预紧式并联六维力传感器容错测量机理与标定测试研究

doi:10.3901/JME.2016.08.058

机械工程学报 ›› 2016, Vol. 52 ›› Issue (8): 58-66.doi: 10.3901/JME.2016.08.058

预紧式并联六维力传感器容错测量机理与标定测试研究

姚建涛^{1, 2}, 崔朋肖¹, 朱佳龙¹, 许允斗^{1, 2}, 赵永生^{1, 2}

1. 燕山大学河北省并联机器人与机电系统实验室秦皇岛 066004;
2. 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学) 秦皇岛 066004

出版日期:2016-04-15 发布日期:2016-04-15
作者简介:姚建涛,男,1980年出生,副教授。主要研究方向为机器人技术、多维力传感器技术、并联机构理论及应用。E-mail：jtyao@ysu.edu.cn;赵永生(通信作者),男,1962年出生,博士研究生导师。主要研究方向为机器人技术、传感器技术、先进制造技术。E-mail：yszhao@ysu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(51305383)、河北省自然科学基金(E2015203165)和教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20131333120007)资助项目

Fault-tolerant Measurement Mechanism and Calibration Experimental Study of Pre-stressed Parallel Six-axis Force Sensor

YAO Jiantao^{1, 2}, CUI Pengxiao¹, ZHU Jialong¹, XU Yundou^{1, 2}, ZHAO Yongsheng^{1, 2}

1.Parallel Robot and Mechatronic System Laboratory of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004;
2. Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science, Ministry of Education of China, Yanshan University, Qinhuangdao 066004

Online:2016-04-15 Published:2016-04-15

摘要/Abstract

摘要： 对一种预紧式并联六维力传感器进行了容错测量原理的理论分析与标定测试研究。介绍了预紧式并联六维力传感器的结构容错特点,并基于螺旋理论和变形协调关系,分别建立传感器无故障、信号故障时的数学模型,进而揭示其容错测量机理。研究分析了预紧式并联六维力传感器的静态标定算法,提出一种容错标定方法,并对传感器进行了无故障及信号故障时单向、两方向组合及分区加载的容错静态标定测试研究。通过分析测试数据,得到传感器不同工作状态下的线性误差。研究内容为容错六维力传感器的实际应用奠定了理论和试验基础。

关键词: 标定测试, 并联, 六维力传感器, 容错, 预紧

Abstract: For a pre-stressed six-axis force sensor, the theoretical analysis and experimental study of fault-tolerant measurement mechanism are carried out. The fault-tolerance characteristic of pre-stressed parallel six-axis force sensor is introduced, with the screw theory and deformation coordination, the mathematic models including fault-free mathematic model and signal fault mathematic model are established, respectively. Moreover, the fault-tolerant measurement principle is revealed. The static calibration algorithm of the pre-stressed parallel six axis force sensor is analyzed, a fault-tolerant calibration method is proposed and the static calibration includes unidirection loading, bidirectional combined loading and sectional loading of the sensor is carried out including the models with and without signal fault. Through analyzing the experimental data, the linear error of the sensor is drawn under different working conditions. The research lays a theoretical and experimental foundation for the application of the fault-tolerant six-axis force sensor．

Key words: calibration experiment, fault-tolerant, parallel, pre-stressed, six-axis force sensor

中图分类号:

TH751

姚建涛, 崔朋肖, 朱佳龙, 许允斗, 赵永生. 预紧式并联六维力传感器容错测量机理与标定测试研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(8): 58-66.

YAO Jiantao, CUI Pengxiao, ZHU Jialong, XU Yundou, ZHAO Yongsheng. Fault-tolerant Measurement Mechanism and Calibration Experimental Study of Pre-stressed Parallel Six-axis Force Sensor[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(8): 58-66.

