一種無線式六維力傳感器的研制

呂志鵬，王衛(wèi)英，劉思凡，馬成聰

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

0 引言

目前大多數(shù)的六維力和力矩傳感器都是安裝在機(jī)器人腕部，用來檢測機(jī)械手抓取工件或者與外部環(huán)境接觸時所承受的力和方向[1]。而用于與直升機(jī)旋翼軸相連，檢測旋翼系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下作用在旋轉(zhuǎn)軸上的力和力矩分量的多維力傳感器并不多見。而如果能夠得到這些力和力矩的準(zhǔn)確信息，對于了解旋翼的動力學(xué)性能，對旋轉(zhuǎn)機(jī)翼的翼型配置、槳葉平面形狀和槳尖形狀設(shè)計(jì)將提供重要的數(shù)據(jù)來源[2]。

本文設(shè)計(jì)了一種能夠和旋翼主軸共同旋轉(zhuǎn)的小型的六維力傳感器原理樣機(jī)，可以通過法蘭與旋翼的主軸相連，并且能夠?qū)⑺鶞y得的六維力和力矩信息實(shí)時地以無線的方式發(fā)送出去，代替?zhèn)鹘y(tǒng)利用導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)滑環(huán)的方式傳輸數(shù)據(jù)。

1 傳感器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的六維力傳感器是基于電阻應(yīng)變式測量原理，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路部分被集成在了傳感器內(nèi)部。傳感器的裝配體從上而下分別為頂盤、基座、彈性體、電路板、電池和底座。頂盤上內(nèi)圈的4個通孔通過螺栓和螺母與彈性體中心凸臺上的4個通孔相連接。彈性體輪輻外圈上的8個通孔通過沉頭螺絲與基座上的8個螺紋孔相連接。電路板最外圈有4個通孔通過六角銅螺栓與底板上相對應(yīng)的螺紋孔相連接。電池通過雙面膠粘貼在底板上。

圖1 傳感器三維模型剖視圖

2 彈性體設(shè)計(jì)及有限元分析

2.1 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈性體作為傳感器上粘貼應(yīng)變片的承力元件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接決定了傳感器的工作性能[3]。六維力傳感器彈性體由整塊圓盤料加工而成，如圖2所示。圖中，A1A2、B1B2、C1C2和D1D2為彈性梁，E1E2、F1F2、G1G2和H1H2為浮動梁，4支彈性梁通過中心凸臺連接，中心凸臺的上表面作為彈性體承受外載荷的受力面用來將力和力矩傳遞給彈性梁。4支浮動梁的作用是通過增大彈性體的應(yīng)變輸出來增加傳感器的靈敏度。彈性體各主要幾何尺寸如下：

(1)彈性梁：寬4 mm，高6 mm，長20 mm；

(2)浮動梁：寬1 mm，高6 mm，長24 mm；

(3)中心凸臺：邊長24 mm，高8 mm；

(4)輪緣：外徑80 mm，內(nèi)徑56 mm，高6 mm。

圖2 彈性體結(jié)構(gòu)

2.2 彈性體有限元分析

本文中采用Abaqus軟件進(jìn)行彈性體受力變形的有限元分析。彈性體的材料選擇為7075鋁合金，其材料參數(shù)如表1所示[4]。

表1 彈性體材料參數(shù)

彈性體是通過輪緣上的8個定位孔固定在基座上的，因此將8個定位孔的所有方向上的自由度全部設(shè)置為0。施加載荷前，在彈性體中心處設(shè)置一參考點(diǎn)并且與凸臺的中心孔內(nèi)壁表面建立耦合關(guān)系[5]。此外，因?yàn)閺椥泽w結(jié)構(gòu)關(guān)于坐標(biāo)軸嚴(yán)格對稱，所以只對x和z軸方向的力和力矩進(jìn)行分析。其中x和z軸方向的作用力以集中力的方式作用在耦合參考點(diǎn)上；x和z軸方向的力矩以力偶的形式作用在耦合參考點(diǎn)上。

