侯雨雷, 康凯佳, 曾达幸, 姚建涛, 孙凤龙[1]2008年在《新型预紧式六维力传感器及其位姿误差分析》文中研究表明提出了一种新型的基于Stewart平台的预紧式六维力传感器结构,并对其进行了位姿误差分析。以经典Stewart平台六维力传感器为比较对象,描述了新型预紧式六维力传感器的结构特点;综合利用影响系数法和矢量法建立其位姿误差模型,定义位姿误差灵敏度指标并据此绘制误差灵敏度直方图以分析不同误差因素对传感器位姿误差的影响;最后,研制出传感器样机并完成了标定实验。实验结果表明,该传感器测力精度在1%以内。所研究内容对六维力传感器的设计制造和实验标定具有理论指导意义。
王志军[2]2012年在《双层预紧式六维力传感器基础理论与应用研究》文中研究指明随着科学技术的迅速发展，传感器技术已经广泛应用于测量、控制及信息等领域，并且已成为高新技术的核心之一。在各种传感器中，六维力传感器以其能够检测空间六维力和力矩的全部信息而成为非常重要的一类传感器，并在航空航天、机器人、汽车制造、生物医疗等领域都有着广阔的应用前景。本文针对一种双层预紧式六维力传感器，主要对设计理论、标定实验以及传感器应用等方面进行深入的研究，为设计具有自主知识产权高精度的六维力传感器及其实用化奠定理论和实验基础。主要研究内容如下：提出一种双层预紧式多分支六维力传感器，应用凸分析理论确定了该传感器结构可行的分支数目；建立了双层预紧式多分支六维力传感器的数学模型，应用螺旋理论推导得到作用在传感器上的六维力与测量分支轴向力之间的静力映射矩阵解析表达式。系统推导了双层预紧式多分支六维力传感器静力分配问题。由于传感器为超静定结构，通过引入分支刚度加权广义逆等概念，求解了测量分支反作用力解的唯一形式，并对其物理意义进行讨论；将测量分支轴向力分解为两部分，其中一部分由作用在传感器上的外力产生，另一部分由初始预紧力产生；在此基础上，采用线性变换的方法确定了保证传感器结构稳定测量的初始预紧力大小；最后通过数值算例和实验验证了上述推导的正确性。提出一种基于设计量程来确定六维力传感器结构参数的优化方法，建立了传感器在量程范围内受力时最大测量分支轴向力与结构参数之间的关系，并绘制出最大轴向力随结构参数的变化曲线，得到当最大轴向力取得最小值时的结构参数；分别对双层预紧式七分支和八分支六维力传感器进行结构参数优化；依据所优化的结构参数，完成双层预紧式七分支六维力传感器的结构设计，研制出六维力传感器系统样机。研制了六维力传感器标定实验台，基于LabVIEW开发了六维力传感器静态标定软件；推导了六维力传感器线性度、重复性和回程误差性能指标的标定算法；采用多点加载法在量程范围内对传感器各维力/力矩进行逐级加载，经过对实验数据的处理，得到了传感器的各静态性能指标。实验结果表明该传感器具有较高的测量精度。对并联结构六维力传感器误差来源与提高精度的方法进行研究，分析了并联式六维力传感器测量分支轴向变形对其测量精度的影响；推导了传感器应用中受力端重力对其测量精度的影响及补偿算法；分析预紧力对预紧式六维力传感器测量精度的影响，并提出通过增大预紧力来减小测量误差的方法。应用螺旋理论和多自由度系统振动力学理论，建立了双层预紧式多分支六维力传感器的振动力学简化模型，推导得到了系统的运动微分方程；对系统运动微分方程进行求解，得到了系统在初始激励下响应的解析表达式，以及传感器的各阶固有频率值。采用阶跃信号响应法对传感器进行动态标定实验研究，得到了传感器的各阶固有频率，所得实验结果与理论计算、仿真结果一致。针对曲面跟踪和轴孔装配两种典型的运动模型，进行六维力传感器应用研究。考虑广义六维力的叁种形式，指出六维力传感器实际测量中所存在的局限性；规划了两种运动模型的运动过程，并推导基于六维力传感器检测信息的反馈控制算法；搭建了机器人力控制实验平台，依据力反馈控制算法规划了控制流程并编写运动控制软件；最后完成了曲面跟踪和轴孔装配两种力反馈控制实验。
