空間機械臂六維力-力矩傳感器及其在線標定的研究.pdf

1、空間機械臂是空間站建設、維護維修、運營管理及輔助宇航員出艙等任務的重要工具之一。根據(jù)我國空間站任務的迫切需求，本文對空間站所需的空間機械臂在進行精細、復雜操作任務及力控制、運動柔順控制時所需的關鍵力感知技術進行了深入研究。旨在研制出一種具有良好一致性、高可靠性、高精確度、高剛度、高靈敏度、良好集成性、具有零點漂移和溫度漂移補償且具有過載保護的六維力/力矩傳感器，并圍繞六維力/力矩傳感器的優(yōu)化、靜態(tài)特性和溫度漂移補償及在線標定等問題開展深

2、入的研究。本論文將顯著提高我國在該領域的研究水平，并為國家空間站項目的順利實施提供有力保障。
　　針對傳統(tǒng)上六維力/力矩傳感器常采用試湊法設計，從而導致其在很大程度上依賴于設計者的經(jīng)驗和能力，且往往無法獲取性能最優(yōu)的傳感器模型等缺點，本文提出了一種基于響應面方法的六維力/力矩傳感器優(yōu)化方法，并以空間機械臂六維力/力矩傳感器彈性體的優(yōu)化為例進行了說明。該方法通過合理安排試驗設計，只需要少量精確的有限元計算，就能利用響應面方法擬合出足

3、夠精度的傳感器近似數(shù)學模型。以擬合的傳感器數(shù)學模型為基礎，以傳感器應變柔順矩陣的條件數(shù)最小為優(yōu)化目標，以彈性體的結構參數(shù)作為設計變量，并以傳感器的靈敏度和剛度等為約束條件，即可快速獲得最優(yōu)的傳感器模型。
　　為研制一種適合空間機械臂的六維力/力矩傳感器，并參考國外文獻，本文研制的傳感器采用電阻應變原理。針對空間機械臂的高剛度及集成化要求，設計了一種新型結構的彈性體。該彈性體采用通孔形式的平行板梁結構，從而在保證剛度的條件下，有效地

4、提高了傳感器的靈敏度。為保護傳感器在惡劣工作情況下免受損害，設計了階梯銷和通孔作用的機械式過載保護。為使傳感器實現(xiàn)零點漂移和溫度漂移的補償功能，設計了D/A補償及溫度采集電路。為了便于和空間機械臂的集成，傳感器本身具有力/力矩信號的解耦和溫度信息處理能力，并通過RS-422方式實現(xiàn)與機械臂關節(jié)控制器的通信。
　　為獲取六維力/力矩傳感器的靜態(tài)特性，設計了基于滑輪-砝碼的標定系統(tǒng)，并對標定系統(tǒng)的誤差進行了分析。采用最小二乘方法獲得了

5、六維力/力矩傳感器的標定矩陣，通過加卸載實驗得到了傳感器的各項靜態(tài)性能指標和耦合誤差。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)傳感器的溫度漂移現(xiàn)象非常嚴重，因此提出了基于粒子群算法優(yōu)化最小二乘支持向量機的補償方法。實驗結果表明，該方法有效地解決了傳感器的溫度漂移問題。此外，針對傳感器的剛度性能、過載能力及力學振動特性進行了實驗研究。
　　針對空間環(huán)境下六維力/力矩傳感器的校正問題，提出了基于空間機械臂關節(jié)力矩傳感器在線標定六維力/力矩傳感器的方法。該方法在空

6、間機械臂末端執(zhí)行器抓取某固定點時，且確保各關節(jié)位姿不變的情況下，通過機械臂的控制命令給各關節(jié)施加一系列不同的作用力，使得機械臂處于內力平衡狀態(tài)。通過力雅克比矩陣，將關節(jié)力矩傳感器檢測的力矩信息映射到六維力/力矩傳感器上作為標準載荷，同時采集六維力/力矩傳感器的實際輸出電壓信號，從而建立標準輸入作用載荷、實際輸出電壓信號及標定矩陣之間的等式關系。為了獲取更加精確的標定矩陣，可以改變機械臂的位姿，并重復上述操作來獲得大量實驗數(shù)據(jù)。最后采用最