一种双L型梁电容式六维力传感器设计

为设计一款高性能电容式六维力传感器,结合T型梁和十字型双直梁的优点,构建了一种双L型结构弹性梁,传感器转换元件采用差动结构平行极板电容器以降低传感器的测量误差,以转换矩阵的条件数为目标函数,应用粒子群算法与有限元仿真相结合的方法对该传感器的结构参数进行优化设计,得到最优结构参数后进行仿真,结果显示该构型的电容式六维力传感器仿真精度为0.4258%。最后对该传感器进行加工与标定实验,结果显示该传感器的实验精度达到0.6376%。

球体质量块型六维加速度传感器的最大工作频率

工作频带是加速度传感器的重要性能指标之一,但六维加速度传感器的最大工作频率目前尚不明确。鉴于此,分别以实心球体质量块型和空心球体质量块型六维加速度传感器为研究对象,构建了系统最大工作频率的数学模型。首先,通过虚拟实验,获得了传感器基频及最大工作频率与质量块直径和支链刚度之间的数据对。接着,分别绘制了基频和最大工作频率的性能图谱,并运用多元线性回归理论拟合了数据对。最后,运用线性包络原理建立了2个频率之间的映射关系。结果表明,最大工作频率始终介于基频的1/35~1/30区间内。

复合梁结构小型六维力传感器的优化设计

文中设计了一种三横梁与三竖梁复合的六维力传感器弹性体结构,使其外径缩小至40 mm,整个传感器装配完成后外径为45 mm。首先基于有限元技术分析了其在各种载荷条件下的应变分布,根据应变分布特性,设计了传感器的惠斯登电桥方案,推导了每个方向的输出电压公式。在此基础上,基于Box-Behnken响应面法开展弹性体结构的优化,以弹性体上应变片贴片位置的平均应变作为优化目标,通过多目标遗传算法得到最优设计参数,F_(x)、F_(y)、F_(z)、M_(x)、M_(y)、M_(z) 6个方向的平均应变分别是优化前的1.5833、1.5632、1.7338、1.5113、1.5109、2.171倍。进行样机制作,完成标定实验,使用最小二乘法求得解耦矩阵,通过解耦矩阵求得传感器的Ι类误差分别为0.18%、0.42%、0.41%、0.05%、0.49%、0.6%,ΙΙ类误差最大值为1.665%,精度高,维间耦合小,验证了该结构的可行性。

六维力传感器动态误差建模与分析

针对线性解耦算法不能有效解决六维传感器动态耦合问题,对六维力传感器动态误差研究进行建模与分析。建立PNN-APSO数学动态解耦模型,通过引入自适应惯性权重来更新粒子速度,进一步增强粒子的整体搜索能力,有效的修正网络连接权值函数等参数,网络被不断优化,有效提高网络的鲁棒性和有效性。结果表明,模型损失值在0.3左右,准确率在0.92~0.98内,该算法可降低传感器实际动态测量环境下的维间耦合误差,满足行业对六维力传感器高精度的检测需求。

电容式六维力与力矩传感器数据采集系统设计

为实现电容式六维力与力矩传感器测量力与力矩信息的实时采集和显示,针对实验室自主研制的电容式六维力与力矩传感器开发了一套数据采集系统。系统以STM32F103C8T6作为主控芯片,电容信号经AD7147采集并转换为数字信号,转换结果经隔离型SPI通讯传输到主控芯片后,主控芯片通过基于Modbus协议的RS485通讯发送给上位机。上位机采用WinForm界面进行设计,能对数据进行进一步标定计算处理,并最终实现所测量力与力矩值的实时显示与保存。经过实验测试,采集系统的测量值和实际加载的力与力矩值的测量误差低于3%。该系统的采样精度高、开发成本低且上位机功能完善,为电容式六维力与力矩传感器的应用研究提供了重要的信息。

