1、六維力/力矩傳感器是一種能同時(shí)感知三維力和三維力矩等空間全力信息的重要傳感器，它有六軸力傳感器、六維力傳感器、六分量天平等多種名稱(chēng)。六維力傳感技術(shù)在智能機(jī)器人控制系統(tǒng)、航空航天設(shè)備、武器裝備系統(tǒng)、交通承載工具、生物醫(yī)學(xué)工程、機(jī)械加工制造、互動(dòng)娛樂(lè)設(shè)備、MEMS加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)該，并在不斷擴(kuò)展。目前，已經(jīng)提出的各種六維力傳感器因測(cè)試原理和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原因，導(dǎo)致研發(fā)的六維力傳感器存在彈性體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度與解耦難易、高固有頻率與高靈敏度、彈

2、性體質(zhì)量大小與解耦難易程度等三大無(wú)法克服的瓶頸矛盾。此外，缺乏完善的六維力傳感器動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，制約著六維力傳感器的性能的提升和應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。因此，探索新型的六維力傳感方法，開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、能克服三大瓶頸矛盾的六維力傳感器，完善六維力傳感器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，研發(fā)實(shí)用的、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的、能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立加載的動(dòng)靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)是六維力傳感技術(shù)發(fā)展的必然要求。
　　 本文針對(duì)現(xiàn)有六維力傳感器研究中遇到的三大瓶頸矛盾，結(jié)合作用力動(dòng)態(tài)特性

3、和作用力空間位置信息實(shí)時(shí)測(cè)量需求，瞄準(zhǔn)彈射座椅人椅系統(tǒng)重心位置和動(dòng)態(tài)特性的實(shí)時(shí)測(cè)量、MEMS工藝微型六維力傳感器及多功能“人工皮膚”等領(lǐng)域的潛在運(yùn)用開(kāi)展了對(duì)平板式壓電六維力傳感器基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究。從研究生物皮膚多點(diǎn)觸覺(jué)傳感機(jī)理出發(fā)，創(chuàng)新性地提出多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的平板式壓電六維力傳感器的傳感原理，克服了現(xiàn)有六維力傳感器存在的瓶頸矛盾；運(yùn)用機(jī)理建模方法推導(dǎo)了傳感器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型、運(yùn)用ANSYS和SolidWork等軟件建立了傳感器的

4、物理模型，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，并研制了平板式壓電六維力傳感器樣機(jī)；研制了基于單維應(yīng)變式力傳感器和壓電式力傳感器的六維力靜、動(dòng)態(tài)兩用加載裝置；研制了傳感器信號(hào)預(yù)處理電路，開(kāi)發(fā)了六維力傳感器標(biāo)定及測(cè)量軟件，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。為開(kāi)展平板式壓電六維力傳感器系統(tǒng)的研究奠定了基礎(chǔ)，主要研究工作歸納為以下六個(gè)方面：
　　 (1)從敏感元件和轉(zhuǎn)換元件是否獨(dú)立存在的角度，提出了將六維力傳感器分為彈性體式和非彈性體式兩類(lèi)的分類(lèi)方法，歸

5、納了彈性體式六維力傳感器存在的三大瓶頸矛盾問(wèn)題，提出了其根源是敏感元件單獨(dú)存在的原因。
　　 (2)從研究生物皮膚多點(diǎn)觸覺(jué)傳感機(jī)理著手，結(jié)合基于MEMS加工工藝的特點(diǎn)，提出了基于壓電元件的多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)六維力傳感器設(shè)計(jì)思路，得到了八點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)的壓電元件最優(yōu)布局方案；結(jié)合石英晶片組布局方案設(shè)計(jì)了傳感器結(jié)構(gòu)，研究了傳感器加工制作的相關(guān)關(guān)鍵工藝，開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)新穎且工藝簡(jiǎn)單的新型六維力傳感器原型樣機(jī)。根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究分析了坐標(biāo)變換

6、、標(biāo)定誤差等因素對(duì)傳感器性能的影響，建立了平板式壓電六維力傳感器的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。
　　 (3)從研究傳感器的結(jié)構(gòu)著手，運(yùn)用材料力學(xué)知識(shí)，結(jié)合傳感器的實(shí)際使用狀況，首次運(yùn)用機(jī)理建模方法，建立了平板式壓電六維力傳感器的靜態(tài)靈敏度模型和動(dòng)態(tài)固有頻率模型，此模型可作為此類(lèi)傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)依據(jù)，為此類(lèi)傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 (4)根據(jù)傳感器的實(shí)際運(yùn)用工作狀況，運(yùn)用Solidwork、

7、ANSYS等大型軟件建立了基于ANSYS的有限元模型，研究了平板式壓電六維力傳感器的仿真方法，全面分析了傳感器樣機(jī)的靈敏度、靜態(tài)C矩陣、靜態(tài)維間耦合度、各向同性度等靜態(tài)特性和固有頻率、幅頻特性、動(dòng)態(tài)C矩陣、動(dòng)態(tài)維間耦合度等動(dòng)態(tài)特性。
　　 (5)結(jié)合傳感器的靈敏度和固有頻率的數(shù)學(xué)模型數(shù)字計(jì)算結(jié)果和ANSYS的仿真結(jié)果，開(kāi)展了對(duì)兩種模型求解結(jié)果一致性的評(píng)價(jià)方法研究，提出了用倍頻系數(shù)誤差評(píng)價(jià)兩種模型一致性的思想，印證了兩種模型的有效

8、性；結(jié)合基于機(jī)理建模方法得到的數(shù)學(xué)模型，討論了傳感器各個(gè)部件參數(shù)對(duì)傳感器靜態(tài)靈敏度和固有頻率的影響規(guī)律。
　　 (6)提出了基于平板式壓電六維力傳感器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，研制了傳感器動(dòng)態(tài)、靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備，建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器設(shè)計(jì)理論、基于機(jī)理建模方法建立的數(shù)學(xué)模型和基于ANSYS軟件的有限元仿真方法的正確性，分析得到了影響傳感器維間耦合的因素，推導(dǎo)了相關(guān)數(shù)學(xué)表達(dá)式。
　　 本文的研究工作為平板