王志军[3]2009年在《整体预紧并联结构六维力传感器结构设计与性能分析》文中研究指明随着科学技术的迅速发展,传感器技术已经广泛应用于测量、控制及信息等领域,并且已成为高新技术的核心技术之一。在各种传感器中,六维力与力矩传感器以其能够感知外力和力矩的全部信息而成为最重要的一类传感器。研制满足一定应用场合的、高性能的六维力传感器具有重要的工程实践意义。本文针对一种新型的整体预紧并联结构六维力传感器进行结构设计和性能研究,主要研究内容如下:首先,确定了新型整体预紧式六维力传感器的设计方案,推导了空间刚体受单向约束力保持平衡时,受力个数的范围;建立了传感器的理论数学模型,确定传感器的六个结构参数,并推导出一阶静力影响系数矩阵表达式。其次,依据所建立的理论模型结合给定量程确定了传感器的结构参数;采用可视化的叁维设计软件,对传感器的机械结构进行了系统设计,并通过有限元分析软件对传感器的关键部件进行校核和优化,最终确定了整体预紧并联结构六维力传感器的实体模型。再次,通过Kane方法建立六维力传感器的动力学方程,并将其转化为振动方程,再由振动学理论求解了传感器固有频率和模态向量。最后,采用动力学分析软件ADAMS对传感器进行动力学性能仿真分析。通过建立刚—柔混合模型和弹性分支模型两种方法,分别对传感器进行了动态特性分析,并将得出的结果进行比较;另外采用ADAMS/Vibration振动模块对传感器进行了受迫振动仿真分析。
姚建涛[4]2010年在《大量程并联式六维力传感器基础理论与实验研究》文中研究表明大量程高精度六维力传感器在航空航天、汽车、建筑及造船等许多领域十分急需并具有广泛的应用前景。并联机构具有刚度大、结构稳定、承载能力高、无误差积累、精度高等特点，是设计制造大量程、大测力板六维力传感器的最佳结构方案之一，特别是各向同性并联式六维力传感器更具有应用潜力。本文主要研究大量程并联结构六维力传感器的各向同同性问题，以及预紧式超静定并联式六维力传感器的关键理论和实验问题，丰富和完善并联式六维力传感器的设计理论，为设计制造具有自主知识产权的六维力传感器奠定理论与实验基础。主要研究内容如下：应用螺旋理论对静定Stewart结构六维力传感器进行静态受力分析，分析经典6/6型和3-3/3-3型双环Stewart结构六维力传感器的结构特点，提出一种等杆长6/3-3型Stewart结构六维力传感器，分别求解得到叁种并联结构六维力传感器的静力映射矩阵以及其它关键特性矩阵的解析表达式。对传感器的各向同性性能指标进行系统分析，结合物理意义逐一分析和比较过去所采用过的各向同性性能评价指标，通过引入解耦性能约束条件，定义满足解耦性能的各向同性指标，引入力和力矩完全各向同性的概念；具体分析传感器满足力和力矩完全各向同性时各个分量的灵敏度和综合灵敏度指标；从整体刚度和灵敏度的角度，总结各向同性的物理意义，并推广到任意分支Stewart结构六维力传感器的性能评估。采用数学解析推导方法，应用满足解耦性能的各向同性度指标，系统分析经典6/6型Stewart结构六维力传感器的各向同性性能，证明该类结构不可能同时实现力和力矩完全各向同性的性能，进而权衡力和力矩各向同性度指标，得到综合性能指标的最优值；系统分析3-3/3-3型双环结构和6/3-3型结构Stewart力传感器的各向同性性能，推导得到传感器同时满足力和力矩完全各向同性时结构参数之间的解析表达式，确定各向同性解析表达式的有效性及有效区间，给出数值算例和结构实例。