两种新型应变式多维力传感器的设计与研究
发布时间：2023-12-10 12:58
多维力传感器可以检测三维空间多个方向的力和力矩信息,应用于多个领域。多维力传感器按测量原理主要分为应变式、压电式、电容式、光电式以及压阻式等。应变式多维力传感器既可测静态力也可测动态力,具有测量范围大、适用环境广、使用寿命长、价格低等优点。本文将对高精度、高速机器人用六维腕力传感器和深海三维流速传感器进行设计研究,并主要对这两种传感器的弹性体进行设计。针对高速、高精度机器人用腕力传感器,为满足高灵敏度、动态性能好以及无耦合输出的要求,本文设计了一种新型六维腕力传感器弹性体。在典型的带浮动梁的十字梁型六维腕力传感器弹性体的结构基础上进行了设计,其设计思路为:将浮动梁改为H梁,增加传感器的刚度,提高了动态性能;在主梁上打孔,提高传感器测量的灵敏度;主梁靠近中心台的部分加工为平行梁,提高传感器灵敏度;在梁上应变最大的位置粘贴应变片,设计全桥电路的连接方式,使其能够实现理论上的解耦。举例说明新型传感器在静态和动态性能上均优于原六维腕力传感器。提出了应变式六维腕力传感器的弹性变形对机器人定位误差有影响,基于机器人微分运动学,建立机器人位姿误差模型,并提出了实时补偿方法;基于有限元仿真及空间几何知...
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 多维力/力矩传感器的分类
1.2.1 应变式多维力/力矩传感器
1.2.2 压电式多维力/力矩传感器
1.2.3 电容式多维力/力矩传感器
1.2.4 光电式多维力/力矩传感器
1.2.5 压阻式多维力/力矩传感器
1.3 应变式多维力/力矩传感器的设计
1.4 高速作业机器人用六维腕力/力矩传感器
1.4.1 研究背景及意义
1.4.2 十字梁式六维腕力/力矩传感器发展综述
1.5 可测上升流的三维流速传感器
1.5.1 研究背景及意义
1.5.2 海流计发展综述
1.6 课题来源及主要研究内容
第二章 高速作业机器人用腕力传感器的结构设计
2.1 概述
2.2 新型六维腕力传感器的设计思路
2.2.1 带浮动梁腕力传感器
2.2.2 新型六维腕力传感器的设计思路
2.3 力学分析
2.3.1 H梁与浮动梁的对比
2.3.2 单梁与平行梁的对比
2.4 新型六维腕力传感器的设计
2.5 应变片位置及桥路连接
2.5.1 新型传感器的有限元仿真
2.5.2 贴片位置及桥路连接
2.6 算例
2.7 本章小结
第三章 基于应变式六维力传感器的机器人运动误差研究
3.1 概述
3.2 机器人运动学基础
3.2.1 机器人的微分运动
3.2.2 雅克比矩阵
3.3 机器人位姿误差模型
3.4 末端位姿误差模型验证
3.4.1 误差模型的验证理论
3.4.2 算例验证
3.5 误差源分析
3.5.1 位置误差分析
3.5.2 举例说明
3.6 末端位姿误差在线补偿
3.6.1 误差在线补偿方法
3.6.2 在线误差补偿算例
3.8 本章小结
第四章 六维腕力传感器的优化设计
4.1 概述
4.2 六维力传感器性能评价标准
4.3 结构优化
4.3.1 H梁的孔型选择
4.3.2 径向梁竖孔的孔型选择
4.3.3 平行梁的孔型选择
4.4 尺寸优化
4.4.1 单因素分析
4.4.2 优化分析
4.5 实验
4.5.1 实验结构模型的参数设置
4.5.2 实验方法
4.5.3 实验结果分析
4.6 本章小结
第五章 三维流速传感器的测量原理
5.1 概述
5.2 三维流速传感器
5.2.1 水平流速测量装置
5.2.2 垂直流速测量装置
5.3 水平流速测量原理
5.3.1 圆球绕流理论
5.3.2 圆球绕流仿真计算
5.4 垂直流速测量原理
5.4.1 圆盘绕流升力理论
5.4.2 平板绕流仿真
5.4.3 圆盘绕流仿真
5.5 三维流速传感器整体装置的流体仿真
5.6 本章小结
第六章 三维流速传感器的设计与优化
6.1 概述
6.2 水平测量装置力学分析
6.2.1 建立模型
6.2.2 水平测量装置的应变计算
6.2.3 模型的有限元仿真分析
6.3 实验
6.3.1 应变片贴放及电路连接
6.3.2 实验结果分析
6.4 十字梁的优化、强度验证、频率特性研究及维间耦合分析
6.4.1 十字梁的优化
6.4.2 强度校验
6.4.3 频率特性
6.4.4 维间耦合分析
6.5 放大机构原理
6.5.1 放大机构基本原理
6.5.2 放大机构的力传递的探索
6.5.3 放大机构的仿真算例
6.6 本章小结
第七章 应变式传感器结构设计总结
7.1 概述
7.2 应变式传感器弹性体性能
7.3 传感器结构设计总结
7.3.1 根据应用环境,调整弹性体尺寸满足性能要求
