一種指尖三維力傳感器設(shè)計(jì)

張 強(qiáng), 宋愛國, 劉玉慶, 姜國華, 周伯河

(1.東南大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096; 2.中國航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094)

1 引 言

機(jī)器人感知技術(shù)是機(jī)器人環(huán)境理解、智能決策與自主控制的基礎(chǔ)與支撐,而力覺感知則是機(jī)器人感知的重要研究內(nèi)容[1]。為了準(zhǔn)確獲取機(jī)器人與環(huán)境交互過程的力覺矢量信息,通常需要機(jī)器人力覺傳感器同時測量三維空間中多個維度的力或力矩信息,其測量精度直接影響到整個機(jī)器人系統(tǒng)感知與控制的準(zhǔn)確性[2～4]。傳統(tǒng)的機(jī)器人多維力傳感器主要存在2個問題:1)由于應(yīng)變片數(shù)量多,導(dǎo)致多維力傳感器體積大、安裝不變,難以實(shí)現(xiàn)小型化;2)由于維間耦合誤差的影響,多維力測量的精度普遍較低[5,6]。研究者針對機(jī)器人多維力傳感器進(jìn)行了大量的研究,提出了各種各樣的多維力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及解耦算法[7～9],但是針對機(jī)器人指尖多維力傳感器的研究鮮見報(bào)道。

本文提出了一種改進(jìn)的十字梁彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),將中心直梁與十字梁相結(jié)合,減少十字梁的貼片數(shù)量,從而減小十字梁貼片面積,實(shí)現(xiàn)傳感器小型化。通過建立維間耦合誤差模型[9],采用維間耦合誤差建模補(bǔ)償消除的方法代替原有的耦合誤差矩陣的方法,提高小型化機(jī)器人指尖三維力傳感器的測量精度。

2 工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器工作原理

指尖三維力傳感器基于電阻應(yīng)變效應(yīng),即受到作用力時,會引起彈性梁的微小變形,這種變形會引起貼在十字梁上的電阻應(yīng)變片的電阻發(fā)生改變。

電阻應(yīng)變式傳感器主要包括3部分:敏感元件彈性體、轉(zhuǎn)換元件與信號處理電路,其中敏感元件彈性體直接用來感知被測,轉(zhuǎn)換元件將非電量信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出,而信號處理電路主要是對轉(zhuǎn)換元件的輸出電信號進(jìn)行濾波、放大等處理。

2.2 彈性體元件的構(gòu)造

當(dāng)前,被廣泛使用的十字型橫梁結(jié)構(gòu)是由日本林純一提出的十字型腕力傳感器[10],該傳感器采用整體輪輻式結(jié)構(gòu),在4根交叉梁上下表面及兩側(cè)貼有32個應(yīng)變片,其對稱性好,同時考慮了水平和豎向應(yīng)變的影響,實(shí)際使用效果良好。

由于機(jī)械手指對三維力傳感器的可靠性、可安裝性、傳感器的強(qiáng)度和抗過載能力的高要求,以及傳感器小型化的需求,本文在目前較為成熟的十字型橫梁彈性體結(jié)構(gòu)(參見圖1)的基礎(chǔ)上,提出了一種改進(jìn)的十字梁彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)將中心直梁與十字梁相結(jié)合,利用中心直梁對水平方向二維力的敏感性測量水平方向的二維力,在十字梁靠近中心直梁的位置粘貼8個應(yīng)變片,從而減少十字梁的長度和貼片數(shù)量,實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化。所設(shè)計(jì)的小型化三維指尖力傳感器的彈性體結(jié)構(gòu)如圖2所示,此時中心直梁既是傳遞多維力的傳力梁,也是感知力的敏感梁。

圖1 十字型橫梁結(jié)構(gòu)

圖2 彈性體結(jié)構(gòu)圖

3 有限元分析與貼片位置

3.1 彈性體有限元分析

通過ANSYS有限元分析工具[11],對設(shè)計(jì)的彈性體敏感元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和靜力學(xué)分析,根據(jù)分析結(jié)果對彈性體的設(shè)計(jì)尺寸不斷進(jìn)行優(yōu)化。對彈性體進(jìn)行有限元分析時,單元類型采用ANSYS提供的高精度實(shí)體單元SOLID95,先總體采用智能網(wǎng)格劃分,然后對十字彈性梁進(jìn)行細(xì)化分。對彈性體的4個輪緣螺孔以及輪緣底面完全約束,分別在中心直梁的相應(yīng)位置施加單位力,求解后得到彈性體整體變形圖與應(yīng)變云圖,如圖3所示。

圖3 變形圖與應(yīng)變云圖

根據(jù)彈性體的應(yīng)變圖與沿路徑應(yīng)變圖4,可知在2 mm至6 mm的路徑區(qū)間內(nèi),距離與應(yīng)變呈單調(diào)遞減關(guān)系,靠近中心直梁處應(yīng)變最大。因此,將應(yīng)變片貼于距中心直梁4 mm處。

為精確地確定貼片位置,需利用ANSYS的路徑映射技術(shù),將應(yīng)變結(jié)果映射到定義的路徑上,以獲取帶有精確應(yīng)變數(shù)值的坐標(biāo)圖。

