基于任务模型的整体预紧双层并联式六维力传感器的设计理论及实验研究

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。本项目针对一种整体预紧双层并联六维力传感器进行设计理论、标定实验以及传感器应用等方面进行了深入的研究。主要研究内容如下：提出一系列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；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；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。对传感器执行的任务进行系统的分析，结合物理意义给出其定义表达式；基于任务椭球思想，建立并联式六维力传感器的任务模型，并深入研究其与传感器静态数学模型之间的关系；针对六维力传感器的实际应用需求，对传感器的各分量灵敏度和整体灵敏度分别进行系统分析；并在此基础上，利用MATLAB对传感器各分支杆的受力进行优化，以获得满足实际任务需要的更为合理的传感器灵敏度。依据所优化的结构参数，完成双层预紧式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。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并对系统运动微分方程进行求解。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。