一种新型六维腕力传感器设计的研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文摘要本论文提出了一种新型的并联六维腕力传感器，它能很好的解决传统力传感器中存在的刚度和灵敏度之间相互矛盾的问题。该传感器采用并联结构形式，通过在六根弹性连杆上安装附加弹性元件的方法，来达到放大弹性连杆的应变的目的。在附加弹性元件的变形筋上贴应变片，从而通过测量附加弹性元件变形筋上的受力来达到测量弹性连杆上的力的目的，这样可以大幅度提高检测的灵敏度。而不必为提高灵敏度在弹性连杆上串联变形环节，所以保证了该传感器有很大的刚度。本文首先对并联力传感器的力变换原理进行了分析，为并联力传感器的设计提供基本的理论依据。然后利用并联传感器的

2、空间力传递关系，直接推导出感测力的六维雅可比矩阵，并将六维力雅可比矩阵用具体的结构参数解析表达。利用ADAMS仿真，验证了理论分析的正确性。依据力雅可比矩阵条件数最小原则，推导出雅可比矩阵条件数与传感器结构参数的解析关系。并依此设计出传感器的基本结构。对附加弹性元件的应变放大原理进行了分析，推导出了应变放大倍数与附加弹性元件的结构参数的解析关系，找出了影响附加弹性元件应变放大倍数的因素，为对附加弹性元件进行结构设计和优化提供了理论依据。以附加弹性元件的应变放大理论为依据，利用有限元法对附加弹性元件进行了有限元分析，在此基础上，进一步对附加弹性元件的结构进

3、行了优化，得到了附加弹性元件的优化结构。利用机械系统动力学仿真软件ADAMS对传感器进行了结构瞬态动力学分析，通过动态响应曲线得到了传感器的基本动态性能参数。对传感器系统进行了设计，设计出了适用的电桥电路，对测量系统的总体进行了设计，并且对传感器的数据采集的软件编程理论进行了研究。关键词：腕力传感器，ADAMS，有限元，附加弹性元件，力雅可比矩阵，动态性能i一种新型六维腕力传感器的设计研究ABSTRACTAnewparallelsix-axiswristforcesensorisproposedinthisdissertation,itcansolvet

4、heproblemwhichthecontraventionbetweentherigidityandsensitivityamongthetraditionalforcesensor.Itusesparallelformandachievesthegoalofmagnifyingthestrainoftheelasticconnectingrodthroughfixingadditionalelasticcomponentsonthesixelasticconnectingrods.GluingStraingaugesonthedistortionun

5、itsoftheadditionalelasticcomponents,wecanobtaintheforceontherodsthroughmeasuringthestrainofthedistortionunits,itcanlargelyenhancetheexaminationsensitivity.Thatcanguaranteethesensorhasverygreatrigiditybecauseitneednotfixdistortionunitsinseriesontheelasticrodsinordertoenhancethesen

6、sitivityofthesensor.Thetheoryofforceexchangeoftheparallelforcesensorisanalyzedinthedissertationinfirst,itprovidesthebasictheorybasisfordesigningtheparallelforcesensor.ThendirectlyinferssixdimensionsforceJacobianmatrixthroughusingthespatialforcetransferrelationsoftheparallelsensor

7、andobtainsconcretestructureparameterexpressionoftheJacobianmatrix.IthasconfirmedthetheoreticalanalysisiscorrectthroughtheADAMSsimulation.TheanalyticrelationshipbetweenJacobianmatrixconditionnumberandthestructureparametersofthesensorhasbeeneducedbytheleastprincipleofJacobianmatrix

8、conditionnumber,thendesignsthebasicstruc