預(yù)緊式并聯(lián)六維力傳感器容錯測量機理與標定測試研究

日期： 2018-03-21

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六維力傳感器可同時檢測三維空間的三個力分量和三個力矩分量，是獲取全信息力學(xué)參數(shù)的重要元件，廣泛應(yīng)用于航空航天、國防科技、生物醫(yī)學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，比如：宇宙空間站對接、汽車整車性能測試。

并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載能力大、無累積誤差等特點,并且基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)的六維力傳感器，依靠自身結(jié)構(gòu)使輸出解耦，克服了其他結(jié)構(gòu)傳感器采用貼片組橋解耦的缺點，使得該類傳感器的研究逐漸成為研究的熱點之一。

對于Stewart型六維力傳感器結(jié)構(gòu)而言，其分支靈敏度、精度等測量特性的提高會導(dǎo)致其剛度受到限制，所以檢測分支易產(chǎn)生故障。此外，對于Stewart型六維力傳感器采集系統(tǒng)而言，其信號采集線路較單維力或少維力傳感器復(fù)雜，不可避免的會產(chǎn)生信號影響，線路故障，無論是結(jié)構(gòu)還是信號問題，都將導(dǎo)致Stewart結(jié)構(gòu)六維力傳感器的整體故障，而無法可靠完成六維力測量，但關(guān)鍵任務(wù)中，系統(tǒng)中任何元件的故障，都可能使整個系統(tǒng)功能下降，甚至癱瘓，無法完成預(yù)定任務(wù)，因此，使其具備良好的容錯能力是六維力傳感器設(shè)計的一個重要發(fā)展方向。

預(yù)緊式并聯(lián)六維力傳感器主要包括一個測力平臺、一個中間平臺、一個預(yù)緊平臺、套筒、底座、調(diào)整墊片、7個測量分支等部分，測量分支分成兩組并分布在測力平臺的兩側(cè)，其中3個分支均勻分布在中間平臺上側(cè)，另外4個均勻分布在中間平臺下側(cè)。通過調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓使預(yù)緊平臺與測量分支之間產(chǎn)生預(yù)緊作用力，消除測量分支兩端接觸面間的間隙，使得傳感器不會存在過零問題，并增加傳感器的整體剛度。

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與傳統(tǒng)Stewart結(jié)構(gòu)六維力傳感器相比，該傳感器在保留傳統(tǒng)Stewart結(jié)構(gòu)六維力傳感器結(jié)構(gòu)簡單對稱性好等優(yōu)點，還具有無應(yīng)力耦合、摩擦力矩小、不存在過零問題、非線性和遲滯誤差小、準確度高、動態(tài)性能性好等優(yōu)點。同時，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)Stewart結(jié)構(gòu)六維力傳感器具有保持幾何不變性所需的最少約束，為靜定結(jié)構(gòu)，傳感器中任一分支發(fā)生故障，均會使傳感器系統(tǒng)無法準確測量六維外力，即不具備容錯能力。而預(yù)緊式并聯(lián)六維力傳感器正常工作時，7個檢測分支可共同起作用，通過建立外力和7個檢測支路輸出信號之間的映射關(guān)系，即可檢測出六維外力。當(dāng)某分支發(fā)生故障時(其故障一般情況主要是對應(yīng)分支的檢測元件出現(xiàn)錯誤或故障)，隔離發(fā)生故障分支的輸出信號，進一步可通過建立外力與正常工作的6個分支輸出信號的全映射關(guān)系，亦可檢測出外力，仍可完成可靠測量，即傳感器具備容錯特性。

以預(yù)緊式7分支并聯(lián)六維力傳感器樣機為例，開展了預(yù)緊式并聯(lián)六維力傳感器的無故障、信號故障時的容錯靜態(tài)標定測試研究。其中對于標定測試過程分別進行了單向加載和雙向組合加載，針對既定任務(wù)對力大小的要求進行了分區(qū)間加載，并對其結(jié)果分別進行了分析。

傳感器單向加載容錯測量模型誤差分析結(jié)果

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