容错并联六维力传感器外文翻译资料

 2022-05-06 21:03:27

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容错并联六维力传感器

摘要

在航空航天，国防，深海勘探等恶劣环境下的一些关键力测量任务中，要求具有较高的可靠性。并行六维力传感器的设计提出了容错的设计思想。提出了两种不带预应力平台的容错并联结构力传感器和两种采用改进球面对的容错和全预应力平行结构力传感器以及另外三种轮辐式容错力传感器。与传统的基于Stewart平台的传感器相比，分析了传感器的结构特点。本文提出了完整的数学模型，包括利用螺旋理论建立的模型前后信号模型，以及刚度与力分布的关系。本文提出了具有不同结构的容错六维力传感器的全局数学模型。对没有故障和信号故障的传感器原型进行校准研究并分析非线性误差。本文的研究不仅为高可靠六维力传感器的研究提供了理论依据和实践意义，而且为冗余并联机构提供了一种新的应用取向。

关键词 容错 并联 结构 全预应力 六维力传感器

一、介绍

六维力传感器是一种最重要的传感器，因为它可以测量空间中的六维力和力矩信息。在研究工作和实际生产中都非常需要六维力传感器。例如，我们可以应用六维力传感器来完成机器人装配[1，2]，以测量机器人抓爪或脚[3，4]上的力和力矩，以测试道路车辆悬架系统的振动性能[5] ，测量实验室混合火箭的推力[6]等等。它的应用涵盖国防科技，民用工业和其他不同领域的机械，汽车制造，航空，智能机器人等领域。

平行结构具有刚度好，结构对称和紧凑以及在平台上施加的扳手和测得的腿力之间的直接映射表达的显著优点。这些优点使其特别适用于六维力传感器中的某些应用[7]。 Gaillet和Reboulet [8]提出了一种基于Stewart平台八面体结构的均衡六维力/力矩传感器。 Kerr [9]认为具有弹性支腿的Stewart平台可以用作六分量力传感器。 Dwarakanath等人。文献[10]报道了Stewart平台传感器中使用环形传感元件，并提出了一种简单支持的“无关节”六分量并联机构的力/扭矩传感器。高等人。 [11]基于Stewart平台的力传感器开发了一种六分量控制器，并且引入了弹性接头来代替真正的球形接头，从而使小型化成为可能。

Nguyen等人文献[12]提出了一种基于Stewart平台的传感器，该传感器具有沿着腿部安装的LVDT（线性电压不同的变换器），用于测量力/扭矩并在部件装配期间提供被动顺应性。 Jinetal文献[13]提出了一种基于Stewart平台变化的特定平行机器人六维力/力矩传感器，其三对弹性腿垂直于基本立方体的三个正交表面。 Bandyopadhyay和Ghosal [14]提出了一种形成各向异性空间操纵器的方法，并将其应用于一类Stewart平台操纵器。对改进的Stewart平台式力传感器进行了研究，并在[15]中讨论了传感器的性能分析和综合指标优化。姚等人[16]使用分析方法研究了基于Stewart平台的力传感器的各向同性配置。

目前对六维力传感器的研究主要集中在传感器弹性结构的创新设计和测量特性改进方面。但近年来对高可靠性、容错性六维力传感器的需求量很大，在航空航天，国防，核工业，深海勘探等领域具有很大的应用价值和实用意义。然而，对于具有容错性能的六分量力传感器的研究还很少。但随着复杂环境下机器人数量的增加，对容错并联机构进行了大量的研究。 Li等人[17]研究冗余机器人多关节故障的运动学容错性能及其优化。并行机器人的故障是分开的，并且在[18]中提出了一种冗余驱动的并联机器人的容错分析。 Roberts和Maciejewski [19]提出了相对可操作性指数来评估遭受连锁故障的机械手的灵活性。 Pennock等人[20]在锁定失效接头后讨论了冗余串行机器人的容错空间。文献[21]给出了两种冗余操纵器协调操作的最优初始姿态容错规划算法。姚等人。文献[22]提出了一种基于改进的Stewart平台结构的静态不确定六维力传感器的理论分析和实验研究。进行容错校准实验研究，实验结果证明了理论分析的正确性。