圖4 彈性體的應(yīng)變圖與沿路徑應(yīng)變圖

3.2 貼片位置

應(yīng)變式三維力傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是彈性體結(jié)構(gòu)對不同方向的力敏感度不同。根據(jù)彈性體的應(yīng)變圖與沿路徑應(yīng)變圖以及線性度高、靈敏度好等要求,高精度箔式應(yīng)變片貼在十字梁靠近中心直梁的位置,應(yīng)變片的粘貼位置見圖5,共貼有8個應(yīng)變片。

圖5 貼片示意圖

其中應(yīng)變片R7和R8用于測量y方向的力Fy,R5和R6用于測量x方向的力Fx。R1～R4測量力Fz。x方向與y方向上的受力分析情況相似,它們均引起粘貼在中心直梁兩側(cè)的應(yīng)變片發(fā)生變形,而z方向上受力則導(dǎo)致粘貼在主梁正反面上的應(yīng)變片變形。因此,就可以通過Fx、Fz來分析梁的受力情況。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 測量單元

該傳感器采用電阻應(yīng)變式的測量原理,通過惠斯登電橋?qū)㈦娮柚档淖兓D(zhuǎn)化成電壓變化并將其輸出,再根據(jù)電壓的變化計(jì)算得到施加力值大小,其基本原理圖如圖6所示。

圖6 惠斯登電橋

R1、R2、R3、R4是粘貼在敏感元件彈性體上的4個電阻應(yīng)變片,構(gòu)成電橋橋臂,初始值R1=R2=R3=R4=R=120 Ω。在敏感元件彈性體受到外力作用后,彈性體的十字梁與中心直梁發(fā)生機(jī)械變形并產(chǎn)生應(yīng)變,相應(yīng)的電阻應(yīng)變片的阻值發(fā)生變化,且變化值ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR,則有:

式中:Uout為輸出電壓,V;E為橋路電壓,V。

4.2 放大電路設(shè)計(jì)

通過電橋電路得到的輸出信號為微弱差分電壓,需要經(jīng)過放大到適合數(shù)據(jù)采集單元采集的電壓信號。由于粘貼在傳感器上的應(yīng)變片的電阻存在誤差,導(dǎo)致電橋輸出電壓有零位偏差,因此放大電路還需要具有調(diào)節(jié)零點(diǎn)的功能。系統(tǒng)需要的220 V交流電通過開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成適用于系統(tǒng)使用的電壓,其中包括傳感器中的電橋電壓基準(zhǔn),以及為放大器,調(diào)零,濾波所需的正負(fù)電壓。

本設(shè)計(jì)選用放大器AD8222作為第一級放大器,可以通過調(diào)整1個外部電阻阻值獲得所需增益,是一款高性能儀表放大器。它體積小、功耗低,能夠抑制寬帶干擾和線路諧波,簡化對濾波電路的要求。二級放大電路則采用四運(yùn)放集成放大器LM324AD,支持雙電源供電,具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、可單電源使用與價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

4.3 傳感器封裝

設(shè)計(jì)好彈性體元件后,需要根據(jù)實(shí)際要求將傳感器封裝。本傳感器的裝配體結(jié)構(gòu)共由3部分組成:彈性體、底蓋和頂蓋,封裝后的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 總體結(jié)構(gòu)圖

5 靜態(tài)標(biāo)定與解耦分析

5.1 靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)方法

為尋找傳感器各路輸出電壓與作用力之間的對應(yīng)關(guān)系,需要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定,得到兩者間的數(shù)學(xué)模型,并通過后續(xù)處理得到其靈敏度、耦合性等參數(shù)。日后當(dāng)使用該傳感器時,使用者只需通過測量的輸出電壓,便可計(jì)算得到傳感器的受力大小與方向。

設(shè)計(jì)采用加載砝碼的方法對指尖三維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),靜態(tài)標(biāo)定裝置如圖8所示。每個方向標(biāo)定3次,將3次標(biāo)定測得的數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值作為最后結(jié)果,對最后結(jié)果進(jìn)行線性擬合,所得x、y、z三個方向的擬合結(jié)果見圖9,可以看出,傳感器的輸出電壓與作用力呈線性關(guān)系變化。

圖8 靜態(tài)標(biāo)定裝置

圖9 x、y、z方向擬合結(jié)果

5.2 基于維間耦合誤差建模的解耦算法

由于機(jī)械加工水平、貼片工藝、應(yīng)變片橫向效應(yīng)和檢測方式等多方面原因,傳感器存在維間耦合,嚴(yán)重影響了多維力的測量精度。本設(shè)計(jì)通過建立維間耦合誤差模型,采用維間耦合誤差建模的靜態(tài)解耦算法代替原有的耦合誤差矩陣的方法,提高了指尖三維力傳感器的測量精度。

通過對三維力傳感器標(biāo)定解耦,得出的耦合誤差如表1所示。

表1 力傳感器解耦精度對比表 (%)

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種小型化指尖三維力傳感器,提出十字梁與中心直梁相結(jié)合的改進(jìn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對三維力的感知,通過有限元分析對彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化,并給出了最佳貼片方案。建立了維間耦合誤差模型,利用靜態(tài)解耦算法對傳感器耦合誤差進(jìn)行解耦計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的三維指尖力傳感器體積小、精度高,且安裝方便。

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