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。

半导体应变片式高灵敏度力矩传感器静态标定

半导体应变片式力矩传感器广泛应用于智能机器人、航空、机械装配与制造等多个领域。对实验室自主研制的半导体应变片式力矩传感器进行静态标定实验,在刚度分析的基础上确定了传感器静态性能参数指标,验证了高灵敏度力矩传感器结构设计的合理性与使用的可靠性。

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。

六维微型力/力矩传感器静态标定平台的设计

在使用腔镜手术机器人手术过程中,在手术器械钳端及腕部之间放置六维微型力/力矩传感器能够将手术器械与组织间的交互作用力反馈给医生,但目前缺少针对六维微型力/力矩传感器的静态标定平台。为满足六维微型力/力矩传感器的静态标定要求,设计了一种基于砝码施力的六维微型力/力矩传感器静态标定平台并制作原理样机。给出了结构设计、规划了6个方向上的加载方式并分析了一类误差和二类误差,分析结果表明:六维微型力/力矩静态标定平台能够分别对传感器6个方向稳定施加最大10 N及150 N·mm的力/力矩,Ⅰ类误差不大于1.307%、Ⅱ类误差不大于1.85%,满足六维微型力/力矩传感器静态标定的要求。

四足机器人电容型力矩传感器设计与分析

力矩传感器被用来感知外界环境和机器人系统之间交互力的大小,精确测量力、力矩大小可提高机器人系统控制的精准度。由于受机器人大小尺寸、机身重量、经济成本等方面的约束,传统的力矩传感器不适用于机器人系统。文章设计一种新型的机器人系统用测量关节力矩的电容型力矩传感器,通过研究电容感应机理与传感器结构设计,多方向微量形变分析与多维信号解耦方法等内容,实现对机器人关节力矩传感器的设计,并通过有限元仿真验证该方案的可行性。

具有力矩传感器的柔性关节的振动抑制

针对具有谐波减速器的柔性关节机器人容易产生振动的问题,设计了一种轮辐式力矩传感器.该力矩传感器安装于谐波减速器输出端和机器人臂杆之间,用于反馈机械臂反作用于关节的扭转力矩,从而能够直接获得关节的振动状态信息.基于该力矩传感器信息和计算的关节名义输出力矩,提出了一种新的振动抑制方法,在传统力矩负反馈PD控制器基础上通过增加名义输出力矩前馈补偿,实现了振动的快速抑制.建立了单关节控制实验平台,并进行了梯形轨迹跟踪振动抑制实验.实验结果表明:本文所提出的控制器不但能够快速抑制关节振动,而且不影响轨迹跟踪精度,从而解决了传统力矩负反馈PD控制器不能同时兼顾振动抑制效果和轨迹跟踪精度的问题.

基于六维力/力矩传感器的拟人机器人实际ZMP检测

ZMP(Zero Moment Point)作为双足步行机器人动态稳定行走的判据 ,已应用于世界上很多著名的步行机器人系统 .目前国外步行机器人大多采用力 /力矩传感器进行 ZMP的实际检测计算 ,但采用六维力 /力矩传感器的却不多 ,而且其安装位置也各不相同 .国内机器人还都处于离线步态规划阶段 ,只进行了理论 ZMP的计算 ,并没有进行实时检测 .本文根据清华大学 985重点项目“拟人机器人技术及其系统研究”的研究要求 ,确定了基于六维力 /力矩传感系统的实际 ZMP检测方案 ,确定了传感器安装的最佳位置 ,推导了单脚支撑期 ,双脚支撑期的实际 ZMP计算公式 ,提出了基于 ZMP理论的姿态调整方法 ,以期在实际应用中进行在线步态规划 .

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/力矩传感器静态解耦算法的研究与应用

维间耦合是影响多维力/力矩传感器测量精度的一个主要因素。介绍了六维力/力矩传感器维间耦合的基本原理,在研究基于求解矩阵广义逆的静态解耦算法的基础上,提出了基于耦合误差建模的静态解耦算法。以实验室研制的六维力/力矩传感器为例进行标定实验,用两种解耦算法对其进行解耦计算。实验结果证明基于耦合误差建模的静态解耦算法的有效性。

基于Stewart平台的六维力/力矩传感器各向同性的解析研究

对基于 Stewart平台的六维力 /力矩传感器的雅可比矩阵进行了解析推导 ,用解析的方式求出它的奇异值。并对基于矩阵谱范数的条件数进行了研究 ,得到传感器的各向同性与其结构尺寸间的解析关系 。

多维力/力矩传感器静态解耦的研究

多维力 /力矩传感器的静态耦合是影响其测量精度的主要因素之一。在研究基于最小二乘理论的多维力传感器静态线性解耦方法的同时 ,提出了一种基于 BP神经网络的静态非线性解耦方法。以 HIT灵巧手的微型五维指尖力 /力矩传感器为对象进行了实验 ,结果表明 。

面向应用需求的力/力矩传感器技术发展动向

本文论述了面向应用需求的力/力矩传感器发展现状和趋势,从机器人学、特种机器人及机器人化机器几个方面讨论了力传感器研究的现状和应用需求,并指出力传感技术发展的总趋势为利用新材料、新工艺实现微型化、集成化,利用新原理、新方法实现更多种类的信息获取,再辅以先进的信息处理技术提高传感器的各项技术指标,以适应更广泛的应用需求。

