（测试计量技术及仪器专业论文）新型机器人腕力传感器的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 机器人腕力传感器是机器人完成接触性作业任务的保障，也是遥操作机器人完成远程作业任务的保 障。遥操作机器人需要通过腕力传感器检测机械手与：e ：j = 境的接触力并反馈作用于机器人手部。使操作者 产生“身临其境”的力觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制。本文研制了一种用于 m o t o m a n s v 3 x 机器人的新型机器人腕力传感器。它能同时检测三维空间中的全力信息，输出力分 量反馈给机器人控制系统，以控制或调节机械手的运动，完成所要求的作业。 本文首先用有限单元法对腕力传感器的弹性体进行了结构静力分析和模态分析，计算了维阳j 耦合， 得到了固有频率，并对其结构设计的合理性做出了评价；设计组桥电路及前置放大电路，对腕力传感器 进行静态标定，得到了标定矩阵：用冲击响鹿法和阶跃响应法对腕力传感器进行了动态标定，计算出了 传感器的固有频率和阻尼比等动态性能指标：在动态标定的数据基础上，建立了传感器的动态数学模型， 分析其时频域特性，并对其进行了动态补偿。 关键间：腕力传感器有限元法静态标定动态标定动态特性 东南大学硕一h 学位论文 a b s t r a o t t h i sp a p e rp r e s e n t san e wk i n do fr o b o tm u l t i d i m e n s i o nw r i s tf o r c es e n s o r , w h i c hc a np r o v i d e6 d f o r c e m o m e n tv e c t o rf o rc o n t r o l l e rb ym e a s u r i n gt h ef o r c e m o m e n to ft h ew r i s ti nr e a lt i m e i nt h i sp a p er ，a f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rt h ee l a s t i cb o d yo ft h es e n s o ri sm a d ef i r s t l y t h es t r u c t u r ea n dm e a s u r e m e n t p r i n c i p l eo ft h e s e n s o rh a sb e e ns t u d i e dt h ep a p e rc a l c u l a t e saf i x e dq u a n t i t yo fs t a t i cc o u p l eu n d e rs i x c o m p o n e n t s w i t ht h er e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o nm o d e l ，a n da p p r a i s e st h er a t i o n a l i t yo ft h e s t r u c t u r a ld e s i g nt h e nt h es e n s o ri sc a l i b r a t e da n dt h ec a l i b r a t i o nm a t r i xo fs e n s o ri sw o r k e do u t b yt h i sw a y , w ec a nl e a r nt h er e l a t i o nb e t w e e ns t r e n g t hi n p u ts i g n a la n dv o l t a g eo u t p u ts i g n a l i no r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e n s o las e r i e so fi m p u l s ee x p e r i m e n t sa n ds t e p e x p e r i m e n t sa r ed o n eo nt h es t a t i c c a l i b r a t i o nd e v i c e f r o mt h er e s p o n s ec 1 l r v c ，t h ed y n a m i c p e r f o r m a n c ei n d e x e s a r eo b t a i n e d ，i n c l u d i n gt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dd a m p i n gr a t i o o nt h e b a s i so fd y n a m i cc a l i b r a t i o nd a t a ，i t sd y n a m i cm