腕力傳感器的設(shè)計

臂力傳感器是一種重要的機器人傳感器，是機器人執(zhí)行接觸性操作的保障。針對機器人作業(yè)任務(wù)的需要,我們研制了一種新型機器人腕力傳感器,該傳感器安裝在機器人手腕與手爪之間,它能同時檢測三維力和力矩信息,保證機器人完成抓取、移動和放置等作業(yè)任務(wù)。與原SAFMS型腕力傳感器相比,該傳感器尺寸小,結(jié)構(gòu)簡單,重量輕,而精度并未降低,又能比較好地滿足機器人力控制的需要。機器人腕力傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響傳感器性能的核心技術(shù),彈性體的設(shè)計好壞直接影響到傳感器的各項指標(biāo)。機器人腕力傳感器彈性體的結(jié)構(gòu)一般都比較復(fù)雜,各輸出通道之間往往存在著干擾,經(jīng)典的解析法難以精確分析并描述這種維間干擾,通常采用實驗的方法來進行標(biāo)定,但受實驗設(shè)備條件的限制,標(biāo)定的結(jié)果往往不夠精確。本文給出了我們所研制的一種新型機器人多維腕力傳感器的結(jié)構(gòu),并利用有限元分析軟件ANSYS所研制的新型機器人腕力傳感器的彈性體進行有限元分析,研究其維間干擾。1anasas軟件簡介有限單元法(FiniteElementMethod,簡稱FEA)是在具備高速計算能力的計算機應(yīng)用日漸普及,同時數(shù)值分析在工程中的作用日益增長的背景下發(fā)展起來的。有限單元法與經(jīng)典的解析法不同,它實質(zhì)上是把具有無限個自由度的連續(xù)體理想化為只有有限個自由度的單元集合體,使問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題。因此,只要確定了單元的力學(xué)特性,就可以按結(jié)構(gòu)分析的方法來求解,使得分析的過程大為簡化。如果對物體的劃分達到一定的精度,有限元分析得到的結(jié)果的精度可以相當(dāng)?shù)母摺Ｈ缃裼邢拊治瞿撤N程度上已經(jīng)取代了物理實驗來評估一個產(chǎn)品的設(shè)計是否合理,因為物理實驗相對來說要付出更大的人力和物力,而得到的結(jié)果甚至不如有限元分析來得精確。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件,它可廣泛用于鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利等一般工業(yè)及科學(xué)研究。該軟件具有友好的圖形界面和程序結(jié)構(gòu),交互式的前后處理和圖形軟件,大大減輕了用戶在實際工程問題中創(chuàng)建模型、有限元求解以及結(jié)果分析和評價的工作量。它的統(tǒng)一集中式的數(shù)據(jù)庫保證了各模塊之間的有效可靠的集成,同時還提供了與AUTOCAD、Pro/E等多種CAD/CAE軟件的接口。用ANSYS對結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)或動力學(xué)分析包括以下幾個主要步驟:創(chuàng)建有限元模型、施加載荷并求解、查看結(jié)果等。2臂力傳感器彈藥的有限分析2.1彈性體結(jié)構(gòu)模型我們研制的新型機器人腕力傳感器的彈性體實體模型如圖1所示。十字彈性梁和四根垂直浮動梁組成力敏元件,浮動梁與圓環(huán)形底座剛性連接實現(xiàn)一體化。它能夠檢測三維力/力矩信息,力和力矩通過固定在中心臺上的法蘭盤傳遞給彈性梁。整個彈性體是作為整體用硬鋁合金一次加工成型的,彈性模量:72×109Pa,泊松比:0.33,密度:2.78×103kg/m3,其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。實體模型經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)劃分得到有限元模型,單元類型選用ANSYS自帶的SOLID95高精度實體單元,這種單元適用于彎曲模型分析。本文采用智能網(wǎng)絡(luò)劃分控制(SmartSize),其中對十字彈性梁再進行了精確劃分,最后得到的有限元模型如圖1所示,共有49720個節(jié)點,28231個單元。