参考文献

[1] 张崇峰. 空间对接六自由度半物理仿真的研究[J]. 航空控制,1999(1)：70-74.
ZHANG Chongfeng. Study on six-degree-of-freedom simulation for docking[J]. Aerospace Control,1999(1)：70-74.
[2] 张小龙,冯能莲,张为公. 基于车轮力直接测量 ABS 性能试验研究[J]. 中国机械工程,2008,19(6)：751-752.
ZHANG Xiaolong,FENG Nenglian,ZHANG Weigong. Experimental research on the abs performance based on the wheel forces mea sured by roadway test[J]. China Mechanical Engineering,2008,19(6)：751-752.
[3] MERLET J P. Parallel robots[M]. Berlin：Springer,2006.
[4] 李敏,刘俊,秦岚,等．平板式压电六维力传感器静态性能研究术[J]. 机械工程学报, 2014, 50(6)：1-7.
LI Min, LIU Jun, QIN Lan, et al. Research of parallel piezoelectric six-axis force/torque sensor’s static characteristics[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(6)：1-7.
[5] 赵磊, 刘巍, 巩岩. 预紧式Stewart结构六维力／力矩传感器[J]. 光学精密工程, 2011, 19(12)：2954-2962.
ZHAO Lei, LIU Wei, GONG Yan. Pre-stressed six-axis force/torque sensor based on Stewart platform[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(12)：2954-2962.
[6] DWARRAKANATH T A, DASGUPTA B, MRUTHYUNJAYA T S. Design and development of Stewart platform based force-torque sensor[J]. Mechatronics, 2001,11(7)：793-809.
[7] KANG C G. Closed-form force sensing of a 6-axis force transducer based on the Stewart platform[J]. Sensors and Actuators A ,2001,90(1)：31-37.
[8] 金振林,高峰,赵现朝. 并联结构六维控制器的标定实验与分析[J]. 机械工程学报,2005,41(8)：103-107.
JIN Zhenlin,GAO Feng,ZHAO Xianchao. Calibration experiment and analysis for a 6-DOF controller with parallel structure[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2005,41(8)：103-107.
[9] 王宣银,尹瑞多. 基于Stewart机构的六维力/力矩传感器[J]. 机械工程学报,2008,44(12)：118-122.
WANG Xuanyin,YIN Ruiduo. Six-axis force/torque sensor based on Stewart platform[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(12)：118-122.
[10] 贾振元,李映君,张军,等. 并联式轴用压电六维力/力矩传感器[J]. 机械工程学报,2010,46(11)：62-68.
JIA Zhenyuan,LI Yingjun,ZHANG Jun,et al. Axial piezoelectric 6-component force/torque sensor based on parallel structure[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010,46(11)：62-68.
[11] LI H. Faulure analysis of parallel manipulators for fault tolerant design[D]. Kingston：Queen’s University, 1999.
[12] CHEN T L, YOU R Z. A novel fault-tolerant sensor system for sensor drift compensation[J]. Sensors and Actuators A：Physical, 2008, 147(2)：623-632.
[13] 沈毅, 王艳, 刘志言. 容错型质量厚度传感器及其容错策略[J]. 哈尔滨工业大学学报,1996,28(2)：91-95.
SHEN Yi, WANG Yan, LIU Zhiyan. Fault tolerrant type mass-thinckness sensor and fault tolerant strategy[J]. Journal of Harbin Institute of Technology,1996,28(2)：91-95.
[14] 阳春华,李文军,王随平. 深海底集矿机传感器故障容错方法研究[J]. 计算机测量与控制, 2005,13(9)：1006-1009.
YANG Chunhua, LI Wenjun, WANG Suiping. Method of transducer fault tolerance for deep seabed mining robot[J]. Computer Automated Measurement & Control,2005,13(9)：1006-1009.
[15] 郭崇滨, 郝矿荣, 丁永生. 基于止血机制的冗余并联机器人精准容错控制[J]. 智能系统学报, 2012, 7(4)：321-326.
GUO Chongbin, HAO Kuangrong, DING Yongsheng. Hemostasis mechanism based precise fault-tolerant control for redundant parallel manipulator[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems, 2012, 7(4)：321-326.
[16] 王志军,姚建涛,吴遥,等. 双层预紧式六维力传感器及其静态标定[J]. 机械工程学报,2013,49(3)：24-30.
WANG Zhijun,YAO Jiantao, WU Yao, et al. Dual layers pre-stressed six-axis force sensor and its static calibration[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013,49(3)：24-30.
[17] 王志军,姚建涛,侯雨雷,等. 双层预紧式多分支六维力传感器及其结构稳定性分析[J]. 机械工程学报,2012,48(7)：23-29.
WANG Zhijun,YAO Jiantao,Hou Yulei, et al. Pre-stressed multi-limb six-axis force sensor with double-layer and study on its structural stability[J]. Journal of Mechanical Engineering,2012,48(7)：23-29.

