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《燕山大学》 2010年
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大量程并联式六维力传感器基础理论与实验研究

姚建涛  
【摘要】: 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,分别求解得到三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。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP212.1

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 王志军;双层预紧式六维力传感器基础理论与应用研究[D];燕山大学;2012年
2 石中盘;大量程柔性铰六维测力平台标定关键技术与实验研究[D];燕山大学;2013年
3 于春战;基于Stewart平台的六维加速度传感器研究[D];北京邮电大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 谢晓伟;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];燕山大学;2011年
2 李昌;基于六自由度运动平台的力加载控制研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
3 张成艳;基于LabVIEW的新型六维力传感器静态标定实验研究[D];重庆大学;2012年
4 迟鹤翔;盲源分离在六维力传感器静态标定中的应用[D];燕山大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
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1 阎志伟;Stewart平台式六维力传感器静态标定的理论与实验研究[D];燕山大学;2004年
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【共引文献】
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9 刘金华;解同信;;热电偶传感器的温度测试[J];北京工业职业技术学院学报;2007年02期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 郑红梅;仇成群;;机器人六维腕力传感器静态标定系统的研究[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
2 葛运建;申飞;;大力加强信息获取科学建设推进我省先进制造产业跨越式发展[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
3 郑红梅;张克;仇成群;刘莉;;MATLAB在LabVIEW开发虚拟仪器中的应用[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年
4 王云;;载货车传动轴的布置与验算[A];“2011西部汽车产业·学术论坛”暨四川省汽车工程学会四届第九次学术年会论文集[C];2011年
5 阮久宏;荣学文;吴三友;;凿岩机器人液压系统ADRC控制器设计与仿真[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
6 孙立宁;刘彦武;曲东升;李长峰;;靶定位并联机器人控制研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
7 孙立宁;李长峰;曲东升;刘彦武;;ICF精密并联机器人系统的研制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
8 胡英;吴德烽;;一种柔性检测机器人的运动学研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
9 丁磊;李成学;;基于虚拟仪器的车辆制动测试系统[A];第三届全国软件测试会议与移动计算、栅格、智能化高级论坛论文集[C];2009年
10 徐德红;李小平;;波束波导系统中反射镜精密调整机构的设计与分析[A];中国电子学会电子机械工程分会2009年机械电子学学术会议论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘攀;绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 常艳艳;水下运载器对接装置虚拟仿真系统关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 李晚龙;六自由度Stewart平台分散智能控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
4 梁桥康;特殊应用的多维力/力矩传感器研究与应用[D];中国科学技术大学;2010年
5 张克涛;变胞并联机构的结构设计方法与运动特性研究[D];北京交通大学;2010年
6 皮阳军;电液伺服并联六自由度舰船运动模拟器轨迹跟踪控制及其应用研究[D];浙江大学;2010年
7 李雨桐;并联机构运动奇异性及其动态稳定性研究[D];浙江大学;2010年
8 吴乐彬;基于电液伺服并联六自由度机构的广义负载模拟理论和实验研究[D];浙江大学;2010年
9 张淑平;基于视觉的并联机器人位姿检测方法研究[D];东华大学;2010年
10 徐菲;用于检测三维力的柔性触觉传感器结构及解耦方法研究[D];中国科学技术大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 户燕会;工业机器人的工作空间和误差补偿的分析与仿真[D];河南理工大学;2010年
2 滕景忠;智能瓦斯传感器的研制[D];山东科技大学;2010年
3 郭大杰;3-PRRRR移动并联机构自由度、约束奇异和运动学分析[D];浙江理工大学;2010年
4 赵进科;正交三自由度并联机构动力学分析[D];郑州大学;2010年
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8 刘凉;3-RRRU并联机器人运动学控制的研究[D];天津理工大学;2010年
9 梅凡;三自由度并联机器人精度分析与综合[D];天津理工大学;2010年
10 李耀斌;三自由度并联机器人运动学分析[D];天津理工大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 于靖军,毕树生,宗光华;空间全柔性机构位置分析的刚度矩阵法[J];北京航空航天大学学报;2002年03期
2 贾明,毕树生,于靖军,徐一村;大变形柔性铰链的静刚度分析及应用[J];北京航空航天大学学报;2005年07期
3 刘志成;陈祥光;李宇峰;李兵;;传感器输出时间序列的实时小波滤波方法[J];北京化工大学学报(自然科学版);2007年01期
4 姚智慧,张付祥;新型力解耦机器人六维力传感器研究[J];传感技术学报;2002年04期
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7 刘宗林,李圣怡,吴学忠;新型三轴微加速度计设计[J];传感技术学报;2004年03期
8 李海滨;隋春平;王洪光;高理富;赵明扬;龚海里;;基于Stewart平台六维力传感器的分区静态标定方法[J];传感技术学报;2006年01期