2.2負荷和求解(1)限制配置彈性體是通過底座的8個螺釘固定在傳感器外殼內(nèi)的,它們之間可以認(rèn)為是剛性連接,因此將底面的全部自由度設(shè)置為零。(2)中心臺內(nèi)節(jié)點應(yīng)變分析根據(jù)傳感器的測力要求與實際受力情況,可以確定6種典型的受力工況:①通過坐標(biāo)原點,沿x方向作用于十字彈性梁的集中力Fx;②通過坐標(biāo)原點,沿y方向作用于十字彈性梁的集中力Fy;③通過坐標(biāo)原點,沿z方向作用于十字彈性梁的集中力Fz;④通過坐標(biāo)原點,繞z方向作用于十字彈性梁的力矩Mz;⑤通過坐標(biāo)原點,繞x方向作用于十字彈性梁的力矩Mx;⑥通過坐標(biāo)原點,繞y方向作用于十字彈性梁的力矩My。這里的坐標(biāo)原點設(shè)定在中心臺的中心位置。由于彈性體結(jié)構(gòu)對稱,Fx、Fy和Mx、My作用下的彈性梁變形及應(yīng)變狀況相似,所以這里只對Fy、Fz以及Mz、Mx進行分析。分別在中心臺的相應(yīng)位置施加單維力/力矩,求解后就可以得到彈性體整體變形狀況以及我們所關(guān)心的節(jié)點處的應(yīng)變。在彈性梁上選擇16個點作為分析節(jié)點,它們分別對應(yīng)著所貼應(yīng)變片的中心位置,其分布如圖2所示,其中S1,S2,...,S16為各分析節(jié)點的應(yīng)變,當(dāng)彈性梁某一面被拉伸時,該面節(jié)點的應(yīng)變?yōu)檎?被壓縮時,節(jié)點應(yīng)變?yōu)樨?。對?yīng)圖2的節(jié)點分布,當(dāng)各維力/力矩互不干擾時,力/力矩的表達式為式(1),其中K1,K2,...,K6是腕力傳感器標(biāo)定時確定的大于零的常系數(shù)。2.3y方向的應(yīng)變圖3為彈性體在受到滿量程的單維力Fy=20N作用時的變形圖。X方向的彈性梁OA、OC和y方向的浮動梁發(fā)生彎曲變形,x、y方向的應(yīng)變分別用εx、εy表示,各分析節(jié)點在對應(yīng)應(yīng)變片敏感方向的應(yīng)變?nèi)绫?所示。從表2可以看出,彈性梁OA、OC前后兩個側(cè)面節(jié)點x方向的應(yīng)變最大,其中S2、S10為負說明該面受壓,而S4、S12為正則說明該面受拉,拉應(yīng)變和壓應(yīng)變數(shù)值相近,這是由彈性體的對稱結(jié)構(gòu)決定的。OA、OC梁正反面發(fā)生側(cè)彎,該面的節(jié)點應(yīng)變都很小。Y方向的應(yīng)變S5、S6、S7、S8與節(jié)點S13、S14、S15、S16的符號相反,說明y向彈性梁OB被壓,OD被拉,但由于此時浮動梁的彎曲變形遠大于主梁的變形,可以認(rèn)為梁OB、OD只傳遞力而不發(fā)生變形,y向浮動梁可以看成是一個理想的柔性梁。單維力Fy作用時,最大維間干擾值為:S6/S10=4.1/73.82=5.56%,可以忽略不計,此時:Fy可以通過檢測y向彈性梁側(cè)面的應(yīng)變而獲得。同理,Fz、Mz以及Mx單獨作用于彈性體時的節(jié)點應(yīng)變都可利用ANSYS求得,對應(yīng)的最大維間干擾也可求出:Fz=20N,最大維間干擾值為:S16/S3=1.27/71.94=1.77%;Mz=20×4.5N·mm,最大維間干擾值為:S9/S14=0.19/13.55=1.40%;Mx=20×4.25N·mm,最大維間干擾值為:S4/S15=3.14/25.96=12%?？梢钥吹?Fz、Mz單獨作用時,最大維間干擾值不到2%,因此維間干擾也可忽略不計,Fz、Mz可以通過分別檢測十字彈性梁正反面以及側(cè)面的應(yīng)變而獲得。而Mx單獨作用時的維間干擾超過6%,會在Fy的方向上產(chǎn)生輸出,因此這個維間干擾不能忽略,需要采取補償措施。利用Mx的輸出k4(S5+S15-S7-S13)乘以一個補償系數(shù)k7對Fy的輸出起到補償?shù)淖饔?如式(3)所示,詳細補償方法見文獻。k7為補償系數(shù),在標(biāo)定時確定。此時Mx可以通過檢測Y向彈性梁正反面的應(yīng)變而獲得。3基于運放電路和軟件的補償方法經(jīng)過有限元分析,可以得出結(jié)論,Fx、Fy、Fz和Mz單獨作用于彈性體