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用于空间机械臂的力/力矩传感器关键技术研究

  随着空间站在轨服务、深空探测等空间技术的迅速发展,越来越多的空间任务需要人类参与,空间机械臂的诞生在一定程度上缓解了太空宇航员的任务量。但空间机械臂系统缺乏力/力矩感知能力,其应用范围会受到限制,因此需要在机械臂关节处加装力/力矩传感器,实时获取相关力/力矩信息,帮助机器人系统实现力反馈控制。空间机械臂由航天器搭载从地面发射进入太空的过程中需承受众多恶劣的外部环境,如强振动、高冲击、强辐射和真空高低温等环境,常规的力/力矩传感器不适合在此种环境下应用。针对上述背景,本文开展了力/力矩传感器的振动、过载保护、容错以及温度漂移补偿方法的研究,具体内容如下:


  (1)针对航天器力学环境下空间机械臂关节力/力矩传感器的振动响应问题,首先分析空间机械臂振动环境的特点,采用动态子结构法,将装有六维力传感器的空间机械臂部分结构作为一个子结构,建立了一个六维力传感器振动力学模型;然后根据实际振动试验参数,通过数值仿真的方法对传感器弹性体进行了模态、随机振动和正弦振动分析,得到了传感器结构的固有特性及在航天器力学环境下的振动响应规律,为传感器的结构优化和过载保护提供了依据;(2)针对航天器力学环境下空间机械臂关节力/力矩传感器的过载问题,首先设计了一款可用于双E型膜结构的六维力/力矩传感器的勾合卡接式的全方位机械过载保护机构;然后运用有限元方法确定了过载保护限位间隙,并对其过载能力进行了仿真验证。


  仿真结果表明,该保护机构使传感器在Fz和Mz方向的过载能力分别由4.4倍和4.5倍提高到43倍和14.3倍,在Fx/Fy和Mx/My方向的过载保护能力分别由5.2倍和5倍提高到10.2倍和8.2倍;(3)针对空间机械臂关节力矩传感器的容错问题,以广泛应用的轮辐式关节扭矩传感器为研究对象,首先根据扭矩传感器承载时的变形特点,结合变形协调条件,对扭矩传感器应力与应变进行分析,建立了具有更高精度的传感器扭转刚度解析模型;然后基于该模型,结合参数优化的方法,利用空间机械臂关节输出法兰研制了一款具有冗余特性的一体化扭矩传感器。实验结果表明,该传感器线性误差小于0.77%,重复性误差小于0.89%,传感器的容错特性得到提高,性能指标得到改善;


  (4)针对空间高低温环境下力/力矩传感器的温度漂移问题,以双E型膜结构六维力/力矩传感器为研究对象,首先分析了应变片的温度特性及应变片与弹性体产生热输出的原因,研究了信号调理电路中基准源、激励源、放大器和放大电阻受温度影响后性能变化特点及该变化对传感器测量结果产生的影响;然后根据实验数据特点,提出一种基于分段函数的温度漂移补偿算法,并与整体线性温度漂移补偿结果进行对比。实验结果表明,补偿后的传感器各维温度漂移误差均有不同程度的减小,且分段温度补偿的效果(测量误差小于±0.5%)优于整体线性温度补偿的效果(测量误差小于±1%)。