基于单叶双曲面的标准Stewart并联结构六维力传感器各向同性优化设计

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaDec．252011Vot．32No．122327．2334ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)12-2327-08基于单叶双曲面的标准Stewart并联结构六维力传感器各向同性优化设计佟志忠1’*，姜洪洲1，何景峰1，段广仁21．哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨1500012．哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨150001摘要：基于Stewart并联结构六维力／2矩传感器在

2、空间六维力的准确检测上具有广泛前景。设计低耦合、高精度、易于标定和使用的六维力／2矩传感器是其结构设计的关键问题。传统Stewart并联结构几何参数描述为6个相互耦合的变量，不利于实现设计参数与设计指标的解耦，而且非正交条件下的各向同性使得六维力／2矩传感器仍存在耦合，为此提H{基于单叶双曲面定义并构造Stewart并联结构，将最小结构参数描述集元素数量减至3个，利用解析的静态数学模型推导满足传感器正向和逆向的力／2矩各向同性的条件，以得到二者相互制约的关系，给出解耦中心数学表达式。通过综合各个性能指标，提出了优化设计方法。给出了构造一类各向同性的Stewart并联结构六维力／2矩传感器的

3、新方法，为该类传感器设计提供了新路线。关键词：Stewart并联结构；各向同性；传感器；优化设计；单叶双曲面中图分类号：TP242；TM930．2文献标识码：A六维力传感器能够测量空间任意力系(3个正交力和3个正交力矩)，在空间机器人、空间站对接仿真[1]、火箭发动机推力测试[2]和精密装配等领域极其重要。空间六维力的准确检测是实现精确运动与控制的关键技术。国内外很多学者提出在六维力传感器力敏元件结构设计中引入并联结构，如Kerr【引、Nguyen[4

4、、Ferraresi／5

5、、Dwarakamth[63和KangE71等，他们设计了基于Stewart并联结构的传感器结构或样机，研究了如

6、何提高传感器灵敏度等问题。高峰等[81提出了采用弹性铰链的Stewart并联结构六维力传感器，解决了微型制造问题；赵永生等凹1提出了一种整体预紧式Stewart并联结构六维力传感器。结构优化设计是六维力传感器设计中的关键，其各向同性指标直接影响到测量精度[1州，其研究是国内外的热点。Uchiyama等【11]基于Jacobian阵条件数提出了六维力传感器的各向同性指标，研究了对称设计优化问题。文献[-12]～文献F14]基于空间模型理论绘制了力和力矩各向同性性能的性能图谱，分析了各向同性与结构参数间的数值关系，使得该类传感器的性能指标得到完善。目前力各向同性的分析多采用数值方法，但数值方法

7、不能精确描述各向同性性能指标与结构参收稿日期：2011．04．05；退修日期：2011．05．23；录用日期：2011—07—08；网络出版时间：20”一07—2616：49网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20110726．1649．002．htrnlDOI：CNKI：11—1929／V．20110726．1649．002基金项目：国家自然科学基金(50975055)*通讯作者．Tel．：0451·86413253E-mail：tongzhizhong@yahoo．com．cn引用摇武I佟志惠．姜洪溯．何最峰．等．基f单叶双酋面的标准St

8、ewart并联结构六雏力传感嚣各向同性优化设计￡JIi航空学摄。201

9、．32r12)j2327-2334．TongZhizhong，JiangHongzhou·HeJingfeng·eta1．Optimaldesignofisotropyperformanceofsix-dimen—sionalforcesensorbasedonstandardStewartparallelstructurelyingonacircularhyperboloidofonesheet[jj，ActaAeronauticaetAstronauticaSinica。20¨。32(12)：2327—2334．航

10、空学报Dec．252011VoI．32No．12数问的关系，为此很多学者对解析方法进行了研究。文献[15]对传感器Jaeobian阵进行了解析推导，采用矩阵普范数形式构造了各向同性的解析形式。文献[16]基于符号运算工具推导了静力各向同性的代数表达式。文献[17]、文献[181提出了传感器各向同性的数学解析表达式，揭示了各向同性指标与结构参数之间的关系，但假定Stewart结构六维力传感器的测量中心位于Stewart上平