提出一系列整体预紧式六维力传感器结构，对预紧式Stewart结构力传感器的超静定力分配问题进行分析，综合考虑传感器整体刚度和位移协调关系，以简洁的符号表达式描绘出超静定结构各分支杆轴力与六维外力之间的映射关系，进一步从理论上解决了任意分支超静定Stewart结构的超静定受力难题。在此基础上，详细分析和比较采用推导的理论求解公式和基于静力映射矩阵的Moore-Penrose广义逆求解之间的区别和联系，给出了综合考虑分支刚度和静力映射矩阵的广义逆求解超静定受力的表达式。对预紧式超静定Stewart结构力传感器进行详细分析，完成超静定力传感器的各向同性设计，得到满足力和力矩完全各向同性时结构参数之间的解析表达式；为保证传感器结构稳定性和测量有效性，通过求解约束条件的拉格朗日方程的极值，得到预紧载荷与量程之间的数学关系；基于得到的完全各向同性解析表达式，确定出样机的关键结构参数；对传感器样机进行详细的结构设计，完成预紧支路和传感器的整体方案设计，研制出大量程大测力板六维力传感器样机。采用线性和非线性两种标定思路，讨论超静定六维力传感器的标定方法，提出一种超静定结构六维力传感器的静定标定方法，将神经网络标定方法用于超静定六维力传感器的标定，进行六维力传感器标定系统设计，研制静态标定加载试验平台，搭建数据采集软硬件系统，对传感器样机进行静态标定实验，给出各种标定方法的实验结果并进行分析比较。采用机理建模方法、有限元仿真方法和阶跃响应实验方法对传感器样机进行动态特性研究。建立传感器样机的动力学理论模型，推导传感器系统的无阻尼自由振动方程，得到系统的理论固有频率值和振型；借助有限元软件建立传感器样机有限元模型，并进行振动模态分析；对样机进行动态标定实验的初步研究，得到传感器样机的动态性能指标。
阎志伟[5]2004年在《Stewart平台式六维力传感器静态标定的理论与实验研究》文中进行了进一步梳理本文针对国内外有关多维力传感器的理论分析与实验研究进行了比较深入和系统的分析与综述。在此基础上，设计了六维力传感器静态标定系统，并对整体预紧平台式六维力传感器样机进行了静态标定实验、误差分析的研究。在前人研究的基础上，详细地推导了当坐标系建立在六维力传感器的上平台时，六维力传感器的力雅克比矩阵的解析表达式，并对六维力传感器的各向同性指标以及广义放大倍数指标进行了研究与分析。根据理论分析与研究的结果，改进了六维力传感器的样机、实验标定加载装置。设计了整体预紧平台式六维力传感器静态标定系统：设计了电阻应变测量电路；针对该传感器开发了专门的数据采集系统，其中应用VB、VC、汇编语言等混合编程技术开发了数据采集软件。在此基础上，研究了整体预紧平台式六维力传感器的静态标定原理，提出了求六维力传感器静态标定矩阵的方法。进行了静态标定的实验，并对实验结果进行了分析、验证，从而求得了六维力传感器的静态标定矩阵。通过对标定误差矩阵的分析，得出了整体预紧平台式六维力传感器的精度，并对可能产生误差的原因进行了分析。本论文的研究工作对机器人用六维力传感器的进一步研究具有一定的理论意义和实用价值。
