特种六分力传感器设计原理研究

论文摘要

六分力传感器能同时检测到三维空间的全力信息,是随着机器人技术的发展而出现的一种新传感器。本文主要围绕复杂环境下六分力传感器系统设计原理的若干关键技术和实验校准等问题进行深入研究,并研制出“气动力—惯性力复合离心试验”用六分力传感器系统,完成的主要工作如下:1、系统地总结分析了六分力传感器的概念原理、特点及工程应用,重点回顾了六分力传感器及其关键技术的国内外研究状况。并从测量系统理论的角度,分析了六分力传感器系统的数学理论基础。2、在对比分析六种可选用的测力敏感元件方案的基础上,对并联结构和盒式结构六分力传感器分别进行总体方案分析,并重点提出了一种新型八正交梁结构六分力传感器系统的总体设计方案,同时详尽阐述了其结构设计、工艺、布片组桥及测量原理等关键技术。3、针对维间耦合严重制约着传感器测量精度的问题,对多分力传感器解耦算法进行全面系统分析,分别针对静态解耦和动态解耦,提出几种有效的解耦方法及策略。4、以并联结构六分力传感器为研究对象,推导出其主要性能指标的解析解,分析了主要性能指标的性能椭球特性;引入性能影响因子,考察了无量纲化的关键结构参数与主要性能指标的量化关系,绘制出主要性能指标的二维性能图谱;并在此基础上提出了面向性能指标（DFP）的传感器设计策略。针对盒式结构六分力传感器的关键部件——力敏元件与弹性连杆进行优化设计,提出了一种基于正交试验和APDL的结构优化方法,并采用该方法实现了力敏元件的优化设计,同时推导出新型柔性铰链的柔度解析计算公式,并考察了关键结构参数对新型柔性铰链柔度性能的影响规律。利用有限元仿真软件,对新研制八正交梁结构六分力传感器进行静力学特性分析及模态分析;以维间耦合最小为目标函数建立了其结构优化数学模型,实现了结构尺寸优化;并考察了结构参数变化影响固有频率的规律。完成了新型六分力传感器的动态特性仿真研究,获取了其受到阶跃或冲击载荷后的动态响应,提取了其动态性能指标值。5、建立了六分力传感器性能的通用评价指标体系模型和AHP-FUZZY评价模型,为六分力传感器的性能综合评价提供了理论依据,并给出了新型六分力传感器系统的评价实例,评价结果良好;同时建立了并联结构六分力传感器评价指标体系。6、完成了新型八正交梁结构六分力传感器的静态校准和准动态实验,实验结果表明:传感器的精度、准度、线性度等比较理想,达到了复合离心试验的使用要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多分力传感器的概念与功用
• 1.2.1 多分力传感器的定义
• 1.2.2 多分力传感器的测量原理
• 1.2.3 多分力传感器的工程应用
• 1.3 六分力传感器的分类及特点
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 六分力传感器的力敏元件结构设计研究
• 1.4.2 多分力传感器的力学特性与优化设计研究
• 1.4.3 多分力传感器的性能评价研究
• 1.4.4 多分力传感器解祸方法研究
• 1.5 选题意义与课题来源
• 1.6 本文的研究内容
• 第2章 六分力传感器测量系统理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 测量系统
• 2.3 测量系统的数学模型
• 2.4 六分力传感器测量系统的分析方法
• 2.4.1 “黑箱”分析法
• 2.4.2 输入输出方程形式分析法
• 2.4.3 状态变量分析法
• 2.5 本章小结
• 第3章 特种六分力传感器方案研究
• 3.1 引言
• 3.2 系统总体设计
• 3.2.1 构型选择
• 3.2.2 系统组成
• 3.2.3 量程设计
• 3.2.4 惠斯顿电桥
• 3.3 详细设计方案
• 3.3.1 并联结构六分力传感器方案
• 3.3.2 盒式结构六分力传感器方案
• 3.3.3 八正交梁型六分力传感器方案
• 3.4 本章小结
• 第4章 六分力传感器解耦算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 六分力/力矩传感器耦合原理
• 4.3 六分力传感器静态线性解耦方法及应用
• 4.3.1 基于静态线性标定的解耦算法
• 4.3.2 基于最小二乘线性拟合的线性静态解耦算法
• 4.4 静态非线性解耦方法
• 4.4.1 基于神经网络的静态非线性解耦方法
• 4.4.2 基于LS-SVM的静态非线性解耦
• 4.5 六分力传感器动态解耦方法
• 4.5.1 基于多尺度特征分析方法的六分力传感器解耦
• 4.5.2 基于最小二乘支持向量机结合α阶逆系统法的解耦方法
• 4.6 本章小结
• 第5章 六分力传感器性能分析与优化设计原理
• 5.1 引言
• 5.2 并联结构六分力传感器优化设计理论研究
• 5.2.1 Stewart型六分力传感器的力学基础
• 5.2.2 面向性能指标的并联结构六分力传感器设计方法
• 5.3 盒式结构六分力传感器优化设计理论
• 5.3.1 力敏元件的一种结构集成优化设计方法
• 5.3.2 弹性连杆优化设计基础
• 5.4 八正交梁型六分力传感器优化设计及动态特性仿真研究
• 5.4.1 有限元分析在六分力传感器广义仿真优化设计中的应用
• 5.4.2 基于有限元分析的弹性体静力特性分析
• 5.4.3 结构模态及固有频率分析
• 5.4.4 结构参数优化研究
• 5.4.5 动态特性仿真研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 六分力传感器性能指标体系与评价研究
• 6.1 引言
• 6.2 六分力传感器性能通用评价体系与评价技术
• 6.2.1 综合评价指标体系及指标内涵
• 6.2.2 综合评价方法
• 6.2.3 评价体系模型
• 6.2.4 评价实例
• 6.3 并联结构六分力传感器性能评价体系
• 6.4 本章小结
• 第7章 六分力传感器校准及复合离心试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 静态标定及校准理论和方法
• 7.2.1 静态标定理论和方法
• 7.2.2 静态校准理论和方法
• 7.2.3 静校系统的软硬件实现
• 7.2.4 静态标定及校准实验与结论
• 7.3 准动态校准及复合离心试验
• 7.3.1 复合离心试验
• 7.4 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 主要结论及创新点
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 附录