基于薄板和伯努利-欧拉梁理论的六维力传感器动态特性分析.pdfVIP

第 27卷第 2期 安 徽 工 程 大 学 学 报 Vo1．27．NO．2 2012年 6月 JournalofAnhuiPolytechnicUniversity Jun．，2012 文章编号 ：16722-477(2012)02—0054—04 基于薄板和伯努利一欧拉梁理论的 六维力传感器动态特性分析 卫 然 ，张志才 ，许德章 (1．安徽-V程大学 先进数控和伺服驱动技术安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241000； 2．海军安庆市职业技术学校 ，安徽 安庆 246016) 摘耍 ：六维力传感器可 以测量三维空间内3个方 向上的力和力矩信息，在机器人感知和控制方面起着极其重 要 的作用．传感器的动态特性包括时域领域特性和频域领域特性．其 中，固有频率和模态振型特征是传感器频 率领域动态特性的重要参数．文章基于弹性力学 中薄板和伯努利一欧拉梁理论建立传感器各模块动态数学 模型，分析出各方 向一阶固有频率和主振型，为传感器动态特性领域深入研究提供理论参考． 关 键 词 ：六维力传感器 ；动态特性 ；薄板 ；伯努利一欧拉梁 ；固有频率 中图分类号 ：TH39 文献标识码 ：A 六维力传感器的发展始于20世纪 7O年代 ，我 国对这一领域的研究从 20世纪 80年代末开始 ．研究 初期 ，六维力传感器主要 由连续结构的弹性体组成，弹性体的敏感变形处是 由细杆或弹性梁构成 ，这种传 感器在耦合和精度上不能达到良好的性能 比．针对这一问题 ，中国科学院合肥智能研究所在以往研究经验 的基础上 ，设计出基于薄板和伯努利一欧拉梁结构的双E型六维力传感器 ，该传感器具有测量精度高、弹 性体耦合小、输 出线性度好等优点，已被大量采用．由于双 E型六维力传感器研发时间较迟 ，且不具备传 感器频域领域动态特性测量设备 ，该型号传感器 的动态模型、理论研究的模态特征值 尚未确立．本文根据 板壳和伯努利梁原理 中的节线、节 圆定理对该传感器 的固有频率和模态振型进行分析和研究，并利用 ANSYS软件进行实验论证 ，为今后在该领域内六维力传感器的研究提供参考． 1 六维力传感器结构和 电阻应变片贴片位置 1．1 六维力传感器结构 中科院合肥智能所具有 自主知识产权的超薄型双E型膜片的六维力传感器弹性体材料是 YLI2型硬 铝 ，该种材料的弹性模量为 72Gpa，密度为 2700kg／cm。，泊松比为0．3．本论文所涉及的传感器弹性体 由 双 E型梁组成 ，两 E梁中间通过实心圆柱梁刚性 连接，上 E梁 和 下 E 梁 中 的圆板 半径 均 为 100mm，厚度均为1mm．上 E梁中的 4个伯努利 一 欧拉梁的长度均为 20mm，宽度均为 8nlm，厚 主视图 俯视图 仰视图 轴测投影图 度均为 1mm．结构如图 1所示[】]． 图 1 六维力传感器结构 图 1．2 六维力传感器 电阻应变片贴片位置 传感器的电阻应变片贴片方式如图2、图3所 示．其中，图 2圆板竖直方 向上的 4个应变片构成 的组桥用于测量Nix方 向的力矩信号，水平方 向 上的 4个应变片构成的组桥用于测量 My方向的 图 2 上 E梁贴片 图 3 下 E梁 图4 传感器受力 力矩信号，伯努利 一欧拉梁左右两边的两队应变 贴片 坐标系 片用于测量Mz方 向的力矩信号；图3圆板竖直方向上的4个应变片构成的组桥用于测量Fy方向的力信 曼! 应变片构成的组桥用于测量Fz方向的力信号，45度角方向上的4个应变片构成的 收稿 日期 ：2011—12—18 基金项 目：国家 自然基金资助项 目；安徽省 自然科学基金资助项 目144) 作者简介 ：卫 然 (1985一)，男