平板式壓電六維力-力矩傳感器基礎理論及關鍵技術研究.pdf

1、六維力/力矩傳感器是一種能同時感知三維力和三維力矩等空間全力信息的重要傳感器，它有六軸力傳感器、六維力傳感器、六分量天平等多種名稱。六維力傳感技術在智能機器人控制系統(tǒng)、航空航天設備、武器裝備系統(tǒng)、交通承載工具、生物醫(yī)學工程、機械加工制造、互動娛樂設備、MEMS加工等領域有著廣泛的應該，并在不斷擴展。目前，已經(jīng)提出的各種六維力傳感器因測試原理和結構復雜的原因，導致研發(fā)的六維力傳感器存在彈性體結構復雜程度與解耦難易、高固有頻率與高靈敏度、彈

2、性體質量大小與解耦難易程度等三大無法克服的瓶頸矛盾。此外，缺乏完善的六維力傳感器動靜態(tài)標定系統(tǒng)和評價指標，制約著六維力傳感器的性能的提升和應用領域擴展。因此，探索新型的六維力傳感方法，開發(fā)結構簡單、成本低、能克服三大瓶頸矛盾的六維力傳感器，完善六維力傳感器性能評價指標，研發(fā)實用的、結構簡單的、能實現(xiàn)獨立加載的動靜態(tài)標定系統(tǒng)是六維力傳感技術發(fā)展的必然要求。
　　 本文針對現(xiàn)有六維力傳感器研究中遇到的三大瓶頸矛盾，結合作用力動態(tài)特性

3、和作用力空間位置信息實時測量需求，瞄準彈射座椅人椅系統(tǒng)重心位置和動態(tài)特性的實時測量、MEMS工藝微型六維力傳感器及多功能“人工皮膚”等領域的潛在運用開展了對平板式壓電六維力傳感器基礎理論和關鍵技術研究。從研究生物皮膚多點觸覺傳感機理出發(fā)，創(chuàng)新性地提出多點支撐結構的平板式壓電六維力傳感器的傳感原理，克服了現(xiàn)有六維力傳感器存在的瓶頸矛盾；運用機理建模方法推導了傳感器的靜態(tài)和動態(tài)數(shù)學模型、運用ANSYS和SolidWork等軟件建立了傳感器的

4、物理模型，并進行了數(shù)值計算和仿真實驗對比研究，并研制了平板式壓電六維力傳感器樣機；研制了基于單維應變式力傳感器和壓電式力傳感器的六維力靜、動態(tài)兩用加載裝置；研制了傳感器信號預處理電路，開發(fā)了六維力傳感器標定及測量軟件，搭建了實驗系統(tǒng)。為開展平板式壓電六維力傳感器系統(tǒng)的研究奠定了基礎，主要研究工作歸納為以下六個方面：
　　 (1)從敏感元件和轉換元件是否獨立存在的角度，提出了將六維力傳感器分為彈性體式和非彈性體式兩類的分類方法，歸

5、納了彈性體式六維力傳感器存在的三大瓶頸矛盾問題，提出了其根源是敏感元件單獨存在的原因。
　　 (2)從研究生物皮膚多點觸覺傳感機理著手，結合基于MEMS加工工藝的特點，提出了基于壓電元件的多點支撐結構六維力傳感器設計思路，得到了八點支撐結構的壓電元件最優(yōu)布局方案；結合石英晶片組布局方案設計了傳感器結構，研究了傳感器加工制作的相關關鍵工藝，開發(fā)了結構新穎且工藝簡單的新型六維力傳感器原型樣機。根據(jù)傳感器的結構特點，研究分析了坐標變換

6、、標定誤差等因素對傳感器性能的影響，建立了平板式壓電六維力傳感器的性能評價指標，得出了一些有價值的結論。
　　 (3)從研究傳感器的結構著手，運用材料力學知識，結合傳感器的實際使用狀況，首次運用機理建模方法，建立了平板式壓電六維力傳感器的靜態(tài)靈敏度模型和動態(tài)固有頻率模型，此模型可作為此類傳感器優(yōu)化設計的理論指導依據(jù)，為此類傳感器的優(yōu)化設計奠定了理論基礎。
　　 (4)根據(jù)傳感器的實際運用工作狀況，運用Solidwork、

7、ANSYS等大型軟件建立了基于ANSYS的有限元模型，研究了平板式壓電六維力傳感器的仿真方法，全面分析了傳感器樣機的靈敏度、靜態(tài)C矩陣、靜態(tài)維間耦合度、各向同性度等靜態(tài)特性和固有頻率、幅頻特性、動態(tài)C矩陣、動態(tài)維間耦合度等動態(tài)特性。
　　 (5)結合傳感器的靈敏度和固有頻率的數(shù)學模型數(shù)字計算結果和ANSYS的仿真結果，開展了對兩種模型求解結果一致性的評價方法研究，提出了用倍頻系數(shù)誤差評價兩種模型一致性的思想，印證了兩種模型的有效

8、性；結合基于機理建模方法得到的數(shù)學模型，討論了傳感器各個部件參數(shù)對傳感器靜態(tài)靈敏度和固有頻率的影響規(guī)律。
　　 (6)提出了基于平板式壓電六維力傳感器的靜態(tài)、動態(tài)標定方法，研制了傳感器動態(tài)、靜態(tài)標定設備，建立了實驗系統(tǒng)，開展了相關實驗，實驗驗證了傳感器設計理論、基于機理建模方法建立的數(shù)學模型和基于ANSYS軟件的有限元仿真方法的正確性，分析得到了影響傳感器維間耦合的因素，推導了相關數(shù)學表達式。
　　 本文的研究工作為平板