一种新型六维腕力传感器的设计研究

论文摘要

本论文提出了一种新型的并联六维腕力传感器,它能很好的解决传统力传感器中存在的刚度和灵敏度之间相互矛盾的问题。该传感器采用并联结构形式,通过在六根弹性连杆上安装附加弹性元件的方法,来达到放大弹性连杆的应变的目的。在附加弹性元件的变形筋上贴应变片,从而通过测量附加弹性元件变形筋上的受力来达到测量弹性连杆上的力的目的,这样可以大幅度提高检测的灵敏度。而不必为提高灵敏度在弹性连杆上串联变形环节,所以保证了该传感器有很大的刚度。本文首先对并联力传感器的力变换原理进行了分析,为并联力传感器的设计提供基本的理论依据。然后利用并联传感器的空间力传递关系,直接推导出感测力的六维雅可比矩阵,并将六维力雅可比矩阵用具体的结构参数解析表达。利用ADAMS仿真,验证了理论分析的正确性。依据力雅可比矩阵条件数最小原则,推导出雅可比矩阵条件数与传感器结构参数的解析关系。并依此设计出传感器的基本结构。对附加弹性元件的应变放大原理进行了分析,推导出了应变放大倍数与附加弹性元件的结构参数的解析关系,找出了影响附加弹性元件应变放大倍数的因素,为对附加弹性元件进行结构设计和优化提供了理论依据。以附加弹性元件的应变放大理论为依据,利用有限元法对附加弹性元件进行了有限元分析,在此基础上,进一步对附加弹性元件的结构进行了优化,得到了附加弹性元件的优化结构。利用机械系统动力学仿真软件ADAMS对传感器进行了结构瞬态动力学分析,通过动态响应曲线得到了传感器的基本动态性能参数。对传感器系统进行了设计,设计出了适用的电桥电路,对测量系统的总体进行了设计,并且对传感器的数据采集的软件编程理论进行了研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和课题来源
• 1.2 腕力传感器的发展及研究现状
• 1.2.1 腕力传感器国内外发展及研究现状
• 1.2.2 Stewart 传感器国内外发展及研究现状
• 1.3 本课题研究的目的和意义
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第二章 并联六维力传感器实现的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 Stewart 平台的基本原理
• 2.3 并联腕力传感器的基本理论
• 2.3.1 并联腕力传感器的总体结构
• 2.3.2 传感器的力变换原理
• 2.4 传感器各向同性和力解耦原理分析
• 2.4.1 力雅可比矩阵条件数的定义
• 2.4.2 力雅可比矩阵条件数的解析表达式
• 2.4.3 力解耦原理分析
• 2.5 ADAMS 静力学仿真
• 2.5.1 ADAMS 虚拟样机技术介绍
• 2.5.2 力雅可比矩阵的验证
• 2.6 小结
• 第三章 新型并联腕力传感器的结构设计
• 3.1 引言
• 3.2 传感器总体结构的设计
• 3.2.1 各向同性准则设计
• 3.2.2 传感器的量程设计
• 3.2.3 刚性杆的结构设计
• 3.2.4 附加弹性元件的结构设计
• 3.3 小结
• 第四章 附加弹性元件的结构优化
• 4.1 结构优化方法概述
• 4.2 附加弹性元件结构优化原理和方法
• 4.2.1 附加弹性元件结构优化的原理
• 4.2.2 附加弹性元件结构优化参数和方法的选用
• 4.3 附加弹性元件结构优化
• 4.3.1 有限元模型的建立
• 4.3.2 变形筋的长度对应变放大倍数的影响
• 4.3.3 变形筋的厚度对应变放大倍数的影响
• 4.3.4 变形筋的宽度对应变放大倍数的影响
• 4.3.5 变形传递段的长度对应变放大倍数的影响
• 4.3.6 变形传递段的厚度对应变放大倍数的影响
• 4.3.7 变形传递段的宽度对应变放大倍数的影响
• 4.4 附加弹性元件变形筋结构的二次优化
• 4.4.1 变形筋的长度对应变放大倍数的影响
• 4.4.2 变形筋的厚度对应变放大倍数的影响
• 4.4.3 变形筋的宽度对应变放大倍数的影响
• 4.5 优化结果分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 传感器的结构动态性能分析
• 5.1 对传感器进行结构瞬态动力学分析的目的和方法
• 5.2 传感器的动态数学模型
• 5.3 ADAMS 中传感器模型的建立
• 5.3.1 创建传感器原始结构模型
• 5.3.2 施加约束
• 5.3.3 建立测量
• 5.4 动态响应仿真方法
• 5.4.1 阶跃响应法
• 5.4.2 冲击响应法
• 5.5 动态性能指标的计算
• 5.5.1 时域动态性能指标
• 5.5.2 频域动态性能指标
• 5.5.3 时域与频域两种动态性能指标的关系
• 5.5.4 动态性能指标的计算方法
• 5.5.5 动态性能指标的数值计算
• 5.6 小结
• 第六章 传感器电路系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 桥路设计
• 6.2.1 电桥电路
• 6.2.2 电桥输出
• 6.2.3 电桥灵敏度
• 6.2.4 电桥温度补偿原理
• 6.2.5 电桥消除弯力影响原理
• 6.3 测量系统设计
• 6.3.1 测量系统总体设计
• 6.3.2 计算机数据采集系统简介
• 6.3.3 数据采集卡的选择
• 6.3.4 数据采集系统软件的设计理论研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文