预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器

针对六维力/力矩传感器测量量程受限问题,提出一种具有分载测量功能的预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器。首先,对比传统Stewart结构力/力矩传感器,阐述了预紧式六维力/力矩传感器的结构特点和测量原理。然后,完成了预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的结构设计。建立了传感器的有限元模型,对模型进行了模态分析,得到了传感器的前五阶固有频率和振型,并确定了传感器的工作带宽为0～204Hz。最后,研究了传感器的静态标定原理,并对传感器进行了静态标定实验,得到了传感器的标定实验解耦矩阵。实验结果表明,该预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的测力量程为0～3 000N,测力矩量程达0～300N.m,测量精度优于实际值的7.5%。传感器能够满足空间六维力/力矩的测量,具有量程大、解耦计算简单、安装调试方便等优点。

一种Stewart结构六维力／力矩传感器参数辨识研究

介绍了一种大量程Stewart结构六维力/力矩传感器系统.建立了传感器力/力矩测量数学模型,构建了基于运动学逆解的优化目标函数.提出了一种新的参数标定法,称作分支轮换标定法.基于所研发的六维力/力矩传感器系统进行了实验研究,实验结果表明分支轮换法可以有效地辨识出传感器的结构参数,提高了测量精度.该方法可用于类似结构的六维力/力矩传感器参数标定.

集成式五维微力/力矩传感器的研究

五维微力 /力矩传感器应用于微装配机器人操作末端的微力觉感知 ,能够同时测量三个方向的微力Fx、Fy、Fz 和两个方向的微力矩Mx 和My;测力量程± 1N ,测力矩量程± 0 .0 5N·m ;放大电路集成在传感器的本体中。应用力学理论对本体进行理论分析 ,推导出计算公式 ,求出本体的应变 ;并采用有限元分析软件进行仿真 ,分析应变 。

基于结构解耦的新型电容式力矩传感器设计

为解决力矩传感器中由于倾覆力矩、轴向力和径向力等所造成的力耦合效应和测量误差问题,基于结构解耦原理设计了一种新型电容式力矩传感器。该新型电容式力矩传感器利用内置十字交叉滚子轴承实现结构解耦,从而消除力耦合效应对测量准确性的影响。测量部分采用垂直极板电容效应原理,并以双差动的测量方式提高传感器的灵敏度和稳定性。以商用转矩转速传感器作为标准力矩仪对此新型电容式力矩传感器进行标定,并进行解耦验证实验。标定和实验结果表明,该新型电容式力矩传感器的线性度为1.04%、分辨率0.05 N·m、最大测量误差约为2.07%,所设计的传感器能够有效降低力耦合效应的影响,具备结构解耦、高灵敏度和高准确性等特点。

微型五维指尖力/力矩传感器的研究

本文介绍了一种新型用于多指灵巧手的微型五维指尖力/力矩传感器。该传感器采用了高度集成式弹性体结构;应用最小二乘理论实现了传感器的静态标定。微型指尖力/力矩传感器的成功研制为具有感知功能的机器人灵巧手的研究奠定了基础。

新型机器人6维力/力矩传感器结构的刚度性能指标分析

提出一种新颖的 6维力 /力矩传感器并联结构 ,应用并联机器人机构学理论求出其刚度矩阵 ,定义其刚度性能指标 ,并对其刚度性能指标进行分析计算 ,为该传感器的设计与应用提供理论依据。分析计算结果表明 ,该并联结构的 6维力 /力矩传感器是位移刚度和扭转刚度各项同性的 ,可应用到机器人手腕、手指和其它使用多维力 /力矩传感器的场合。

面向机器人的多维力/力矩传感器综述

多维力/力矩传感器能同时检测两个和以上方向的力/力矩分量信息,且在机器人、航空航天、生物医学等众多领域发挥着重要作用。针对多维力/力矩传感器的研究现状,对国内外多维力/力矩传感器这一领域的研究成果进行了较为系统的介绍,对各类典型的多维力/力矩传感器的优缺点进行了分析,并对这一技术的发展进行了总结。

过约束平面并联三维力/力矩传感器的研制

针对轴承的故障早期诊断和在线实时监测,提出了一种新型过约束平面并联三维力/力矩传感器。通过采用分支轴线均不过传感器中心的6条对称分布的测力分支,该传感器可同时测量轴承径向载荷和轴向力矩。根据静力学平衡方程,求解了其测量数学模型;基于传感器测量模型与性能指标分析了传感器性能,进而对其各结构参数进行优化设计。研制了传感器样机及其加载标定实验系统,开展了加载标定实验,得到了该传感器的测量精度。标定实验结果显示:传感器径向力测量精度为2.56%,力矩测量精度为0.92%,Ⅰ类误差为2.56%,最大Ⅱ类误差为2.29%。文中所做工作,为将该新型过约束平面并联三维力/力矩传感器应用于在线实时测量轴承径向载荷和轴向摩擦力矩奠定了基础。