六维加速度传感器标定平台的设计与仿真研究

针对现有的多维运动平台无法满足六维加速度传感器标定要求的问题,设计了一种能够输出4种运动模式的六维标定平台。建立了该标定平台的虚拟样机,并通过仿真实验,分析了4种典型构型的六维加速度传感器在不同标定模式下的输入-输出关系。实验结果与传感器系统正向动力学的理论计算值一致,验证了标定平台的有效性,为后续解耦算法的优化奠定了理论基础。运用VB和SolidWorks软件开发了标定平台三维模型的二次开发系统,确保了标定平台能够在4种运动模式之间进行快速切换,并实现自动仿真,提高了模型的开发效率。

用于不平衡冲量测试的一种六维力传感器结构设计

单兵无后坐炮发射时运动十分剧烈、复杂,传统不平衡冲量测试装置不能准确测量各方向力系,从而对测量结果的准确性造成影响,因此,基于十字梁型结构研究了一种可实时监测各方向力系的六维力传感器。利用有限元软件建立初始模型并进行单因素分析,基于响应面法以关键尺寸参数完成响应面试验设计,结合最小二乘法得到响应面模型,采用多目标粒子群算法优化策略进行优化求解,研制原理样机并设计标定系统进行标定。仿真与实验结果表明,优化后力矩通道测量灵敏度最大提升32.24%,力通道测量灵敏度最大提升31.02%,解耦后的维间耦合最大1.01%,标定结果符合测量要求。

基于IFWA-ELM的六维力传感器解耦算法

针对六维力传感器的维间耦合严重影响测量精度的问题,提出了一种基于改进烟花算法优化极限学习机(IFWA-ELM)的解耦算法。首先,对烟花算法的爆炸半径、变异算子和选择策略进行改进,形成改进烟花算法(IFWA)。其次,采用改进烟花算法寻找极限学习机的最佳网络参数,解决极限学习机随机生成初始权值和阈值导致网络不稳定、隐含层神经元数量对网络性能影响较大的问题。为了验证算法的解耦性能,以应用于4500 m深海机械臂的六维力传感器作为研究对象,采用最小二乘法(LS)、BP神经网络(BPNN)、极限学习机(ELM)和IFWA-ELM算法进行解耦实验。实验结果表明:IFWA-ELM算法具有较好的非线性解耦能力,解耦后Ⅰ类误差控制在0.27%以内,Ⅱ类误差控制在0.13%以内,有效提高了六维力传感器的测量精度。

基于六维力传感器的机器人动力学参数辨识

采用基座布置六维力传感器的方式进行机器人动力学参数辨识。以递推牛顿-欧拉方程为基础建立机器人动力学模型,给出六维力传感器输出与机器人关节间动力学关系,分离待辨识动力学参数并确定其最小惯性参数集,最终建立基于基座六维力传感器的机器人辨识模型。为了进一步提高辨识精度,采用两层低通滤波算法推导出加速度替代公式和速度滤波算法,减少加速度和速度噪声的影响。最后,以六自由度协作机器人的前2个关节为对象,设计辨识实验,获得两关节的最小动力学参数集。通过结果逆向验算表明,基座布置六维力传感器方式能以较高的精度辨识出机器人动力学参数。

基于EtherCAT总线的六维力传感器在线解耦技术

为了克服传统六维力传感器数据采集模块体积大、精度低、缺乏数据处理功能的弊端,设计了一种体积小、精度高、实时性高、采集速度快、采集处理一体化的基于EtherCAT总线的六维力传感器数据采集模块.为了减小六维力传感器的维间耦合,开发了遗传算法优化的神经网络来对实验数据进行离线训练.利用多重随机操作来提高算法的泛化性能,并将训练好的参数移植到微控制器中进行在线解耦.通过单维和六维力传感器加载实验,表明模块可在1 ms之内完成数据的采集及处理;解耦后相对误差在0.85%以下,相对于最小二乘法解耦矩阵计算得到的精度提高了37.1%.