a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e d b e c a u s et h e d a m p i n gr a t i o o ft h es e n s o ri sl o w ，ad y n a m i cc o m p e n s a t e dd i g i t a lf i l t e ri sd e s i g n e d ，w h i c h s h o r t e n st h ed y n a m i cr e s p o n s et i m eo fw r i s tf o r c e s e n s o ra n dw i d e n st h ew o r kb a n d w i d t h e v i d e n t l y k e y w o r d s ： w r i s tf o r c es e n s o r f i n i t ee l e m e n tm e t h o d s t a t i cc a l i b r a t i o n d y n a m i c c a l i b r a t i o n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s 查堕奎兰堡：! = ：兰垡堡苎。 学位论文独创声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名泰夤 嘲2 0 0 4 3 东南大学碗j 一学位论文 关于学位论文使用授权说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档可醴采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本入电子文档薛内容和纸质论文的内容楣一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查n s n 借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签 名压煞一名：蕉独黏舭。0 4 3 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 当前，机器人的发展已进入智能机器人时代。智能机器人虽重要的特征之一就是配各有能够将蒯围 环境各种信息及时反馈给机器人控制系统的较为齐全的传感器，机器人腕力传感器就是一类重要的机器 人传感器。随着工业机器人和遥操作机器人的广泛应用，将需要大量的机器人传感器，而机器人腕力传 感器则是机器人完成接触性作业任务的保障，也是遥操作机器人完成远程作业任务的保障。遥操作机器 人需要通过腕力传感器检测机械手与环境的接触力并反馈作用子机器人手部，使操作者产生“身临其境” 的力觉临场感效果，从而实现对机器人带感觉的控制。 国外早在七 年代初期就已经将腕力传感器应用于机器人中，美国的l o r d 公司、j r 3 公司和日本 的口立公司等都有产品供应。国内最典型的产品是由中科院合肥智能所、东南大学和哈尔滨工业大学在 国家高技术“八六三”项目资助下完成的s a f m s 型系列传感器。这些传感器产品从原理上讲，均采用应 变测力方法在一些机器人领域已经得到了应用。但是这类传感器的尺寸较大，重量较重，当它们安装 在机器人上随机器人运动的过程中，机器手运动速度加快以后，其各部分产生的惯性力也比较大。对于 力觉传感器收到的信号来讲，这种惯性力作为噪声混入的比重也增大，不将它分离出来，实现机器人的 高速运动是4 i 可能的。虽然有一些文献提到了分离惯性力的方法。还目前没有什么很有效的方法能在实 际操作中分离惯性力。因此，为减小惯性力，从减小腕力传感器的尺寸和重量上着手应是一种比较有效 的方法。 1 手爪法兰盘2 外壳3 g i 线孔 图1l 新型机器人腕力传感器外形图 奉课题来源于国家八六三高技术项目远程操作机器人的智能控制技术及其手控器研究，该项目 构建了基于1 三控器、汁算机网络和m o t o m a n s v 3 x 型t 业机器人的具有力觉临场感的遥控机器人实验平 台完成了远程的抓取、移动和放置等典型作业任务。浚实验平台中检测机械手与环境的接触力并反 馈作用于机器人于部的任务由本课题研制的一种新捌机器人腕力传感器完成。该传感器外形如图1 1 所示。传感器外壳直径6 8 m m ，高度3 6 m m ，整个传感器净重5 0 0 9 。该传感器采用应变测力方式，弹性体 为十字梁结构( 见图21 ) 。它安装在机器人腕部与机器人手爪之问，能同时检测三维空间中的全力信息， 输出力分景反馈给机器人控制系统，以控制或调节舸l 械手的运动，完成所要求的作业。与s a p m s 型腕力 传感器相比尺寸和总量均大为减小，而精度并未降低，完全满足机器人力控制的需要。 东南大学硕士学位论文 该传感器达到的主要技术指标如下： 量程：力o 2 k g ，力矩0 l o k g m m 精度：1 f s ： 分辨率：0 2 f s 。 