一种新型四维腕力传感器的有限元分析

一种新型四维腕力传感器的有限元分析

余力传感器是机械辅助网络系统中最重要的传感器之一。它设置在机器人操作的对象上，用于感知操作手和外部环境之间的接触力。多维腕力传感器要求各个方向的灵敏度高,维间耦合小,具有良好的静、动态特性。腕力传感器的核心部件为弹性体,弹性体的设计好坏直接影响到传感器的各项指标。本文提出了一种新弹性体结构的机器人四维腕力传感器,该新型四维腕力传感器可以同时检测三维空间坐标x、y、z三个方向的力和z方向的力矩。目前国内专用的四维腕力传感器很少见,相应的文献更少。为研究该新型传感器的力学性能,尤其是作为应变式传感器核心部件的弹性体的性能,本文采用有限元分析软件ANSYS对它的弹性体进行有限元分析。1用于一般工业及研究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(FEA)分析软件,目前最新的版本为7.0。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、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件具有良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。2几何尺寸和力敏元件的施加这种新型传感器弹性体结构如图1所示,整个弹性体是作为整体一次加工成型的,具体几何尺寸见表1。十字弹性梁和四根浮动梁组成力敏元件,力或力矩施加在轴上,通过中心台传递给弹性梁。应变片贴在十字弹性梁的上下表面和侧面,16个应变片组成四组电桥输出四路信号。2.1弹性体模型特性单元类型选用ANSYS提供的SOLID95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20个节点组成,而每个节点又有3个自由度,即x、y、z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所示。弹性体材料为LY12硬铝合金,杨氏模量为72GPa,泊松比为0.33,密度为2.78×103kg/m3。由于模型结构简单而且对称,可以直接在ANSYS里采用由上至下的方法建立实体模型,相应的点、线、面自动生成。将实体模型转化为有限元模型需要划分网格。划分网格时可以通过智能网格划分控制(SmartSize),选择划分精度,由ANSYS自动划分。为了得到更精确的解,可以将弹性梁和浮动梁这种应力集中区域划为子模型,对其网格进一步细化。最后得到有限元模型如图3所示,其中子模型共有2575个单元,5341个节点。2.2负荷和求解1有限配置浮动梁的底面是固定在传感器外壳上的,它们之间可以认为是刚性连接,将这4个面的全部自由度设置为零。2弹性体结构对称的求解根据传感器的测力要求与实际受力情况,可以确定4种典型的受力工况:①作用于轴顶部x方向的集中力Fx;②作用在轴顶部y方向的集中力Fy;③作用在轴顶部z方向的集中力Fz;④作用在轴顶部绕z方向的力矩Mz.受力的坐标轴如图3所示,原点位于轴顶部的中心。由于弹性体结构对称,这里只对x、z方向的受力进行分析。分别在弹性体整体模型的轴顶相应位置施加x、z方向的满量程力-20N(坐标轴负方向)和z方向的力矩20×5N.mm(逆时针),进行求解,然后导入子模型进行分析。通过应力、应变等值线或曲线图,就可以了解应力、应变的分布状况。3计算与分析3.1弹性梁应力分析图4从左到右分别对应着弹性体在三种典型受力工况下的变形。Fx=-20N,Y向弹性梁和X向浮动梁发生弯曲变形。此时X向浮动梁变形较大,可以看成是一个理想的柔性梁,那么Fx可以通过检测Y向弹性梁的变形量获得。Fz=-20N,X向弹性梁和Y向弹性梁发生弯曲变形。此时四根浮动梁不再是柔性梁,而是弹性支撑梁,那么Fz可以通过检测X向和Y向弹性梁的变形量而获得,也可以通过检测其中一根弹性梁的变形量而获得。Mz=20×5N.mm,X向弹性梁和Y向弹性梁发生弯曲变形。此时四根浮动梁也变成了弹性支撑梁,Mz可以通过检测X向和Y向弹性梁的变形量而获得,也可以通过检测其中一根弹性梁的变形量而获得。图5为十字弹性梁在分别受到Fx、Fz、Mz作用下的应变分布,(a):Fx作用下,Y向弹性梁侧面①、②受压,侧面③、④受拉;(b):Fz作用下,十字梁上表面⑤、⑥受压,下表面⑦、⑧受拉;(c):Mz作用下,Y向弹性梁侧面①、③受压,侧面②、④受拉。由图可知,弹性梁与中心台连接部位附近表面的应变较大,适合贴片。从图5还可以看到,弹性梁在受到Fx、Mz作用时应变大的区域会发生重叠,产生维间干扰。这里选取Y向弹性梁侧面①②上中心线AB为分析路径,沿该路径节点y方向的应变分布见图6。两种力作用下的最大应变分别为8.326×10-5、1.552×10-5。为了消除维间干扰,可以设计组桥电路,使各自的电桥只对相应的一维力敏感,输出结果不相互干扰。同时,由于Fx的作用线不是沿x轴通过坐标原点,其力矩作用使X向弹性梁发生弯曲,图5a表明,面⑤、⑧受拉,面⑥、⑦受压。图7是弹性体受到Fx作用时的应力分布图,弹性梁上的最大应力约为20MPa,这会对Fz的输出产生干扰。除了设计桥路消除外,还需要通过软件来消除以提高测量精度。3.2弹性梁弯曲变形方面,主要有3.对整个有限元模型进行模态分析,得到弹性体固有频率与振动模型,前6阶固有频率和振型特征结果如下:1阶频率:1268.4Hz,沿x轴的平动,Y向弹性梁弯曲较大;2阶频率:1268.9Hz,沿y轴的平动,X向弹性梁弯曲较大;3阶频率:2591.1Hz,沿z轴的平动,弹性梁弯曲较大;4阶频率:3586.8Hz,绕x轴的转动;5阶频率:3589.8Hz,绕y轴的转动;6阶频率:4693.9Hz,绕z轴的转动,弹性梁扭曲变形,浮动梁侧弯,弹性梁扭曲较大。腕力传感器是低通型传感器,一般可由第一阶固有频率的2/3来确定其工作带宽,因此估算出该传感器的工作带宽为0～850Hz。4弹性体应力应变数据的统计本文用ANSYS对我们所提出的一种新型四维腕力传感器的弹性体进行了有限元分析,通过