用于空间机械臂的力/力矩传感器关键技术研究
发布时间：2023-04-26 20:32
随着空间站在轨服务、深空探测等空间技术的迅速发展,越来越多的空间任务需要人类参与,空间机械臂的诞生在一定程度上缓解了太空宇航员的任务量。但空间机械臂系统缺乏力/力矩感知能力,其应用范围会受到限制,因此需要在机械臂关节处加装力/力矩传感器,实时获取相关力/力矩信息,帮助机器人系统实现力反馈控制。空间机械臂由航天器搭载从地面发射进入太空的过程中需承受众多恶劣的外部环境,如强振动、高冲击、强辐射和真空高低温等环境,常规的力/力矩传感器不适合在此种环境下应用。针对上述背景,本文开展了力/力矩传感器的振动、过载保护、容错以及温度漂移补偿方法的研究,具体内容如下:(1)针对航天器力学环境下空间机械臂关节力/力矩传感器的振动响应问题,首先分析空间机械臂振动环境的特点,采用动态子结构法,将装有六维力传感器的空间机械臂部分结构作为一个子结构,建立了一个六维力传感器振动力学模型;然后根据实际振动试验参数,通过数值仿真的方法对传感器弹性体进行了模态、随机振动和正弦振动分析,得到了传感器结构的固有特性及在航天器力学环境下的振动响应规律,为传感器的结构优化和过载保护提供了依据;(2)针对航天器力学环境下空间机械...
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 六维力传感器国内外研究现状
1.2.1 国外六维力/力矩传感器研究现状
1.2.2 国外空间机械臂配备的六维力/力矩传感器研究现状
1.2.3 国内六维力/力矩传感器研究现状
1.2.4 国内空间六维力/力矩传感器研究现状
1.3 力/力矩传感器关键技术研究现状
1.3.1 力/力矩传感器结构静力学解析研究现状
1.3.2 力/力矩传感器结构动力学研究现状
1.3.3 力/力矩传感器过载保护研究现状
1.3.4 力/力矩传感器冗余测量研究现状
1.3.5 力/力矩传感器温度补偿研究现状
1.4 主要研究内容
第2章 航天器力学环境下六维力传感器结构动力学研究
2.0 引言
2.1 振动试验分析与传感器结构
2.1.1 振动试验分析
2.1.2 六维力传感器结构
2.2 振动分析理论
2.2.1 随机振动分析理论
2.2.2 正弦振动分析理论
2.3 有限元振动模型及条件
2.3.1 有限元振动模型
2.3.2 随机振动条件
2.3.3 正弦振动条件
2.4 六维力传感器动力学仿真分析
2.4.1 六维力传感器固有特性分析
2.4.2 六维力传感器随机振动分析
2.4.3 六维力传感器正弦振动分析
2.5 小结
第3章 空间机械臂六维力传感器过载保护研究
3.1 引言
3.2 六维力传感器测量原理及过载分析
3.2.1 六维力传感器测量原理
3.2.2 六维力传感器静动态变形分析
3.2.3 过载保护的分类
3.3 机械过载保护机构设计
3.4 过载保护限位间隙分析
3.4.1 Mz方向过载保护限位间隙分析
3.4.2 Fz方向过载保护限位间隙分析
3.4.3 Fx/FY和Mx/MY方向过载保护限位间隙分析
3.5 过载能力验证
3.5.1 确定限位间隙尺寸
3.5.2 仿真验证
3.6 小结
第4章 空间机械臂关节力矩传感器容错研究
4.1 引言
4.2 冗余方法研究
4.3 扭矩传感器结构解析研究
4.3.1 轮辐式扭矩传感器结构
4.3.2 结构解析条件
4.3.3 解析建模
4.3.4 解析仿真
4.3.5 模型验证
4.4 空间机械臂用扭矩传感器优化设计
4.4.1 传感器总体结构设计
4.4.2 确定优化目标
4.4.3 变形约束条件
4.4.4 结构参数设计
4.4.5 有限元仿真
4.5 扭矩传感器电路冗余设计
4.6 标定与数据分析
4.6.1 扭矩传感器标定
4.6.2 数据分析
4.7 小结
第5章 空间机械臂六维力传感器温度漂移特性研究
5.1 引言
5.2 六维力传感器温度漂移特性分析
5.2.1 应变计热输出分析
5.2.2 调理电路温度特性分析
5.3 六维力传感器温度漂移硬件补偿方法研究
