空画容错六维力传感器设计及标定研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:nhybgt12
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随着航天科技的不断发展,空间机械臂将在轨组装、在轨制造和深空探测等领域发挥越来越大的作用。实现空间机械臂的自动控制及柔顺操作是空间机械臂不可缺少的一项功能。六维力传感器广泛的应用于机械臂末端,能够同时测量三个方向的力与力矩,实现机械臂的力与力矩反馈,是机械臂对末端机构进行精准力控制不可或缺的重要传感器。由于航天领域特殊的工作环境和对可靠度的严苛需求,普通商用的六维力传感器很难满足空间机械臂的应用要求。因此有必要研究一款可靠性高、各向一致性好、灵敏度高且具有错误诊断和冗余的空间容错六维力传感器,以满足未来在轨组装望远镜、深空探测工程等重大科学项目对空间机械臂在轨操作的需求。文章首先在深入分析现有六维力传感器工作原理和结构的基础上,对经典的六维力传感器结构进行理论分析和实验验证,寻找在不损失刚度条件下,提高传感器灵敏度方法。通过加工大量程高灵敏度六维力传感器和关节力矩传感器对相关的理论进行验证,具体的提出了能够指导容错六维力传感器设计的应变梁优化方向。然后以应变梁优化理论为依据,结合航天机械臂末端应用需求,在充分分析能够实现冗余测量的各种弹性体结构的基础上,设计了一款新型六梁立体结构六维力传感器。该传感器六个应变梁中心对称布置,通过与测量坐标系坐标轴偏转15°夹角,达到各方向灵敏度均衡的目的。传感器使用48个应变片组成12个全桥电路,实现每个通道的“一主两备”冗余设计。针对空间六维力传感器设计参数多,设计输入与传感器输出之间关系复杂,及传感器参数指标相互影响等问题,文章使用Isight软件集成UG、Patran、Nastran和MATLAB等设计分析软件,对影响传感器灵敏度和刚度的13个结构参数进行同步优化,避免了传统六维力传感器优化参数单一和优化指标不一致引起的优化模型得不到最优解的问题。在优化算法方面,本文采用多目标粒子群算法,分别以传感器灵敏度、力和力矩的灵敏度比值、传感器条件数为目标,以传感器各方向的刚度与强度为约束条件,求解Pareto最优解集。通过对比最优解集中的各选项,得到综合能力最优的设计参数。为验证空间容错六维力传感器设计的合理性,使用有限元法对传感器强度的、刚度和灵敏度等指标进行校核,并求解容错传感器应变梁最佳的贴片位置。加工了原理样机。通过设计的加载平台对传感器进行静态标定,得到传感器的力通道测量灵敏度为0.41m V/V、力矩通道测量灵敏度为0.27m V/V,传感器线性度、重复精度、迟滞误差均小于1.01%F.S.,满足使用要求。针对不同解耦方法对解耦精度的影响,本文对比了最小二乘法、BP神经网络、GA-BP神经网络和RBF神经网络解耦误差,最终确定使用RBF神经网络法对容错六维力传感器进行解耦,解耦精度优于0.13%F.S.。最后文章提出一种基于基向量空间的错误诊断机制,与反算电压法、多结果对比法和支持向量基法相比,该方法充分利用通道间测量结果的内在联系,将故障监测时的广义逆矩阵运算替换为方阵求逆运算,同时将错误诊断时的12次广义逆运算降低为2次方阵求逆运算,极大降低了容错六维力传感器错误诊断计算量。在模型重构方面,考虑到容错六维力传感器各通道之间热备份的特点,使用地面标定与软件在轨重注相结合的方式实现标定矩阵的更新。通过人为在某一路中增加干扰的方式,验证错误诊断和模型重构方法的可行性。
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