1 2 研究意义 图1 2t 作中晌腕力传感器 机器人腕力传感器的弹性体是应变式传感器的核心部件，国内外腕力传感器的发展多体现在弹性体 结构的多样化上，为了进一步提高传感器的性能，以满足不断发展的机器人力控制的要求，全面深入的 认识弹性体晌力学行为有十分迫切的必要。近年来，刈弹性体的力学行为( 主要是静力特性) 开展了一些 研究t 作，但在结构简化、模型建立等方面仍有值得商榷的地方。对于多维腕力传感器，山于转换原理、 机械结构、加工精度和贴片等工艺的因素，传感器备通道之间存在耦合，这种耦合很难用经典的解析法 描述，而采用实验的方法常常会受到实验条件的限制为此，采用有限单元法进行结构分析、评价弹性 结构性能，己成为一种 一分有效的手段，也是进行传感器结构实用设计的重要环节。 腕力传感器是智能机器人中最重要的传感器之，作为力反馈控制系统中的检测元件要能迅速反 映力和力矢| ! 的变化，应具有良好的动态特性。腕力传感器动态特性的好坏极大地影响着机器人系统的整 体性能，因为如果腕力传感器的动态性能l ；佳，就无法快速、准确地反映被测力和力矩的变化，从而使 整个机器人系统4 i 能正常工作。而当前国内外生产的腕力传感器，其动态性能都难以满足机器人力控制 的要求，这是由于腕力传感器系统的阻尼比很小，自山振荡频率很低，空载时为几百赫兹，加载后可能 低到几十赫兹，冈此很难反映突变性力信号的作用从而造成机器人控制上的失误“1 。随着机器人从低 速向高速运动发展。腕力传感器动态性能的提高已是一个急需解决的问题，一旦腕力传感器具有了优良 2 筇一章绪论 的动态性能，机器人系统就会向着更快更好的方向发展。 虽然国外对腕力传感器的研究在上个世纪七十年代就开始了。但是列于动态特性的研究工作做的很 少。国外文献中，动态特性的研究论文很少见，有关腕力传感器的动态指标也不能尽如人意。而国内对 腕力传感器的动态特性所做的研究工作正在丌展起来国内研制的腕力传感器在动态性能方面尚有较大 的改进余地。所以提高腕力传感器的动态品质是扩大其应用范围，具有非常重要的意义。 1 3 论文所做主要工作 奉论文所做的主要工作是研制了一种用于m o t o m a n s v 3 x 型工业机器人的新型机器人多维腕力传感 器，并剥其进行了一系列的研究，具体内容如下： ( 1 ) 新型传感器的设计 根据机器人力控制的需要，设计腕力传感器结构、尺寸，重点在于弹性体，难点在于将十字弹性梁、 浮动梁做成一体化并易于安装； 刑弹性体进行有限元结构静力分析和模态分析分析其力学特性以及维问耦含情况： 确定贴片方式并设计组桥电路和前置放大电路，将其固定在传感器外壳内。 ( 2 ) 传感器的静态标定 对腕力传感器做静态标定实验，求出标定矩阵。静态标定后应该能确定输出数字信号与输入力信号 之间的对应关系： 软件方面需要编写数据采集程序。用数据采集卡埘模拟信号进行采集处理，完成后级放大、滤波以 及a d 转换：编写静态标定软件，实现功能包括：零点修正、测量结果显示、数据存储、计算解耦矩阵 及传感器标定等。 ( 3 ) 动态特性的研究 1 ) 动态标定 埘腕力传感器进行动态标定，采用冲击响应法和负阶跃响应法，求出固有频率和阻尼比等动态性能 指标。 2 ) 动态特性的研究 时域建模和频域分析。利用动态标定数据，采用时域建模的方法建立腕力传感器的动态数学模型， 划其时域动态性能做出评价。采用频谱估计方法，埘腕力传感器进行频域分析。 动态补偿。针对腕力传感器阻尼比较低的缺点，设计动态补偿器，观察补偿效果。 东南大学硕士学位论文 第二章新型机器人腕力传感器弹性体的有限元分析 机器人腕力传感器的弹性体结构设计是影响传感器性能的核心技术，弹性体的设计好坏直接影响到 传感器的各项指标。机器人腕力传感器弹性体的结构一般都比较复杂，由于设计原理和制造加工误差等 闲素的影响，使得传感器各输出通道之间存在着耦合。经典的解析法难以精确分析并描述这种耦合关系， 通常采用实验的方法来进行标定，受实验设备条件的限制，标定的结果往往不够精确。 近年来借助于具备高速运算能力的计算机应用数值模拟方法来对传感器进行分析已经被广泛采用， 其中利用有限单元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 简称f e a ) 进行结构分析是一种十分有效的手段，本章 将用有限元分析软件a n s y s 对我们所研制的新型机器人腕力传感器的弹性体进行有限元分析，研究其 力学特性。 2 1 有限单元法的原理 有限单元法是在具备高速计算能力的计算机应用日渐普及，同时数值分析在工程中的作用i ：1 益增长 的背景下发展起来的。有限单元法的分析步骤d i 如下： 首先，假想把连续体分割成数目有限的小单元，彼此间只在数目有限的节点处相互连接组成一个 单元的集合体以代替原来的连续体：同时在节点上引进等效力以代替实际作用于单元上的外力。 其次，划于每个单元根据分块近似的思想，选择一个简单的函数来近似的表示其位移分量的分布规 律，并按弹、塑性理论中的变分原理建立单元节点力和位移之问的关系。 最后，把所有单元的这种特性关系集合起来，就得到一组以节点位移为未知量的代数方程组，山这 个方程组就可以求出物体上有限个离散节点的位移分鼍。 由以上可以看出，有限单元法与经典的解析法爿i 同，它实质上是把具有无限个自由度的连续体理想 化为只有有限个自由度的单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构型问题。