5.4 六维力传感器温度漂移软件补偿研究
5.4.1 六维力传感器同一温度下稳定性实验
5.4.2 六维力传感器的温度漂移实验
5.4.3 整体线性温度漂移补偿
5.4.4 基于分段函数的线性温度漂移补偿
5.5 小结
第6章 工作总结与展望
6.1 工作总结
6.2 本文创新点
6.3 展望
参考文献
附录 过载保护仿真数据
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
本文编号：3802153
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 六维力传感器国内外研究现状
1.2.1 国外六维力/力矩传感器研究现状
1.2.2 国外空间机械臂配备的六维力/力矩传感器研究现状
1.2.3 国内六维力/力矩传感器研究现状
1.2.4 国内空间六维力/力矩传感器研究现状
1.3 力/力矩传感器关键技术研究现状
1.3.1 力/力矩传感器结构静力学解析研究现状
1.3.2 力/力矩传感器结构动力学研究现状
1.3.3 力/力矩传感器过载保护研究现状
1.3.4 力/力矩传感器冗余测量研究现状
1.3.5 力/力矩传感器温度补偿研究现状
1.4 主要研究内容
第2章 航天器力学环境下六维力传感器结构动力学研究
2.0 引言
2.1 振动试验分析与传感器结构
2.1.1 振动试验分析
2.1.2 六维力传感器结构
2.2 振动分析理论
2.2.1 随机振动分析理论
2.2.2 正弦振动分析理论
2.3 有限元振动模型及条件
2.3.1 有限元振动模型
2.3.2 随机振动条件
2.3.3 正弦振动条件
2.4 六维力传感器动力学仿真分析
2.4.1 六维力传感器固有特性分析
2.4.2 六维力传感器随机振动分析
2.4.3 六维力传感器正弦振动分析
2.5 小结
第3章 空间机械臂六维力传感器过载保护研究
3.1 引言
3.2 六维力传感器测量原理及过载分析
3.2.1 六维力传感器测量原理
3.2.2 六维力传感器静动态变形分析
3.2.3 过载保护的分类
3.3 机械过载保护机构设计
3.4 过载保护限位间隙分析
3.4.1 Mz方向过载保护限位间隙分析
3.4.2 Fz方向过载保护限位间隙分析
3.4.3 Fx/FY和Mx/MY方向过载保护限位间隙分析
3.5 过载能力验证
3.5.1 确定限位间隙尺寸
3.5.2 仿真验证
3.6 小结
第4章 空间机械臂关节力矩传感器容错研究
4.1 引言
4.2 冗余方法研究
4.3 扭矩传感器结构解析研究
4.3.1 轮辐式扭矩传感器结构
4.3.2 结构解析条件
4.3.3 解析建模
4.3.4 解析仿真
4.3.5 模型验证
4.4 空间机械臂用扭矩传感器优化设计
4.4.1 传感器总体结构设计
4.4.2 确定优化目标
4.4.3 变形约束条件
4.4.4 结构参数设计
4.4.5 有限元仿真
4.5 扭矩传感器电路冗余设计
4.6 标定与数据分析
4.6.1 扭矩传感器标定
4.6.2 数据分析
4.7 小结
第5章 空间机械臂六维力传感器温度漂移特性研究
5.1 引言
5.2 六维力传感器温度漂移特性分析
5.2.1 应变计热输出分析
5.2.2 调理电路温度特性分析
5.3 六维力传感器温度漂移硬件补偿方法研究
5.4 六维力传感器温度漂移软件补偿研究
5.4.1 六维力传感器同一温度下稳定性实验
5.4.2 六维力传感器的温度漂移实验
5.4.3 整体线性温度漂移补偿
5.4.4 基于分段函数的线性温度漂移补偿
5.5 小结
第6章 工作总结与展望
6.1 工作总结
6.2 本文创新点
6.3 展望
参考文献
附录 过载保护仿真数据
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
本文编号：3802153
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3802153.html