基于十字梁结构的六维力/力矩传感器全方位机械过载保护研究

六维力/力矩传感器是空间机械臂智能化的核心关键部件,随航天器发射进入太空的过程中会面临剧烈的振动与冲击。缺乏过载保护的六维力/力矩传感器可能遭到破坏而失去测量能力。针对这一问题,以十字梁结构六维力/力矩传感器为研究对象,对其受力变形特征进行理论和仿真分析,确定了各维力过载保护的原理。进而提出一种勾合式全方位机械过载保护机构,利用间隙限位实现对传感器全方位保护。间隙限位不仅能够保证传感器在过载时不被损坏,而且不会影响其正常的力测量功能。通过理论分析确定了间隙大小;并通过数值仿真验证了该结构的过载保护能力,结果表明该结构可以在不影响六维力/力矩传感器正常测量的情况下,可以分别在F_(x)/F_(y)、F_(z)、M_(x)/M_(y)、M_(z)方向提高20、20、13、20倍的过载能力。

基于UKF的六维力传感器重力补偿算法研究

为解决人机交互中六维力传感器受末端重力影响导致示数不准确的问题,提出一种基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法的六维力传感器误差校正方法。通过对传感器数据进行处理和估计,实现对传感器误差的准确估计和修正,从而将传感器误差降至0~0.227 N之间。实验结果表明:该方法可以显著提高六维力传感器的测量精度,为人机交互中的精准力控制提供了可靠的技术支持。

基于六维力传感器运动意图的识别

为解决上肢康复机器人在运动意图识别中识别信息稳定性低及采集过程复杂等问题,本文提出一种基于六维力传感器识别手部运动行为意图的人机交互系统,其涉及到位移方向及速度的变化。创建一个实时系统,利用六维力传感器获取人机交互力数据,通过二阶低通滤波方法对数据进行分析和处理,推导出运动意图信号,将其用于控制康复机器人的运动,最后建立合力与机器人运动速度之间的数学函数关系,更精细地调控机器人的运动过程。实验结果表明,六维力传感器能够准确识别患者的运动意图,实时接收患者施加力的变化并进行相应运动,达到预期目标。该研究具有一定的实际应用价值。

基于SSA-GB-ELM的并联式六维加速度传感器非线性解耦

六维加速度传感器的高精度测量可有效提高底盘防倾翻控制系统的控制效果,但并联式弹性元件的维间耦合会给传感器带来非线性误差,采用极限学习机算法进行标定解耦可以有效提高传感器的测量精度。但传统极限学习机非线性解耦算法精度较低,使用麻雀搜索算法可以获得极限学习机的最佳初始权值、阈值。同时,将最大类间方差法融入到麻雀算法优化的极限学习机中,可以探索六维加速度传感器固有耦合关系,把传统极限学习机黑箱模型转换为灰箱模型,从而提出一种麻雀搜索优化灰箱极限学习机(sparrow search algorithm-gray box-extreme learning machine, SSA-GB-ELM)的解耦算法。通过实验验证,使用该算法的并联式六维加速度传感器非线性解耦精度显著提高,Ⅰ类误差最大为0.023%,Ⅱ类误差最大为0.046%,解耦时间为1.095 s,可以高效解决六维加速度传感器非线性耦合问题。

空间机械臂用六维力传感器静态标定系统研究

为解决极端温度环境对空间机械臂用六维力传感器测量精度的影响,设计一种新型六维力传感器静态标定系统。系统由标定实验台、数据采集装置和分体式温控装置组成。其中标定实验台包含18路独立标定力通道,通过一次装卡可实现12个方向标定力/力矩的加载。采用研华UNO-3083G作为工控机,通过研华PCI-1742U数据采集卡配以电源转换模块实现六维力传感器输出信号的高速采集。分体式温控装置由温控箱、保温箱和保温送风管组成,可实现不同温度条件下六维力传感器的标定实验校准。在此基础上,研究了标定系统误差来源,计算了系统主要误差值。研究结果表明:相较第Ⅰ类误差,第Ⅱ类误差是影响标定系统精度的主要因素,研制的新型六维力传感器标定系统总体误差小于2.10%,满足使用需求。