9 严洁;赵研;张俊利;;基于BP神经网络的称重传感器静态非线性误差补偿研究[J];传感技术学报;2008年06期
10 杨卫超;余永;邓小红;葛运建;戈瑜;;一种基于双E型膜片的微小六维力传感器的设计[J];传感技术学报;2008年07期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 吴盛殷;南仁东;彭勃;邱育海;朱丽春;朱文白;;FAST计划的现状和期望[A];中国电子学会第七届学术年会论文集[C];2001年
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中国博士学位论文全文数据库 前9条
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2 赵现朝;Stewart结构六维力传感器设计理论与应用研究[D];燕山大学;2003年
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8 李映君;新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D];大连理工大学;2010年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 厉敏;大量程六维力传感器信号消噪及静态解耦研究[D];燕山大学;2011年
2 谢晓伟;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];燕山大学;2011年
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【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 王志军;双层预紧式六维力传感器基础理论与应用研究[D];燕山大学;2012年
2 梁顺攀;五自由度冗余驱动并联机构性能分析与力/位混合控制研究[D];燕山大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 金振林;新型六自由度正交并联机器人设计理论与应用技术研究[D];燕山大学;2002年
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 陈玉龙;多维并联式力传感器的性能分析与应用研究[D];燕山大学;2003年
【相似文献】
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1 黄斌;余晓芬;黄英;;气浮式六维力测量方法研究[A];2008中国仪器仪表与测控技术进展大会论文集(Ⅲ)[C];2008年
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5 ;Property Analysis of the Position-Singularity Loci of the Stewart Manipulator Using the Cross-Section of Z-Plane[A];Proceedings of 2010 Chinese Control and Decision Conference[C];2010年
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7 ;Orientationability and Practical Orientationability Analysis of a Special Class of the Stewart-Gough Parallel Manipulators[A];Proceedings of 2010 Chinese Control and Decision Conference[C];2010年
8 ;Singularity Kinematics Principle and Singularity Analysis of 6-3 Stewart Manipulators for Special Orientations[A];Proceedings of 2010 Chinese Control and Decision Conference[C];2010年
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1 沈建苗 编译;警惕:僵尸网络 死灰复燃[N];计算机世界;2009年
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3 ;美国六大热门杂志[N];中国图书商报;2002年
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5 小峥;收购完成,英克隆大戏落幕[N];医药经济报;2008年
6 摘编;中国鲜肉包装应在哪些方面改进[N];中国包装报;2005年
7 周齐武;EVA绩效评价在中国应用的潜在价值[N];中国财经报;2003年
8 王化成 刘俊勇;财务模式到平衡模式的转变[N];中国财经报;2003年
9 作者:Gail Schiller 翻译:杨一晨;梦工厂启动《狂野大自然》系列营销计划[N];中国电影报;2005年
10 连文;手机辐射寻求标准化[N];中国电子报;2004年
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1 姚建涛;大量程并联式六维力传感器基础理论与实验研究[D];燕山大学;2010年
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5 李映君;新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D];大连理工大学;2010年
6 金振林;新型六自由度正交并联机器人设计理论与应用技术研究[D];燕山大学;2002年
7 于春战;基于Stewart平台的六维加速度传感器研究[D];北京邮电大学;2012年
8 林盛;基于Stewart结构并联分载式六维大力传感器研究[D];大连理工大学;2010年
9 李欣欣;宏/微两级驱动的大行程高精度二维定位平台基础技术研究[D];浙江大学;2008年
10 杨旭东;大量程轮廓综合测量系统研究[D];华中科技大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张众;大载荷六维力传感器及其标定技术研究[D];大连理工大学;2011年
2 迟鹤翔;盲源分离在六维力传感器静态标定中的应用[D];燕山大学;2013年
3 厉敏;大量程六维力传感器信号消噪及静态解耦研究[D];燕山大学;2011年
4 谢晓伟;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];燕山大学;2011年
5 陈立伟;刚柔混合结构三腿六维力传感器关键技术研究[D];燕山大学;2013年
6 李亚娟;六维力传感器的数字化应变检测及在线标定研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
7 李生广;无耦合六维力传感器结构有限元分析与标定实验系统设计[D];哈尔滨工业大学;2012年
8 李伟;基于神经网络的间接输出型车轮六维力传感器研究[D];武汉理工大学;2013年
9 汪志红;电阻应变片式六维力传感器弹性体力学特性的研究[D];安徽工程大学;2013年
10 卫然;多维力传感器动态测试激励方法研究[D];安徽工程大学;2012年
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