根据调查分析，容错并联机构的研究成为热点，主要集中在理论和仿真方面，但系统的实验研究较少。此外，基于容错概念的平行六维力传感器设计的报告很少。因此，对设计理论和实验的研究将为六维力传感器的研究和容错并联机构的应用提供重要的补充和启动一个新的方向。

二、传感器结构和测量原理

传统的基于Stewart平台的力传感器由一个上部平台，一个下部固定平台和六个弹性腿构成，这两个平台通过传统球形接头连接两个平台。从理论上讲，斯图尔特平台式力/力矩传感器的每个弹性测量腿仅仅承受沿其轴线的拉伸应变或压缩应变，而忽略腿部重力和球形对中的摩擦力矩，这导致测量六维力/ 扭矩无应力耦合此外，保持测量结构的几何特性的约束腿的最小数量是六个，并且六腿传感器是静态确定的。因此，任何支路中的信号故障都将导致测量不可用。即，六腿传统斯图尔特结构六维力传感器不具有容错性。

下面提出三种容错并联六维力传感器。第一种是无预应力平台的容错上下双层力传感器，第二种是容错式全预应力上下双层力传感器，最后一种是单层环形结构。

2.1容错上下双层力传感器

基于传统的基于Stewart平台的传感器的特点，可以通过添加一个额外的传统的基于Stewart平台的传感器来获得具有七条或八条支腿的并行六维力传感器，如图1和图2所示。它与传统Stewart平台传感器的结构相似，它具有七条或八条支腿的容错上下双层力传感器由一个测力平台，一个固定底座和七个支腿组成或八个测量腿。测量肢体通过球形关节连接到平台。通过一维力传感器将应变片粘贴在每个肢体中间的应变片来实现力测量。测量原理与传统Stewart平台传感器相似，即外部六维力可以通过测量每个肢体的反作用力以及反作用力与外力的映射关系。而且，通过添加多个冗余测量支腿，结构变得静止不确定。即使某些测量腿出现故障，应用的六轴力也可以通过其他可用的腿来测量。即，测量结构是容错的。在所有容错结构中，七肢结构最简单，八肢结构具有较高的可靠性和两个冗余度。

图1 七脚容错上下双层力传感器（1）测力台; （2）和（4）弹性球形接头; （3）一维力传感器; （5）固定基地

图2 八脚容错上下双层力传感器（1）测力台; （2）和（4）弹性球形接头; （3）一维力传感器; （5）固定基地

2.2容错全预应力上下双层力传感器

图3示出了具有七条腿的上下双层结构中的容错和完全预应力平行结构传感器。它主要由力测量平台，固定平台，预应力平台和七个测量支腿分为两组，分布在测力平台的两侧。

每个测量腿包含一个单轴力传感器，并使用具有单侧约束的锥形球面对与两个平台连接。由于应用了单边约束，需要施加预应力，以确保所有测量腿在受到预期的外部负载范围时始终处于压缩状态。

图3七条支腿的容错式完全预应力上下双层力传感器（1）测力平台; （2）预应力平台; （3）测量腿部; （4）球座; （5）预紧螺栓和螺母; （6）固定基地

图4说明了具有八条腿的容错式完全预应力和上下双层平行结构传感器。前两种传感器结构由力测量平台，预应力平台和固定基础以及六个以上的测量分支组成，并分布在测力平台两侧;通过预应力螺栓和螺母将两组测量杆预紧并接近预应力平台，测力平台和固定基座。这种设计相对于基于具有静态确定结构和传统球形对的Stewart平台的当前设计具有几个优点。首先，通过增加多个冗余测量支腿，可以使测量结构具有容错性。另外，通过改变球面对单边约束的应用，可以大大减少接头摩擦力矩的影响。如果足够的预应力作用在传感器上，则每条腿将在传感器的测量范围内保持压缩力。因此，由非线性和机械滞后引起的误差将大大降低。此外，由于传感器由分离元件组装，所以实现从微传感器到大型测量仪器的系列产品是方便的。

