正交并联六维力传感器及其应用研究

　　随着高新技术产业智能化进程的加快，传感器技术在其发展中逐渐占有越来越重要的地位。六维力传感器作为一类能够检测空间全力信息的传感器在机器人技术、生物医疗、航空航天、汽车制造等领域中有着广泛的应用。本书提出了一种测量分支水平与竖直正交排布的正交并联六维力传感器，对其机构理论、结构参数优化、静/动态标定实验、静/动态解耦实验、六维力传感器的应用等做了深入的分析研究。本书提出了测量分支水平与竖直正交排布的正交并联六维力传感器，实现了空间正交平面内力和力矩的部分测量解耦。面向实际测量工作的需求，提出一种简单易行并且能够通用于并联结构的优化设计方法，以在满足工况要求的前提下得到传感器结构。对传感器的静、动态标定试验进行了研究，对标定算法及试验方法进行深入的分析和设计，为进一步提高传感器的实用性奠定基础。为了满足传感器使用工况要求，对该正交并联六维力传感器进行了静/动态解耦研究，为进一步降低传感器耦合奠定了理论基础。最后在六维力传感器在力觉示教方面应用做了介绍，并设计了机器人力觉示教控制系统，实现机器人力觉示教轨迹运动。研究工作将对六维力传感器在工程中的实际应用奠定一定的理论和实验基础。

　　王志军，男，1983年6月生，博士，副教授，硕士生导师，河北省青年拔尖人才，河北省“三三三人才工程”第三层次人选。主要从事并联机器人技术，六维力传感器技术及应用，机器人控制技术等方面的研究。主持完成国家自然科学基金项目1项，主持完成河北省自然科学基金项目1项，主持完成河北省教育厅青年基金项目1项，参与完成国家自然科学基金1项、河北省自然科学基金3项；获河北省科技进步三等奖1项；发表科技论文30余篇，其中SCI收录5篇、EI收录12篇；出版专著2部；授权发明专利5项，实用新型专利5项。

第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 六维力传感器研究发展现状
1.2.1 六维力传感器的国外研究现状
1.2.2 六维力传感器的国内研究现状
1.2.3 Stewart并联结构六维力传感器研究现状
1.2.4 六维力传感器标定实验研究现状
1.3 六维力传感器解耦研究现状
1.3.1 不同领域解耦研究现状
1.3.2 并联机构解耦研究现状
1.3.3 并联六维力传感器解耦研究现状
1.4 机器人力觉示教技术发展现状
1.4.1 示教技术的解析与分类
1.4.2 力觉示教的发展前景
1.5 六维力传感器应用研究现状
第2章 正交并联六维力传感器数学模型及静力学分析
2.1 基于螺旋理论的六维力传感器数学模型
2.1.1 螺旋理论概述
2.1.2 并联多分支六维力传感器数学模型
2.2 并联六维力传感器的静力学分析
2.3 正交并联六维力传感器的数学模型及静力学分析
2.3.1 六分支传感器的数学模型
2.3.2 六分支正交并联六维力传感器静力平衡方程求解
2.3.3 八分支传感器的数学模型
2.3.4 八分支传感器静力平衡方程求解
2.4 本章小结
目 录
第3章 正交并联六维力传感器结构性能及参数优化
3.1 并联六维力传感器各向同性性能
3.1.1 力/力矩各向同性度
3.1.2 力/力矩灵敏度各向同性度
3.2 正交并联六维力传感器各向同性度分析
3.2.1 六分支传感器结构性能分析
3.2.2 八分支正交并联六维力传感器结构性能分析
3.3 基于工况函数的并联六维力传感器参数优化
3.3.1 工况函数模型
3.3.2 基于工况函数的参数优化
3.4 正交并联六维力传感器参数优化实例
3.4.1 工况确定
3.4.2 六分支正交并联六维力传感器参数优化
3.5 本章小结
第4章 正交并联六维力传感器静态标定实验研究
4.1 正交并联六维力传感器静态标定算法
4.1.1 六维力传感器静态性能指标
4.1.2 正交并联六维力传感器在线静态加载方法
4.2 标定系统硬件组成
4.2.1 测量分支
4.2.2 样机本体研制
4.2.3 数据采集与传输设备
4.3 基于LabVIEW的标定系统软件开发
4.3.1 数据采集、存储与显示
4.3.2 标定算法的实现
4.3.3 六维力实时测量与显示
4.4 标定实验及实验结果
4.5 六维力传感器分支变形对精度的影响
4.5.1 Stewart并联结构六维力传感器数学模型
4.5.2 分支变形对传感器测量精度的影响
4.5.3 数值算例与仿真验证
4.6 本章小结
第5章 正交并联六维力传感器动态特性研究
5.1 动力学理论分析
5.1.1 测量分支动力学分析
5.1.2 六维力传感器动力学分析
5.2 模态分析
5.3 数值算例
5.4 动态特性实验
5.4.1 动态特性实验设备
5.4.2 实验设备连接
5.4.3 动态特性实验
5.5 本章小结
第6章 正交并联六维力传感器解耦研究
6.1 正交并联六维力传感器耦合情况分析
6.2 正交并联六维力传感器的静态解耦
6.3 基于最小平方法传感器静态解耦
6.4 基于独立成分分析（ICA）传感器静态解耦
6.4.1 独立成分分析定义及数学模型
6.4.2 独立成分分析FastICA算法
6.4.3 基于独立成分分析（ICA）的解耦
6.4.4 结果对比分析
6.5 正交并联六维力传感器动态解耦
6.5.1 基于对角优势矩阵的传感器动态解耦
6.5.2 基于ICA的传感器动态解耦
6.6 本章小结
第7章 正交并联六维力传感器应用研究
7.1 机器人运动学分析
7.1.1 机器人位置与姿态描述
7.1.2 IRB26机器人运动学正解
7.1.3 IRB26机器人运动学逆解
7.1.4 力坐标变换
7.2 力觉示教硬件系统设计
7.2.1 力觉示教硬件系统的整体结构
7.2.2 IRB26机器人系统
7.2.3 力信息采集系统
7.3 力觉示教控制系统设计
7.3.1 六维力传感器重力补偿算法
7.3.2 六维力传感器重力补偿算法验证
7.3.3 力觉示教控制算法研究
7.3.4 力觉示教控制算法仿真验证
7.4 力觉示教通信连接与编程设计
7.4.1 力觉示教通信配置及RAPID语言基本结构
7.4.2 力觉示教编程设计及仿真
7.5 本章小结
结论
参考文献