赵延治[6]2009年在《大量程柔性铰并联六维力传感器基础理论与系统研制》文中研究表明六维力传感器能够同时感知叁维坐标空间的全力信息。近年来,应用于火箭发动机推力试验、飞机试飞试验、航天器对接模拟试验及风洞试验等领域的大量程六维力传感器,成为急需的高科技产品。为了克服传统铰链的摩擦对大量程六维力传感器测量精度的制约,本课题对大量程柔性铰并联六维力传感器进行了较为系统的研究。主要内容如下:(1)基于螺旋理论,对Stewart平台六维力传感器进行了静力分析,推导出Stewart平台六维力传感器静力映射矩阵解析式,讨论了面向任务的六维力传感器基准坐标系选取的原则。(2)在六维力传感器性能指标定义的基础上,利用空间模型理论,绘制了传感器各性能指标图谱,分析了各性能指标与传感器结构参数间的变化规律,建立了相应目标函数,对六维力传感器进行了优化设计,得到了综合性能优良的传感器结构设计参数。(3)基于影响系数和虚功原理,提出了一种建立并联机构连续刚度模型的一般方法。结合刚度矩阵瑞利商定义了并联机构连续刚度性能判定指标,对柔性铰六维力传感器刚度性能进行了分析,探讨了传感器机构的方向刚度特性。(4)基于李群李代数SE(3)/se(3)的伴随矩阵,推导了六自由度并联机构动力学的线性-双线性公式,建立了六自由度并联机构的动力学模型。(5)将柔性铰链应用到大量程并联六维力传感器结构设计,设计了传感器各部分结构并选取了材料,基于有限元技术对方案整体结构进行了受力及其模态分析,研制出了大量程柔性铰并联六维力传感器样机。(6)设计了大量程六维力传感器标定装置机械结构与液压动力单元,研制出基于液压系统原理的大吨位六维力加载装置,搭建了六维力传感器信号采集处理系统,开发了六维传感器标定及测量软件,研制出大量程柔性铰并联六维力传感器标定系统。本研究为开展大量程柔性铰六维力传感器静、动态标定实验研究奠定了基础,对大型六维力传感器的研发具有重要的指导意义。
谢晓伟[7]2011年在《整体预紧双层并联式六维力传感器样机研制与性能分析》文中提出整体预紧双层并联式六维力传感器是一种新型六维力传感器结构,采用单向约束的球窝锥头式球面副替代传统双向约束的球面副,大大降低了维间耦合,同时采用整体预紧结构方案,预紧方便、可靠,有效的提高了传感器的测试精度。因此对其开展研究,具有重要的理论和实际意义。本文针对这种新型的六维力传感器进行了结构设计和动态性能分析,主要研究内容如下:首先,介绍了六维力传感器的结构特点,建立了传感器的理论数学模型,推导出静力映射矩阵和相关重要矩阵的解析表达式。研究了基于任务模型的传感器承载能力,并据此确定了传感器的结构参数。其次,采用可视化的叁维设计与分析软件,对传感器的机械结构进行了设计与优化,加工制造出了六维力传感器的样机。为了避免机械加工装配所导致的传感器结构误差对其精度造成影响,又设计制造了用于标定实验的标定台。最后,采用有限元分析软件ANSYS Workbench对传感器进行模态分析和瞬态动力学分析。通过模态分析,得了前六阶固有频率和相应振型;通过动态响应曲线得到了包括固有频率在内的动态性能参数,并将两次分析结果进行比较。
王蕴岭[8]2006年在《基于Stewart平台的超静定六维力传感器数值仿真研究》文中提出本文针对国内外有关多维力传感器进行了分析与综述，在此基础上，对整体预紧平台式超静定六维力传感器进行了进一步的理论分析和仿真研究。本文在前人研究的基础上，详细地推导了当坐标系建立在六维力传感器的上平台时，六维力传感器的力雅克比矩阵的解析表达式，并对六维力传感器的各向同性指标以及广义放大倍数指标进行了进一步深入地研究与分析。在综合考虑六维力传感器的各向同性指标、广义放大倍数指标以及传感器的整体外形尺寸等多方面因素的情况下，选出了几组较优的数据做为传感器的结构尺寸参数。以这几组较优的数据为基础，应用工程制图软件MasterCAM建立了整体预紧式六维力传感器的空间几何结构模型，进行格式转换后通过大型有限元分析软件Ansys的数据接口导入到Ansys中，应用Ansys对该六维力传感器的静力和动态特性进行了分析，得到了六维力传感器的固有频率和振型。本论文的研究工作对六维力传感器的进一步研究具有一定的理论指导意义和实际使用价值。
