状况

1.2 国内外研究状况及应用状况

1.3 六维力传感器应用状况

1.4 相关课题研究现况

1.5 研究意义及主要内容

第2章 结构解耦力/力矩传感器构型设计

2.1 引言

2.2 基于数学模型的传感器构型分析

2.3 基于数学模型的解耦性能分析

2.4 传感器结构特点与工作原理

2.5 本章小结

第3章 结构解耦力/力矩传感器结构设计及加工

3.1 引言

3.2 测力梁结构优化设计

3.3 柔性铰链刚度研究

3.4 结构解耦六维力传感器结构

3.5 传感器量程设计

3.6 传感器弹性体贴片及组桥方案

3.7 本章小结

第4章 结构解耦力/力矩传感器性能分析及虚拟标定

4.1 引言

4.2 传感器输出应变曲线分析

4.3 力Fx对力Fz干扰的分析

4.4 力与应变映射关系

4.5 传感器的灵敏度分析

4.6 传感器刚度分析

4.7 结构解耦力/力矩传感器优化设计分析

4.8 传感器的虚拟标定

4.9 本章小结

第5章 结构解耦力/力矩传感器可重构分析

5.1 引言

5.2 一般并联六维力传感器的模型重构分析

5.3 结构解耦力/力矩传感器重构分析

5.4 结构解耦力/力矩传感器测量模型重构程序

5.5 本章小结

第6章 结构解耦力/力矩传感器静态标定试验

6.1 引言

6.2 结构解耦力/力矩传感器样机

6.3 结构解耦力/力矩传感器标定系统

6.4 结构解耦力/力矩传感器标定试验

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