预紧式并联六维力传感器容错测量机理与标定测试研究

Fault-tolerant Measurement Mechanism and Calibration Experimental Study of Pre-stressed Parallel Six-axis Force Sensor

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[1]	王启明, 苏建, 隋振, 林慧英, 赵礼辉. 一种新型冗余驱动并联机构位姿正解研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(9): 40-47.
[2]	李剑锋, 张凯, 张雷雨, 张子康, 左世平. 并联踝康复机器人的设计与运动性能评价[J]. 机械工程学报, 2019, 55(9): 29-39.
[3]	叶伟, 杨臻, 李秦川. 一种远中心并联机构运动学与性能分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(5): 65-73.
[4]	游虹, 尚伟伟, 张彬, 张飞, 丛爽. 基于高速视觉的绳索牵引并联机器人轨迹跟踪控制[J]. 机械工程学报, 2019, 55(5): 19-26.
[5]	沈惠平, 许可, 杨廷力, 邓嘉鸣. 一种零耦合度且运动解耦的新型3T1R并联操作手2-(RPa3R)3R的设计及其运动学[J]. 机械工程学报, 2019, 55(5): 53-64.
[6]	刘伟, 刘宏昭. 具有2R1T和3R运动模式的并联机构综合[J]. 机械工程学报, 2019, 55(3): 53-63.
[7]	李研彪, 郑航, 孙鹏, 徐涛涛, 王泽胜, 秦宋阳. 考虑关节摩擦的5-PSS/UPU并联机构动力学建模及耦合特性分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(3): 43-52.
[8]	杨彦东, 甄春江, 侯雨雷, 曾达幸. 对称单自由度螺旋运动并联机构型综合[J]. 机械工程学报, 2019, 55(3): 27-33.
[9]	訾斌, 尹泽强, 李永昌, 赵涛. 基于YOLO模型的柔索并联机器人移动构件快速定位方法[J]. 机械工程学报, 2019, 55(3): 64-72.
[10]	陈栋, 李世其, 王峻峰, 何旺, 丰意. 并联机构的运动学多目标轨迹规划方法[J]. 机械工程学报, 2019, 55(15): 163-173.
[11]	孙晓东, 周追财, 陈龙, 杨泽斌, 韩守义, 薛正旺. 混合动力汽车BSG用分块SRM优化及试验[J]. 机械工程学报, 2019, 55(14): 96-103.
[12]	杨毅, 鹿碧洲, 李小毛, 姚骏峰, 蒲华燕, 彭艳. 一种2自由度柔顺移动并联机构研究及其在对接装置上应用[J]. 机械工程学报, 2019, 55(11): 114-122.
[13]	巩浩, 刘检华, 丁晓宇. 振动条件下螺纹预紧力衰退机理和影响因素研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(11): 138-148.
[14]	孙海宁, 唐晓强, 王晓宇, 崔志伟, 侯森浩. 基于索驱动的大型柔性结构振动抑制策略研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(11): 53-60.
[15]	山显雷, 程刚, 陈世彪. 考虑力补偿的2(3PUS+S)并联机器人主动关节同步控制[J]. 机械工程学报, 2019, 55(11): 46-52.