因此，只要确定了 单元的力学特性，就可以按结构分析的方法来求解，使得分析的过程大为简化。如果对物体的划分达到 一定的精度，有限元分析得到的结果的精度可以相“的高。 有限单元法具有很多优点其中主要的优点有：( i ) 概念浅显，易于掌握：( 2 ) 具有很强的适用性， 这是冈为1 一程中很多问题可以转化为微分方程来描述：( 3 ) 采用矩阵形式的计算表达，便于编制计算机 稗序。有限单元法的这些优点是显而易见的，因为离敞后的单元都是性态容易了解的标准单元，可以为 每个单元建立独立方程，并可用有限个参数加以描述而整体结构是由有限个数目的单元所组成的。将 有限个单元的方程汇集起来，称作单元的组集或集合；也可以用有限个参数来描述，其基本方程是一个 代数方枵组。从数学角度来讲，就是把微分方程的连续形式转化为描述等效集合体性态的代数方程组， 以便于进行数值求解。 总的来说，有限单元法是一种用于解决常微分方程和偏微分问题的数学方法。如今有限元分析某种 程度上已经取代了物理实验来评估一个产品的设计是否合理，因为物理实验相对来说要付出更大的人力 和物力，l 而得到的结果甚至不如有限元分析来得精确。 2 2 大型有限元分析软件a n s y s 介绍 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元 ( f e a ) 分析软件”l 。它可广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、 4 第二章新型机器人腕力传感器弹性体的有限元分析 国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻 i 、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。 该软件具有友好的图形界面和程序结构，交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户在实际工 程问题中创建模型、有限元求解以及结果分析和评价的工作量。它的统一集中式的数据库保证了各模块 之间的有效可靠的集成，同时还提供了与a u t o c a d 、p r o e 等多种c a d c a e 软件的接口。 用a n s y s 剥结构进行静力学或动力学分析包括以下几个主要步骤： ( 1 ) 创建有限元模型 1 ) 创建或读入有限元模型 2 ) 定义材料属性 3 ) 划分网格 ( 2 ) 施加载荷并求解 1 ) 施加载荷及设定约束条件 2 ) 求解 ( 3 ) 查看结果 1 ) 台看分祈结果 2 ) 检查结果是否正确 本章将按照以上分析步骤进行分析计算同时将划这些步骤做更详细的说明和介绍。 2 3 腕力传感器弹性体有限元模型的建立与计算 2 3 1 有限元分析模型的建立 中心台2 十字弹性粱3 浮动粱4 底座 图2 1 腕力传感器弹性体结构简图 本课题研制的新型腕力传感器弹性体结构如图2 1 所示。_ 卜字弹性梁和四根垂直浮动梁组成力敏 元件，浮动粱与圆环形底座刚性连接实现一体化。它能够检测三维空间的全力信息，力和力矩通过固定 在中心台上的法兰盘传递给弹性粱。整个弹性体是作为整体用硬铝合金一次加工成型的，刚度好，灵敏 度高，其材料参数和结构参数见表2 - 1 、2 - 2 。 表2 - 1 弹性体材料参数 牌号弹性模量e ( p a )泊松比口 密度p ( 培m 3 ) l y l 27 2 1 0 90 3 3 2 7 8 1 0 东南大学硕“l 。学位论文 表2 - 2 弹性体结构参数( 单位：m m ) 十字弹性粱浮动粱 中心台 中心孔中心台螺孔 底座 长度 5 6 ( 工)7 ( ，)1 4 宽度 4 5 ( b )4 5 ( 6 ) 1 4 厚度 4 5 ( h )i 3 ( h ) 95 直径 82 5 5 4 ( 内径) 、6 4 ( 外径) 高度 9 59 53 在建立弹性体实体模型时可以从程序外部导入模坦。a n s y s 支持从a u t o c a d 、p r o e 等主流建 模软件中导入结构模型，这对结构复杂的模型很有都助，但是不利于控制网格划分精度。另一种建模方 法是利用a n s y s 自带的建模模块，也能基本满足各种不同结构模型的需要，控制网格划分较为容易 但是对于结构复杂的模型建模过程根繁琐。本课题对刚格划分的要求很高，因此采用的是后一种方法。 三维空间模型可以喜接在a n s y s 里采用由上至下的方法建立，相应的点、线、面将自动生成。 将实体模型转化为有限元分析模型需要划分网格。a n s y s 提供了划分单元体网格所用的上百种单 元，可以根据具体需要选择不同的单元，对结构的不同部位进行精密或粗疏的划分。单元类型选用 a n s y s 提供的s o l i d 9 5 高精度实体单元。这种单元适用于弯曲模型分析，每个单元由2 0 个节点组成， 而每个节点又有3 个自由度，即x 、y 、= 方向上的平移自由度。该单元的几何特性、节点位置及坐标系 如图2 2 所示。 