7.3.2 调整弹性体结构,增大有效作用力
7.3.3 采用合适的结构,对微小力放大后再测量
7.3.4 使应力集中于测量点,即弹性体变形集中在测量点
7.3.5 合理的质量分布,提高固有频率
7.4 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 论文主要工作与创新点
8.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间的学术活动及成果情况
本文编号：3872459
【文章页数】：165 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 多维力/力矩传感器的分类
1.2.1 应变式多维力/力矩传感器
1.2.2 压电式多维力/力矩传感器
1.2.3 电容式多维力/力矩传感器
1.2.4 光电式多维力/力矩传感器
1.2.5 压阻式多维力/力矩传感器
1.3 应变式多维力/力矩传感器的设计
1.4 高速作业机器人用六维腕力/力矩传感器
1.4.1 研究背景及意义
1.4.2 十字梁式六维腕力/力矩传感器发展综述
1.5 可测上升流的三维流速传感器
1.5.1 研究背景及意义
1.5.2 海流计发展综述
1.6 课题来源及主要研究内容
第二章 高速作业机器人用腕力传感器的结构设计
2.1 概述
2.2 新型六维腕力传感器的设计思路
2.2.1 带浮动梁腕力传感器
2.2.2 新型六维腕力传感器的设计思路
2.3 力学分析
2.3.1 H梁与浮动梁的对比
2.3.2 单梁与平行梁的对比
2.4 新型六维腕力传感器的设计
2.5 应变片位置及桥路连接
2.5.1 新型传感器的有限元仿真
2.5.2 贴片位置及桥路连接
2.6 算例
2.7 本章小结
第三章 基于应变式六维力传感器的机器人运动误差研究
3.1 概述
3.2 机器人运动学基础
3.2.1 机器人的微分运动
3.2.2 雅克比矩阵
3.3 机器人位姿误差模型
3.4 末端位姿误差模型验证
3.4.1 误差模型的验证理论
3.4.2 算例验证
3.5 误差源分析
3.5.1 位置误差分析
3.5.2 举例说明
3.6 末端位姿误差在线补偿
3.6.1 误差在线补偿方法
3.6.2 在线误差补偿算例
3.8 本章小结
第四章 六维腕力传感器的优化设计
4.1 概述
4.2 六维力传感器性能评价标准
4.3 结构优化
4.3.1 H梁的孔型选择
4.3.2 径向梁竖孔的孔型选择
4.3.3 平行梁的孔型选择
4.4 尺寸优化
4.4.1 单因素分析
4.4.2 优化分析
4.5 实验
4.5.1 实验结构模型的参数设置
4.5.2 实验方法
4.5.3 实验结果分析
4.6 本章小结
第五章 三维流速传感器的测量原理
5.1 概述
5.2 三维流速传感器
5.2.1 水平流速测量装置
5.2.2 垂直流速测量装置
5.3 水平流速测量原理
5.3.1 圆球绕流理论
5.3.2 圆球绕流仿真计算
5.4 垂直流速测量原理
5.4.1 圆盘绕流升力理论
5.4.2 平板绕流仿真
5.4.3 圆盘绕流仿真
5.5 三维流速传感器整体装置的流体仿真
5.6 本章小结
第六章 三维流速传感器的设计与优化
6.1 概述
6.2 水平测量装置力学分析
6.2.1 建立模型
6.2.2 水平测量装置的应变计算
6.2.3 模型的有限元仿真分析
6.3 实验
6.3.1 应变片贴放及电路连接
6.3.2 实验结果分析
6.4 十字梁的优化、强度验证、频率特性研究及维间耦合分析
6.4.1 十字梁的优化
6.4.2 强度校验
6.4.3 频率特性
6.4.4 维间耦合分析
6.5 放大机构原理
6.5.1 放大机构基本原理
6.5.2 放大机构的力传递的探索
6.5.3 放大机构的仿真算例
6.6 本章小结
第七章 应变式传感器结构设计总结
7.1 概述
7.2 应变式传感器弹性体性能
7.3 传感器结构设计总结
7.3.1 根据应用环境,调整弹性体尺寸满足性能要求
7.3.2 调整弹性体结构,增大有效作用力
7.3.3 采用合适的结构,对微小力放大后再测量
7.3.4 使应力集中于测量点,即弹性体变形集中在测量点
7.3.5 合理的质量分布,提高固有频率
7.4 本章小结
第八章 总结与展望
8.1 论文主要工作与创新点
8.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间的学术活动及成果情况
本文编号：3872459
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3872459.html