苑会领[9]2003年在《基于Stewart平台的预紧式六维力传感器的研制与开发》文中指出本文针对国内外有关多维力传感器的理论分析与实验研究进行了比较深入和系统的分析与综述，在此基础上，对整体预紧平台式六维力传感器进行了进一步的理论分析和研究，并研制出了六维力传感器的样机和实验标定加载台。本文在前人研究的基础上，详细的推导了当坐标系建立在六维力传感器的上平台时，六维力传感器的力雅克比矩阵的解析表达式，并对六维力传感器的各向同性指标以及广义放大倍数指标进行了进一步深入的研究与分析。在综合考虑六维力传感器的各向同性指标、广义放大倍数指标以及传感器的整体外形尺寸等多方面因素的情况下，选出了一组较优的数据作为传感器的结构尺寸参数。应用大型工程制图软件PRO/E建立了整体预紧式六维力传感器的空间结构模型，并应用大型有限元分析软件ANSYS对该六维力传感器的静力和动态特性进行了分析，得到了六维力传感器的固有频率。根据理论分析与研究的结果，研制出了六维力传感器的样机、实验标定加载台。应用VB、VC、汇编等语言开发了数据采集软件系统，并设计出了静态标定系统。最后分析了六维力传感器的静态标定原理，并对可能产生误差的原因进行了理论分析。本论文的研究工作对机器人用六维力传感器的进一步研究具有一定的理论指导意义和实际使用价值。
姚建涛, 侯雨雷, 牛建业, 陈捷, 赵永生[10]2009年在《大量程预紧式六维力传感器及静态标定研究》文中研究指明提出一种新型的基于6/3-3Stewart结构的大量程预紧式六维力传感器,介绍了传感器的结构特点和测量原理。假设传感器为线性系统的情况下,研究超静定受力状态下的静态标定原理,并给出两种求解标定矩阵的标定方案。为了改善维间耦合和制造误差等因素带来的非线性影响,利用误差反传算法和径向基函数神经网络,研究传感器的非线性静态标定方法。最后对传感器样机进行静态标定实验,给出了4种标定方案的实验结果并进行比较。标定结果表明该六维力传感器具有较好的测试精度,4种方法有效地解决了预紧式传感器超静定受力而带来的标定难题。
参考文献：
[1]. 新型预紧式六维力传感器及其位姿误差分析[J]. 侯雨雷, 康凯佳, 曾达幸, 姚建涛, 孙凤龙. 光学精密工程. 2008
[2]. 双层预紧式六维力传感器基础理论与应用研究[D]. 王志军. 燕山大学. 2012
[3]. 整体预紧并联结构六维力传感器结构设计与性能分析[D]. 王志军. 燕山大学. 2009
[4]. 大量程并联式六维力传感器基础理论与实验研究[D]. 姚建涛. 燕山大学. 2010
[5]. Stewart平台式六维力传感器静态标定的理论与实验研究[D]. 阎志伟. 燕山大学. 2004
[6]. 大量程柔性铰并联六维力传感器基础理论与系统研制[D]. 赵延治. 燕山大学. 2009
[7]. 整体预紧双层并联式六维力传感器样机研制与性能分析[D]. 谢晓伟. 燕山大学. 2011
[8]. 基于Stewart平台的超静定六维力传感器数值仿真研究[D]. 王蕴岭. 燕山大学. 2006
[9]. 基于Stewart平台的预紧式六维力传感器的研制与开发[D]. 苑会领. 燕山大学. 2003
[10]. 大量程预紧式六维力传感器及静态标定研究[J]. 姚建涛, 侯雨雷, 牛建业, 陈捷, 赵永生. 仪器仪表学报. 2009
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