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摘 要

多维力传感器对于实现航天员在轨操作力的长期、有效测量具有重要的意义。本设计基于团队毕业设计“面向航天员操作力测量的多维力传感器及其测量系统”的应用背景以及相关技术指标要求，基于电阻应变原理设计了一种小型化无线六维力传感器。

首先，基于十字横梁结构设计了传感器的弹性体，并通过ANSYS软件进行了结构静力学分析，确定了传感器的最优结构尺寸以及电阻应变片的贴片位置。其次，基于小型化和无线传输的设计要求，设计了传感器的内部硬件电路，包括六组四等臂应变电桥，两级放大电路以及数据采集与传输电路，有效减小了传感器的体积，增强了灵活性。最后，设计静态标定实验和基于耦合误差分段拟合建模的阶梯形解耦算法，降低了传感器的维间耦合干扰，提高了测量精度。

实验结果表明，本文设计的传感器的Ⅰ类误差小于1.5%，Ⅱ类误差小于3%，符合多维力传感器的高精度标准，其他各项性能指标也满足了应用背景所要求的技术指标要求。

关键词：六维力传感器；十字梁弹性体；模数采集；无线传输；维间解耦

Abstract

The multi-axis force sensor is of great significance for the long-term and effective measurement of astronauts' on-orbit operation force. This design is based on the application of the team graduation design " Multi-axis Force Sensor and Measurement System for on-orbit operation force of astronaut " and related technical indicators. And a miniaturized wireless six-axis force sensor based on the principle of resistance strain is proposed in this paper.

Firstly, the elastic body of the sensor is designed based on the cross beam structure, and the structural static analysis is carried out by ANSYS software. The optimal structural size of the sensor and the positions of the strain gauges are determined. Secondly, based on the design requirements of miniaturization and wireless transmission, the internal hardware circuits of the sensor are designed, including six sets of four equal arm strain bridges, two-stage amplifying circuit and data acquisition/transmission circuit, which improves the flexibility and environmental adaptability of the sensor. Finally, the static calibration experiment and the step-shaped decoupling algorithm based on the coupling error and partitioned imitation are designed to reduce the inter-dimensional coupling interference and improve the measurement accuracy.

The experimental results show that the class I error of the sensor designed in this paper is less than 1.5%, and the class II error is less than 3%, which meets the high-precision standard of multi-axis force sensor. And other indicators also meet the technical indicators of the application.

KEY WORDS: Six-dimensional force sensor; Cross beam elastomer; Analog-digital acquisition; Wireless transmission; Inter-dimensional decoupling

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 压电式六维力传感器 2

1.2.2 电容式六维力传感器 2

1.2.3 光学式六维力传感器 3

1.2.4 电阻式六维力传感器 3

1.3 本文主要工作与章节安排 6

第二章 传感器本体结构设计 8

2.1 技术指标要求 8

2.2 传感器弹性体的设计分析 8

2.2.1 弹性体结构 8

2.2.2 弹性体的有限元分析 9

2.3 传感器封装与装配设计 14

第三章 硬件电路设计 15

3.1 应变电桥设计 15

3.2 两级放大电路 16

3.3 信号处理电路 17

3.3.1 A/D采集模块 18

3.3.2 数据处理与传输 19

3.3.3 多通道数据采集系统 19

第四章 标定与解耦 20

4.1 静态标定实验 20

4.1.1 力的标定方法 20

4.1.2 力矩的标定方法 21

4.2 解耦算法与误差分析 21

4.2.1 基于耦合误差分段拟合建模的解耦算法 22

4.2.2 基于耦合误差分段拟合建模的阶梯形解耦算法 23

4.2.3 误差分析与比较 23

第五章 可靠性分析 37

5.1 应变片的可靠性分析 37

5.2 弹性体的可靠性分析 37

5.3 传感器可靠性的综合分析 38

第六章 总结与展望 40

6.1 工作总结 40

6.2 展望 40

参考文献 42

致 谢 44

本科期间获得成果 45

绪论

• 1. 研究背景与意义

传感器技术作为现代信息技术的三大关键技术之一，在国家的工业化和现代化进程中占据了重要的地位。随着现代机器人进一步的智能化，智能机器人与外界环境的交互性不断增强^[1]。传感器作为一种机器人感知外界信息所不可或缺的器件，是信息时代最具发展前景的高新技术产业之一^[2]。其中，力传感器是应用十分广泛的一类传感器，在机器人、航空航天、汽车、医疗、化工以及家电等领域都有广泛的应用^[3]。

一般来说，力传感器根据测力维度数量的多少，可以被分为多维力传感器和单维力传感器。单维力传感器只能测量单个方向上力的大小，多维力传感器则是一种可同时测得两个及两个以上维度力/力矩信息的传感器，并且能够在空间坐标系中正交分解所测力/力矩。^[4]。而在多维力传感器中，六维力传感器是形态最完全、功能最全面的一类，应用场景也最为广泛。

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