图2 2s o l i d 9 53 - d 高精度实体单元 单元州格划分要兼顾计算精度、容量和速度。单元越小，网格越密，汁算结果就越精确，但是剥计 算机容量和时闻的要求也越大。这里采用智能网格划分控制( s m a r t s i z e ) ，选择划分精度后由a n s y s 自动划分，其中对r 字弹性粱再进行了精确划分。最后得到的有限元模型如图2 3 所示，共有4 9 7 2 0 个节点，2 8 2 3 1 个单元。 图2 3 弹性体有限元模型图 6 釜簿蓼 第二章新型机器人腕力传感器弹性体的有限元分析 2 3 2 施加载荷及求解 ( 1 ) 约束设置 弹性体是通过底座的8 个螺钉固定在传感器外壳内的，它们之间可以认为是刚性连接，将底面的全 部自出度设置为零。 ( 2 ) 施加集中力力矩 根据传感器的测力要求与实际受力情况，可以确定6 种典型的受力工况： 通过坐标原点，沿x 方向作用于十字弹性粱的集中力晟 通过坐标原点，沿y 方向作用于r 宁弹性粱n 勺集中力n 通过坐标腺点沿z 方向作用于十字弹性粱卉勺集中力尼 通过坐标原点，绕z 方向作用于1 一字弹性梁的力矩m z 通过坐标原点，绕x 方向作用于十字弹性粱的力矩m x 通过坐标原点，绕y 方向作用于十字弹性粱的力矩m y 这里的坐标原点设定在中心台的中心位置。出于弹性体结构对称，风、毋一和m x 、m y 作用下的弹 性梁变形及应变状况相似，所以这里只对即、n 以及m z 、m x 进行分析。 分别在中心台的相应位置施加单维力和单维力矩设定沿坐标轴正方向的力为正，力矩的方向用右 手定则判定。进行求解，然后就可以得到弹性体整体变形状况以及我们所关心的节点处的应变，通过应 力、庇变等值线或曲线图，就可以了解应力、应变的分布状况。当弹性梁某一面被拉伸时，该面节点的 应变为正；被压缩时节点应变为负。在弹性粱上选择1 6 个点作为分析节点，它们分别对应着所贴应 变片的中心位置，其分布及应变片敏感方向如图2 4 和表2 3 所示。 正面 图24 有限元分析节点分旆 v l 反面 表2 - 3 有限元分析节点对应应变及敏感方向 节点序号应变序号 应变敏感方向节点序号应变序号 应变敏感方向 i8 4 j i x3 7 ij q 0 x 18 2 s 2 x3 6 8 j 1 0x 1 9 5 如c x3 6 6 j l i x 1 8 7 s dx4 0 1 5 1 2 x 2 5 3 5 5 y 4 9 i n 3 y 2 9 5 3 6 e y 4 8 8 j 1 4y 2 4 7 s y 4 8 6 s 1 5e r 2 5 0 s 8 e y 5 1 5 s 1 6e y 7 东南大学硕j ：学位论文 对应图2 4 的节点分布，理想的力和力矩的表达式为式( 2 1 ) ，各维力与力矩互不干扰，其中k 如，是腕力传感器标定时确定的大于零的常系数。 f = ( f x ，f y ，f z ，m x ，m y ，m z ) 7 k ，( s 6 + s ，4 一s 8 一s 6 ) 2 ( s j + s 一s l s m ) 七j ( j ，+ s j + j ，+ s 打一s 3 一j 7 一s ，一s ? j ) k 4 ( s j + s 一s 7 一s 1 3 ) k j ( s j + s 9 一s ，一s ，) k ( s j + s r + s ，o + s ，一s ? 一s 6 一s ”一s ，6 ) 2 4 计算结果与分析 2 。4 1 结构静力分析 ( 1 ) 毋= 2 0 n 图2 5 弹性体变形图c f y = 2 0 n ) ( 2 1 ) 图2 5 为弹性体在受到单维力f y 作用时的变形图。方向的弹性梁o a 、o c 和y 方向的浮动粱发 生弯曲变形，x 、y 方向的应变分别用船、t 庳示，各分析节点在对应应变片敏感方向的应变如表2 - 4 第二章新型机器人腕力传感器弹性体的有限元分析 所示。 表2 4 毋作用下节点应变( 单位：微应变) 18 4 ( s 一) 18 2 ( 5 2 ) 1 9 5 ( s 3 )1 8 7 ( s 4 ) 3 7 1 ( “) 3 6 8 ( o l o )3 6 6 ( 研1 )4 0 i ( 5 i2 ) x 0 2 97 4 0 603 97 4 0 31 0 7 7 3 8 20 4 87 3 8 4 2 5 3 ( s 。) 2 9 5 ( 5 6 ) 2 4 7 ( s 7 ) 2 5 0 ( 砘)4 9 1 ( s 1 3 )4 8 8 ( 5 1 4 )4 8 6 ( 3 i5 ) 5 1 5 ( 3 1 6 ) y 2 3 94 1 02 4 54 0 22 2 94 0 52 1 44 0 4 由表中可以看出弹性梁o a 、o c 侧面关键节点x 方向的应变最大，s 2 、s i o 为负说明该面受压， 而s 。、s 。：为正则说明该面受拉，拉应变和压应变数值相近，这是由弹性体的对称结构决定的。o a 、o c 梁正反面侧弯，节点的应变都很小。 】，方向的应变5 5 、s 6 、j 7 、5 8 与节点s l3 、s 1 4 、。ms 1 6 的符号相反，说明y 向弹性梁o b 被压，o d 被拉但由于此时浮动梁的弯曲变形远大于主梁的变形，可以认为梁o a 、o c 只传递力而不发生变形， y 向浮动梁可以看成是一个理想的柔性梁。 