面向压电式六维力传感器的动态建模与性能分析方法

针对目前六维力传感器固有频率低、动态范围小的问题,设计了一种自预紧压电式六维力传感器结构,并对其性能进行了分析。建立了传感器动态理论数学模型,绘制了传感器灵敏度、固有频率与传感器结构参数变化相关的四维图谱,基于图谱法得到了传感器灵敏度和动态固有频率随传感器结构参数变化的规律。研制出了基于多组石英晶片的压电式六维力传感器并进行了性能测试,试验结果表明,所设计的六维力传感器固有频率为9.6 KHz,动态测量范围为3.2 KHz,大于弹性体式六维力传感器2 KHz以下的动态范围,验证了所设计六维力传感器具有更高的固有频率,更大的动态范围,可更好地满足高动态范围使用要求。

基于多项式拟合的六维力传感器解耦算法研究

六维力传感器作为重要的空间力感知元件,被广泛应用于机器人的力/位置控制、抓取装配、轮廓检测、自主避障和人机交互等。目前,提高精度是六维力传感器的主要研究方向之一。但由于受到自身结构和加工误差等因素的影响,六维力传感器会产生维间耦合现象,而维间耦合是影响其精度的重要因素。为减少耦合误差的影响,采用误差分析、理论推导及实验验证相结合的方法对六维力传感器的解耦算法进行研究。首先,对六维力传感器进行了耦合分析,得到其耦合模型。然后,对六维力传感器的线性解耦算法进行研究,并在此基础上提出了基于多项式拟合的解耦算法,以在不改变六维力传感器结构的前提下减小耦合误差,从而提高其精度。最后,选用正交并联六维力传感器开展标定实验,并分别采用2种算法进行解耦求解。结果表明,基于多项式拟合的解耦算法能减小维间耦合对六维力传感器精度的影响;所提出的解耦算法有效地提高了六维力传感器的精度,与线性解耦算法相比,最大耦合误差减小了8.914个百分点且线性度误差减小了0.111个百分点。研究结果可为六维力传感器维间耦合误差的减小和精度的提高提供参考。

平板式压电六维力/力矩传感器的研制

针对弹性体式六维力/力矩传感器存在的技术瓶颈,提出了一种新型平板式压电六维力/力矩传感器。首先,介绍了传感器的结构和工作原理,提出了两种石英晶片组布置方案。然后,推导了两种布置方案的传感器的数学模型,并建立了有限元模型,仿真得到了两种结构传感器输出的电荷灵敏度、维间干扰、固有频率等重要参数,确定了石英晶片组相对合理的布置方式。最后,对传感器进行了静态和动态标定。研究结果表明:传感器结构简单合理、仿真分析方法和数学模型正确,固有频率>25 kHz,使用退耦矩阵后传感器的维间干扰<3%,基本满足传感器的设计指标。

六维力传感器的混合神经网络动态补偿研究

针对工业机器人对抛光力实时准确监测的需求,提出一种动态零点标定系统,去除抛光机构在运动过程中对传感器零点的影响,提高力信息采集的准确性。研究机器人的DH参数、关节角的动态变化以及抛光机构的重心与质量参数对力传感器的综合力学作用,提出一种惯性力混合神经网络模型。设计理论标定模型、BP模型进行对比,经动态标定实验验证混合模型的准确性。通过动态补偿,三维力、力矩相对平均偏差(RMD)均在4%之内,证明该混合模型对同时包含线性与非线性变化的动态标定系统具有良好的建模精度。

一种三梁结构六维力传感器设计与研究

设计了一种三梁结构六维力传感器,详述了传感器弹性体在各载荷分量作用下应变梁的应变情况,并通过合理的应变片组桥电路将各载荷分量信号转换成电压信号输出。提出了一种简化计算解耦矩阵的方法,最后通过有限元仿真技术施加10组载荷,求解并验证解耦矩阵,结果表明该六维力传感器设计方案和解耦方法完全可行。