毫克尺度微型仿生飞行器基于柔性高频翅拍运动的升力机制, 具有柔性大变形、振动非线性、多自由度力-力矩耦合等特征, 其有效升力/力矩范围处于mN/(μN·m)量级, 通用力传感器较难准确测定力学参数, 进而给微型仿生飞行器的设计与控制带来一定的困难。文章提出了一种面向微型扑翼飞行器的新型力-力矩传感器, 它可以在固定约束条件下实现微飞行器高频扑翼运动产生的升力和力矩的测量, 为扑翼飞行器控制力和力矩解耦研究提供精度较高的数据。该传感器采用对称式多悬臂梁柔顺机构将升力/力矩转化为微小形变, 结合高带宽、高精度电容位移测量装置, 可以采集高频振动条件下的微小升力/力矩。基于梁理论进行了传感器力学建模, 并结合有限元仿真验证了原理的可行性。对被测对象微型仿生扑翼飞行器的主要测量参数范围开展结构与工艺设计, 实验结果显示, 该传感器的升力测量范围为-10~10mN, 力矩测量范围为-20~20μN·m, 特征频率为1kHz, 升力和力矩的灵敏度分别为0.01mN和0.01μN·m, 经验证, 对整机重量在80~250mg、工作频率在1~200Hz范围的微型扑翼飞行器具有较强的适用性。

针对轴承的故障早期诊断和在线实时监测, 提出了一种新型过约束平面并联三维力/力矩传感器。通过采用分支轴线均不过传感器中心的6条对称分布的测力分支, 该传感器可同时测量轴承径向载荷和轴向力矩。根据静力学平衡方程, 求解了其测量数学模型; 基于传感器测量模型与性能指标分析了传感器性能, 进而对其各结构参数进行优化设计。研制了传感器样机及其加载标定实验系统, 开展了加载标定实验, 得到了该传感器的测量精度。标定实验结果显示: 传感器径向力测量精度为2.56%, 力矩测量精度为0.92%, Ⅰ类误差为2.56%, 最大Ⅱ类误差为2.29%。文中所做工作, 为将该新型过约束平面并联三维力/力矩传感器应用于在线实时测量轴承径向载荷和轴向摩擦力矩奠定了基础。

针对六维力/力矩传感器测量量程受限问题, 提出一种具有分载测量功能的预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器。首先, 对比传统Stewart结构力/力矩传感器, 阐述了预紧式六维力/力矩传感器的结构特点和测量原理。然后, 完成了预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的结构设计。建立了传感器的有限元模型, 对模型进行了模态分析, 得到了传感器的前五阶固有频率和振型, 并确定了传感器的工作带宽为0～204 Hz。最后, 研究了传感器的静态标定原理, 并对传感器进行了静态标定实验, 得到了传感器的标定实验解耦矩阵。实验结果表明, 该预紧式Stewart结构六维力/力矩传感器的测力量程为0～3 000 N, 测力矩量程达0～300 N·m, 测量精度优于实际值的7.5%。传感器能够满足空间六维力/力矩的测量, 具有量程大、解耦计算简单、安装调试方便等优点。

针对弹性体式六维力/力矩传感器存在的技术瓶颈, 提出了一种新型平板式压电六维力/力矩传感器。首先, 介绍了传感器的结构和工作原理, 提出了两种石英晶片组布置方案。然后, 推导了两种布置方案的传感器的数学模型, 并建立了有限元模型, 仿真得到了两种结构传感器输出的电荷灵敏度、维间干扰、固有频率等重要参数, 确定了石英晶片组相对合理的布置方式。最后, 对传感器进行了静态和动态标定。研究结果表明: 传感器结构简单合理、仿真分析方法和数学模型正确, 固有频率>25 kHz, 使用退耦矩阵后传感器的维间干扰<3%, 基本满足传感器的设计指标。