腕力传感器的设计

腕力传感器的设计

臂力传感器是一种重要的机器人传感器，是机器人执行接触性操作的保障。针对机器人作业任务的需要,我们研制了一种新型机器人腕力传感器,该传感器安装在机器人手腕与手爪之间,它能同时检测三维力和力矩信息,保证机器人完成抓取、移动和放置等作业任务。与原SAFMS型腕力传感器相比,该传感器尺寸小,结构简单,重量轻,而精度并未降低,又能比较好地满足机器人力控制的需要。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,各输出通道之间往往存在着干扰,经典的解析法难以精确分析并描述这种维间干扰,通常采用实验的方法来进行标定,但受实验设备条件的限制,标定的结果往往不够精确。本文给出了我们所研制的一种新型机器人多维腕力传感器的结构,并利用有限元分析软件ANSYS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,研究其维间干扰。1anasas软件简介有限单元法(FiniteElementMethod,简称FEA)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日益增长的背景下发展起来的。有限单元法与经典的解析法不同,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当的高。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,而得到的结果甚至不如有限元分析来得精确。ANSYS软件是美国ANSYS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分析软件,它可广泛用于铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利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AUTOCAD、Pro/E等多种CAD/CAE软件的接口。用ANSYS对结构进行静力学或动力学分析包括以下几个主要步骤:创建有限元模型、施加载荷并求解、查看结果等。2臂力传感器弹药的有限分析2.1弹性体结构模型我们研制的新型机器人腕力传感器的弹性体实体模型如图1所示。十字弹性梁和四根垂直浮动梁组成力敏元件,浮动梁与圆环形底座刚性连接实现一体化。它能够检测三维力/力矩信息,力和力矩通过固定在中心台上的法兰盘传递给弹性梁。整个弹性体是作为整体用硬铝合金一次加工成型的,弹性模量:72×109Pa,泊松比:0.33,密度:2.78×103kg/m3,其结构参数如表1所示。实体模型经过网络划分得到有限元模型,单元类型选用ANSYS自带的SOLID95高精度实体单元,这种单元适用于弯曲模型分析。本文采用智能网络划分控制(SmartSize),其中对十字弹性梁再进行了精确划分,最后得到的有限元模型如图1所示,共有49720个节点,28231个单元。2.2负荷和求解(1)限制配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,因此将底面的全部自由度设置为零。(2)中心台内节点应变分析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:①通过坐标原点,沿x方向作用于十字弹性梁的集中力Fx;②通过坐标原点,沿y方向作用于十字弹性梁的集中力Fy;③通过坐标原点,沿z方向作用于十字弹性梁的集中力Fz;④通过坐标原点,绕z方向作用于十字弹性梁的力矩Mz;⑤通过坐标原点,绕x方向作用于十字弹性梁的力矩Mx;⑥通过坐标原点,绕y方向作用于十字弹性梁的力矩My。这里的坐标原点设定在中心台的中心位置。由于弹性体结构对称,Fx、Fy和Mx、My作用下的弹性梁变形及应变状况相似,所以这里只对Fy、Fz以及Mz、Mx进行分析。分别在中心台的相应位置施加单维力/力矩,求解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。在弹性梁上选择16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,其分布如图2所示,其中S1,S2,...,S16为各分析节点的应变,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。对应图2的节点分布,当各维力/力矩互不干扰时,力/力矩的表达式为式(1),其中K1,K2,...,K6是腕力传感器标定时确定的大于零的常系数。2.3y方向的应变图3为弹性体在受到满量程的单维力Fy=20N作用时的变形图。X方向的弹性梁OA、OC和y方向的浮动梁发生弯曲变形,x、y方向的应变分别用εx、εy表示,各分析节点在对应应变片敏感方向的应变如表2所示。从表2可以看出,弹性梁OA、OC前后两个侧面节点x方向的应变最大,其中S2、S10为负说明该面受压,而S4、S12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。OA、OC梁正反面发生侧弯,该面的节点应变都很小。Y方向的应变S5、S6、S7、S8与节点S13、S14、S15、S16的符号相反,说明y向弹性梁OB被压,OD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OB、OD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Fy作用时,最大维间干扰值为:S6/S10=4.1/73.82=5.56%,可以忽略不计,此时:Fy可以通过检测y向弹性梁侧面的应变而获得。同理,Fz、Mz以及Mx单独作用于弹性体时的节点应变都可利用ANSYS求得,对应的最大维间干扰也可求出:Fz=20N,最大维间干扰值为:S16/S3=1.27/71.94=1.77%;Mz=20×4.5N·mm,最大维间干扰值为:S9/S14=0.19/13.55=1.40%;Mx=20×4.25N·mm,最大维间干扰值为:S4/S15=3.14/25.96=12%。可以看到,Fz、Mz单独作用时,最大维间干扰值不到2%,因此维间干扰也可忽略不计,Fz、Mz可以通过分别检测十字弹性梁正反面以及侧面的应变而获得。而Mx单独作用时的维间干扰超过6%,会在Fy的方向上产生输出,因此这个维间干扰不能忽略,需要采取补偿措施。利用Mx的输出k4(S5+S15-S7-S13)乘以一个补偿系数k7对Fy的输出起到补偿的作用,如式(3)所示,详细补偿方法见文献。k7为补偿系数,在标定时确定。此时Mx可以通过检测Y向弹性梁正反面的应变而获得。3基于运放电路和软件的补偿方法经过有限元分析,可以得出结论,Fx、Fy、Fz和Mz单独作用于弹性体