单维力几，作用时最大维问干扰值为：s 6 s l o = 41 7 3 8 2 = 5 5 6 ，可以忽略不计，此时： j ( 0 k 2 0 0 0 d f h x , f y , 。f z 吨, i d x , m y ，, m z s 广( s j + s ，j 一如一埘) i 眇可以通过检测y 向弹性粱侧面的应变而获得。 ( 2 ) f z = 2 0 图2 6 弹性体变形图( f z = 2 0 n ) ( 2 2 ) 如图2 6 所示：方向的力引起十字弹性梁竖赢方向上的弯曲变形，此时的浮动梁不再是柔性梁 而是弹性支撑梁，各分析节点在对应应变片敏感方向的应变如表2 - 5 所示。 - 9 东南大学硕一| = 学位论文 表2 - 5f z 作用下节点应变( 单位：徽应变) 1 8 4 ( j ) 1 8 2 ( s ，) 1 9 5 ( s 3 ) 18 7 ( “)3 7 1 ( j o ) 3 6 8 ( 5 i o )3 6 6 ( s 1 1 )4 0 i ( 5 1 2 ) x 7 6 1 61 2 0 - 7 1 9 4 1 3 07 4 2 00 8 17 4 6 61 1 7 2 5 3 ( 3 5 )2 9 5 ( 3 6 ) 2 4 7 ( j ，) 2 5 0 ( s 8 )4 9 1 ( $ 1 3 )4 8 8 ( 5 1 4 ) 4 8 6 ( j i5 ) 5 1 5 ( 3 1 6 ) e y 7 3 7 5 1 1 6 7 5 0 7 0 9 77 4 。8 51 】6- 7 2 。8 81 2 7 凡作用下r 字弹性梁正面受拉，节点应变s l 、s 5 、5 9 、s 1 3 全为正值：反面受压节点应变曲、s ，、 s 、s ，；全为负值。正反面8 个节点的应变远远大于侧面节点的应变。 单维力尼作用时，最大维间干扰值为：s 3 = i 2 7 7 1 9 4 = 1 7 7 ，任何方向的干扰都接近0 ，因 此维问干扰也可忽略不计，此时： f = t f x ，f y ，f z ，m x ，m y ，m z ) t 0 0 k j ( j ，+ s j + s 9 + s j j j s 7 一s i i o d 0 n 可以通过检测十字弹性梁正反面的应变而获得。 ( 3 ) m z = 2 0 4 5 v - m m 图2 7 弹性体变形图( m z = 2 0 4 5 n m m ) - 1 0 ( 2 3 ) 第二章新型机器人腕力传感器弹性体的有限元分析 表2 - 6m z 作用下节点应变( 单位：微应变) 18 4 ( s ，) 1 8 2 ( 5 ，) 1 9 5 ( 旬) 1 8 7 ( s d ) 3 7 1 ( j 9 )3 6 8 ( 5 i o )3 6 6 ( s 1 1 )4 0 1 ( s 1 2 ) 【 船 0 0 21 3 8 4 0 o l1 3 8 3 0 1 9 1 3 7 70 0 81 3 _ 8 2 2 5 3 ( s ；) 2 9 5 ( )2 4 7 ( n )2 5 0 ( 她) 4 9 1 ( 3 1 3 ) 4 8 8 ( j 1 4 ) 4 8 6 ( 3 i5 )5 1 5 ( 0 1 6 ) y 0 0 9一1 3 8 4- o 0 61 39 1o 0 31 3 5 5- o 0 21 36 0 弹性体在受到绕：方向的力矩作用时，卜_ 字弹性梁发生绕z 方向的扭转，此时的浮动梁也是弹性支 撑粱。各关键节点在对应应变片敏感方向的应变如表2 - 6 所示。十字弹性梁侧面的节点应变远大于正反 面节点的应变，同一方向的弹性梁侧面应变以中心台为分界：s 2 、s e 、5 1 2 、5 1 6 为负，该侧受压：趴s s 、 s ms 1 4 为正该侧受拉。 单维力矩m z 作用时，最大维间干扰值为：8 9 j 1 4 = o 1 9 1 3 5 5 = 1 4 0 ，因此维间干扰可忽略_ i 计， 此时： f = ( f x ，f y ，f z ，m x ，m y ，m z ) m z 可以通过检测十字弹性梁侧面的应变而获得。 ( 4 ) m x = 2 0 42 5 m m 图2 8 弹性体变形图( m x = 2 0 4 2 5 n , m m ) 表2 7m x 作用下节点应变( 单位：微应变) ( 2 4 ) 18 4 ( s i )l8 2 ( s 2 ) 1 9 5 ( s 3 ) 1 8 7 ( “) 3 7 1 ( j o ) 3 6 8 ( s l o )3 6 6 ( s l i )4 0 1 ( 5 l2 ) g xo6 7 30 80 6 03 1 40 7 5 3 0 00 7 231 l 2 5 3 ( s ；)2 9 5 ( s 6 ) 2 4 7 ( s ，) 2 5 0 ( 地)4 9 1 ( )4 8 8 ( $ 1 4 ) 4 8 6 ( s 1 5 )5 1 5 ( 0 1 6 ) e y 2 59 6 0 2 4 2 8 1 2 02 52 6 8 6，0 2 12 5 9 60 2 0 m x 作用时，十字弹性梁发生绕x 轴的转动。