图4八脚容错式全预应力上下双层力传感器（1）测力平台; （2）预应力平台; （3）测量腿部; （4）球座; （5）预紧螺栓和螺母; （6）固定基地

2.3容错单片结构平行传感器

目前大多数平行力传感器采用组装式平台结构，但其结构尺寸较大。为了满足对小型平行力传感器的需求，提出了轮辐力传感器，面向测量作用于轴或孔部件上的力的应用。

图5显示了带有八个灵活测量支腿的轮辐式容错力传感器，其结构比前两者更紧凑。它通过贴片解耦克服了集成传感器的缺陷，消除了普通球形接头存在的接头间隙和摩擦。图6和图7示出了另一种双轮辐式容错力传感器。这些轮辐式容错力传感器由于结构紧凑而有助于平行传感器的小型化。

图5 轮辐式容错力传感器（1）固定圆环; （2）弯曲球铰; （3）测量腿部; （4）测力圆环

2.4测量原理

从图1和图2所示的不同传感器可以看出。 1,2,3,4,5,6和7所有传感器由三个主要部分组成，包括测力平台，固定底座和多个带球形接头的测量腿。当在传感器的测力平台上施加一个外部的六轴力/扭矩时，连接到每个腿的中间的应变仪将检测弹性腿上产生的力，以及惠斯登电桥的输出电压的变化可以测量。此外，施加的力可以基于施加的力与输出电压之间的映射关系来计算。

图6 8 / 4-4结构轮辐式容错力传感器

图7 4-4 / 4-4结构轮辐式容错力传感器

三、数学模型

上面提出的传感器可以分为三种不同的类型，其相应的通用结构可以在图1和2中描述。图8说明了广义的容错六分量力传感器。图9所示为广义容错和完全预应力六维力传感器，分别由预应力平台，测力平台和固定基座三个平台分为两层。图1和2可以分为结构在图8中的传感器。3和4可以归类为图9中的结构。图3中的最后三个传感器 5,6,7可以转化为图8所示的广义容错双层六维力传感器。实际上，图8和9中机构图的数学模型是统一的。因此，可以统一建立上述不同结构的容错传感器的数学模型。

图8广义容错双层六维力传感器

图9广义容错和完全预应力双层六维力传感器

在下文中，将执行容错传感器的数学模型。

3.1无故障数学模型

统一的无故障数学模型首先基于图1和图2所示的广义机制建立。笛卡尔坐标系Og - XYZ的起点位于测量平台重心的中心位置。图4和图5描述了具有容错能力的广义平行六维力传感器。在图8和图9中，符号定义如下：Pi（i = 1,2，...，n）是图9中预应力平台和固定基底的图8中固定基的球面接头的中心，pi（i = 1,2 ...，n）是测量平台的第i个球形接头的中心。

对于测力平台的平衡，可以得到下面的等式。

其中，fi表示第i条腿上的反作用力; $ i表示沿着第i条腿的单位线矢量; F和M分别表示施加在力测量平台中心的力和力矩矢量; isin;是双重标志; n表示腿的数量。

方程式（1）可以矩阵方程的形式重写为

其中Fa = {FX FY FZ MX MY MZ} T是施加在力测量平台上的六轴外力矢量; f = {f1，f2，f3，...，fn} T是由n个腿的反作用力组成的向量; G是给出的力Jacobin矩阵

其中$ i =（Si，S0i）是沿着第i条支路轴线的单位线矢量。

根据图9，矩阵（3）可以表示为

其中pi和Pi分别表示第i个球形关节pi和Pi相对于帧{Omega;g}的中心的位置矢量。

3.2故障数学模型

从六轴力测量的角度来看，当发生任何测量腿的信号故障并且可用腿的数量不少于六个时，所施加的力仍可由故障传感器测量。此外，相应的数学模型应代表可用腿反作用力与作用力之间的映射关系。通过详细分析，实现了在发生信号故障时整个六维力传感器的力分布和变形特性仍然保持。因此，根据刚度和变形协调条件，通过后续的研究，可以得到无故障腿的作用力与反作用力的映射关系。

3.2.1建立变形与应力的映射关系

首先，由于静态

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