x 向弹性梁发生扭转，但梁上节点应变都很小。y 向 lfll；“=i 6 j一 ? 占一 6 占一 ? s j j+ o s+ r s+ j s ( 6 d d d 0 d 东南大学硕j 二学位论文 弹性粱正反面节点应变较大，侧面节点应变很小，以中心台分界，o b 、o d 段节点应变相反，s ，、s 。， 为正，j 7 、s 】3 为负。 单维力矩m x 作用时，最大维问干扰值为：s j s l5 = 3 1 4 2 5 9 6 = 1 2 。这个维问干扰不能忽略，必 须采取补偿措施。将m x 的输出缸( j ，+ s - s - s ，一s 1 3 ) 乘以一个系数以后加到母的输出上去以起到补偿 的作用一此时： f= ( a ，砂，尼，m x ，m y ，m z ) 7 o k 2 ( s 4 + j 1 2 一j 2 一s i o ) 一k 7 ( s 5 + s l5 一j7 一s l3 ) o k 4 ( s 5 + s l5 一s7 一s l3 ) 0 o 0 o o k 4 ( + s j 5 一s 7 一s 1 3 ) o o 岛为补偿系数，在标定时确定。此时m x 可以通过检测y 向弹性梁上下表面的应变而获得。 2 。4 2 强度、刚度的校核 ( 2 5 ) 单维力或力矩加载时弹性体上的最大庇力和壤大挠度也可以通过有限元分析求出，结果列于表 2 - 8 。弹性体材料l y l 2 的屈服极限为晖= 3 6 0m p a ，满量程的单维力力矩作用下，该腕力传感器强度 足够，基本上消除了约束带来的不利影响，刚度性能也满足要求。 表2 - 8 单维力作用下弹性体强度、削度校核 弹性体上最大应力最大挠度 f k = 2 0 4 7 1 俨口9 0 2 加7 f z = 2 0 2 04 m p a6 6 0 船 m z = 2 0 4 5 n m i t t3 4 7 m p 80 6 5 埘， m x = 2 0 4 2 5 nm m2 0 3 俨n1 1 8 埘 2 4 3 模态分析 模态分析在动力学分析过程中是必不可少的个步骤。模念分析用于确定设计机构或机器部件的 振动特性( 固有频率和振型) 即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数， 同日i j 也可以作为其他动力学分析问题的起点”。进行模态分析的目的在于： 1 可以使结构避免共振或以特定频率进行振动； 2 可以使设计人员认识到结构对于不同类型的动态载荷是如何响应的； 3 有助于在其他动力学分析中估算求解的参数。 模态分析由四个主要步骤组成：建模、加载及求解、扩展模态、结果后处理。对图2 1 所示的有限 元模型进行模态分析，用l a n c z o s 算法计算出弹性体同有频率与振动模型，模态分析的具体算法可以参 阅相关文献”j ，这里只给出模态分析的结果。图2 9 给出了前6 阶固有频率和振型特征。 可以看到，前6 阶固有振型特征反映了弹性体在受到单维力作用时的变形状况，各阶固有频率对应 于腕力传感器各个方向上的固有频率。由于结构与约束的刑称性第一阶、第二阶以及第五阶、第六阶 固有频率相等振型相似。由于力传感器在实际使用中必须安装固定，而安装固定时所用的部件都是具 有一定质量的弹性体，如螺钉、法兰盘。因此，在受到动态力激励后，传感器的响应输出应为其本身的 - 1 2 第二章新型机器人腕力传感器弹性体的有限元分析 相对运动与连接部件牵连运动的组台。由于传感器本身的惯性力与连接部件的惯性力之问相互作用的结 果，使传感器的固有频率急剧下降，从而造成其安装频率低于其固有自由振荡频率嗍。模态分析的结果 仅能作为参考数据，这是一个在实际工程测量中值得注意的问题。 1 阶频率：4 5 9 9 h z 沿x 轴的平动】，向弹性粱弯曲较大 3 阶频率：5 2 4 6 h z 沿：轴的平动，弹性粱弯曲较大 5 阶频率：1 4 7 8 1h z 绕x 轴的转动 2 阶频率：4 6 7 4 h z 沿y 轴的平动，z 向弹性梁弯曲较大 4 阶频率： 绕：轴的转动 1 1 3 0 2 胞 浮动梁侧弯 6 阶频率：1 4 8 1 7 h z 绕y 轴的转动 图2 9 弹性体前6 阶固有振型 东南大学硕一 学位论文 2 5 本章小结 经过有限元分析，根据式( 2 2 ) - ( 2 5 ) ，可以得出结论，风、毋、尼单维力和m z 作用于弹性体时， 维间干扰均小于6 ，m x 、m y 作用时虽然有维i d i - t - q 尤, ，但只需要经过经过简单的差分运算( 利用运放 电路或软件计算) 作少量补偿，就可得到各维力和力矩信号输出，完全满足该传感器实际使用的需要。 反复计算后，维问耦合的计算结果极为近似，数值结果与材料力学理论推导中的大致变化趋势相同，这 些说明j ，有限元计算的可靠性，它是评价弹性结构性能的有效手段，是进行传感器结构实用设计的重要 环节。 1 4 - 第三章腕力传感器的硬件系统与静态标定 第三章腕力传感器的硬件系统与静态标定 3 1 腕力传感器的硬件系统 3 1 1 腕力传感器的系统组成 腕力传感器的硬件系统通常由传感头和信号处理两部分组成。传感头部分由弹性体、测量电桥和前 级放大电路组成用于完成力信号的产生和胁级放大：信号处理部分包括后级放大、滤波、信号采样保 持、a d 转换以及进行系统控制、计算和联机通讯的微机系统。对于不同的应用场合，系统结构会有所 不同。奉课题中的腕力传感器系统框架如图3 1 所环，它具备以下功能及特点：( 1 ) 对传感器输出的 微弱信号进行放大、滤波处理：( 2 ) 将各路信号解耦，得到实际力信号；( 3 ) 能方便地与各类机器人和 主控机连接。 腕力传感器手爪 3 1 2 结构特点及设计原理 一一廛警粤塑芝一一一一一一一一一一一 图3 ，1 腕力传感器系统图 1 一字梁型腕力传感器在其每根弹性梁的正反面和两个侧面各贴有一对应变片，共有1 6 个应变片， 图3 2 是腕力传感器的应变片分布图。采用内侧贴片方式，应变片贴在卜字梁靠近中心台的部位。贴片 位置选择的原则是灵敏度高，有较大的分辨率，维问干扰较小。 lv l i _ f 面布片反面布片 图3 2t 字弹性梁的布片图 东南大学硕i ：学位论文 由前一章的分析可知，f x 、黟和m z 的作用引起贴在主梁侧面的应变片变形而m x 、岣，和f z 的 作用时则引起贴在主粱正反面的应变片变形。图3 3 是腕力传感器的一个组桥图，r 】、r 3 为应变片电 阻t 固定电阻r m 心- 和电位器r y l 组成调零电路，共有8 组这样的桥路。经差动放大器o p 4 9 7 放大 后输出八路电压信号v l 、n 1 蚝1 数据采集卡采集这八路信号然后对其进行分析处理。弹性体受 力后，各路输出信号发生变化，对其解耦即得备维力分量。 e 图3 3 腕力传感器的组桥 这种桥路具有以下优点： ( 1 ) 由于电路差动放大，所以其灵敏度较高，佩漂和蠕变所引起的微应变可以通过桥路得q 抑制 因此桥路稳定性较好； ( 2 ) 州维阃干扰的抑制作用好： ( 3 ) 采用差动信号传输两级地电位差和外界干扰是共模干扰，因此传感器的抗干扰能力较强。 本传感器中应变片采用中原电测仪器r 生产的传感器用应变片，它是一种用于铝为敏感体的应变 片，其尺寸为4 r a m 4 5 m m ，初始电阻值3 5 0 口，灵敏系数2 1 3 ，应变极限2 。当传感器受到外力 和外力矩作用时。刑应应变片产生变形。应变片受拉伸时，阻值增大；受压缩时，阻值减小。若用月n r 二、月名、月j 。月0 、r j ：分别表示受只、0 、足、 4 、蝎、必作用时相应应变片阻值变化量的绝对值， 月。为初始电阻值，设备维力和力矩的方向都是正方向，则有： r l = j r o + r 丘一r 。r 2 = r o r 肛一r 柑 r ，= r 。+ r ：+ 尺：。r 。= r 。+ r ：一r ： r 。= r 。+ r j + r 0r ，。= r 。一只j + r ： r l3 = r o + r 店一r 眦r 1 4 = r o + r + r 眦 f = ( f x ，f y ，f z ，m x ，m y ，m z ) 7 t l ( 兄6 + r 1 4 一r 8 一r 1 6 ) k 2 ( r 4 + r l2 一r2 一r l o ) 3 ( r l - t - r 5 + r 9 + r l3 一r 3 一r 7 一r 1 1 一只15 ) k 4 ( r 5 + r l5 一r 7 一r 1 3 ) k 5 ( r 3 + r 9 一r l r 1 1 ) k 6 ( r 4 + 只8 + r l o + r 1 4 一r 2 一r 6 一r 1 2 一r 1 6 ) 其中k ，一k 。为标定时确定的常系数。 - 1 6 - r 4 = r o + r f y + r m ： 咫= r 。一r + r 。 r 1 2 = r o + r 口一r 。： r 1 6 = r o r 一r 。 ( 3 1 ) 鼬肪如跏 + 一 一 + 盘丘扛后 尺，足月r 一 一 一 一 岛廊舶舶 = = = = 瓜廊巾如 兰三兰j 堕垄堡堕壁堕堡竺墨竺兰堂查堑塞 与式( 2 1 ) 比较，对于电阻应变计，l a r r o = k 。p ，疋为灵敏系数，占为轴向应变，可以得到 k ，= t “j | r 。碣)( f = 1 ，6 ) 应变片输出电压的计算公式如下： _2熹e=墨十面er r2 ( “，) 1 i+32 r n “” 2 志点= 墨+ 瓦e ( - r f y - r 。2 ) r + r22 r n 。 7 2 击rr 肚墨2 + 去2 r ( r 俐。) 7+5n ”“ _ 2 熹r 肚墨2 + 焘2 r _ “一) 6 + r 8n 、“” v 5 = r 。+ re；旦+一e(一只口rmy)22 r o 、 。 ， e ：墨+ 旦( 胄 r 。) 2 2 r o 、“ 7 e ：一e + 垒一( r p r 。) 2 2 r o 、4 e ：曼+ 旦( r t + 心1 2 2 r o 。 经差动放大器前级放大后，= - k ( v , 一e 2 ) ，扛1 , 2 ，8 。所以有 v i = 一k 三( 一r j + r 二) 2 rn? f_ 码。 吒= 一k 兰：一( 一r 扛一r 。 2 r o 、 “ 巧= = 一彤豪( + 只二) 巧= 一足瓦e ( - r ；+ 吒) 吒= 一世旦( 一r ；一r 0 ) 2 r 1 1 d?