通過Abaqus的分析和后處理技術(shù)[5]，增大變形放大系數(shù)，彈性體分別受到滿量程的單維力Fx=300 N、Fz=900 N、Mx=20 Nm與Mz=20 Nm時的應(yīng)變分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出，彈性體在各維度滿量程的載荷下的最大米塞斯應(yīng)力都沒有超過材料的屈服應(yīng)力，所以彈性體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度方面達(dá)到了要求。

(a)Fx=300 N

(b)Fz=900 N

(c)Mx=20 Nm

(d)Mz=20 Nm

為了更清楚的了解彈性梁表面節(jié)點(diǎn)在各單維載荷作用下的應(yīng)變大小，同時也是為了給應(yīng)變片的貼片位置選擇提供參考[6]，運(yùn)用Abaqus的路徑映射技術(shù)，輸出彈性梁在各單維額定載荷下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變路徑曲線。以彈性梁與中心凸臺的交界處作為頂端，與浮動梁交界處作為末端，根據(jù)前面的應(yīng)力、應(yīng)變分布云圖，在彈性梁發(fā)生主要變形的表面定義一條用于應(yīng)變映射的節(jié)點(diǎn)路徑，從而輸出這一條路徑上各節(jié)點(diǎn)應(yīng)變的確切數(shù)值，如圖4所示。從圖中可以看出，彈性梁的應(yīng)變與距離呈現(xiàn)遞減趨勢，在彈性梁與中心凸臺和浮動梁的交界處由于應(yīng)力集中的關(guān)系，應(yīng)變路徑曲線出現(xiàn)較大幅度的彎折。這部分應(yīng)力集中可以通過在交界處增加圓角的方式予以減輕[7]。

3 應(yīng)變片布置及組橋設(shè)計(jì)

傳感器的彈性體上共粘貼有24個應(yīng)變片，其中每4個應(yīng)變片組成一個全橋電路，共組成6個全橋電路來測量作用在傳感器上的六維力和力矩。參考圖4的應(yīng)變路徑曲線圖和應(yīng)變片自身的尺寸大小，將用來測量Fx、Fy和Fz的應(yīng)變片貼片位置定于彈性梁表面距中心凸臺邊界的5 mm處，用來測量Mx、My和Mz的應(yīng)變片貼片位置定于彈性梁表面距中心凸臺邊界12 mm處。粘貼應(yīng)變片的彈性體和應(yīng)變片編號示意如圖5所示。

(a)Fx=300 N作用下沿路徑各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變分布圖

(b)Fz=900 N作用下沿路徑各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變分布圖

(c)Mx=20 Nm作用下沿路徑各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變分布圖

(d)Mz=20 Nm作用下沿路徑各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變分布圖圖4 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變沿路徑分布圖

圖5 應(yīng)變片布置示意圖

其中應(yīng)變片1、2、3、4組成一個全橋電路用來測量切向力Fx所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片5、6、7、8組成一個全橋電路用來測量切向力Fy所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片9、10、11、12組成一個全橋電路用來測量軸向力Fz所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片13、14、15、16組成一個全橋電路用來測量彎矩My所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片17、18、19、20組成一個全橋電路用來測量彎矩Mz所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片21、22、23、24組成一個全橋電路用來測量扭矩Mz所引起的應(yīng)變。

4 硬件電路及PCB設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器硬件系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)六維力和力矩的信號采集以及通過無線模塊實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，圖6是傳感器硬件電路系統(tǒng)框圖，具體可以劃分為以下模塊：

(1)信號調(diào)理模塊：將電橋輸出的電壓信號經(jīng)由儀表放大器AD623電路進(jìn)行放大，再將放大后的信號經(jīng)過雙通道通用運(yùn)算放大器LM358電路進(jìn)行電壓抬升與濾波處理，處理后輸入到STM32微控制器的A/D口進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；

(2)STM32微控制器模塊：用來接收處理傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)時的力和力矩信號數(shù)據(jù)、溫度信號數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到無線端口；

(3)無線通訊模塊：將所有采集的數(shù)據(jù)信息通過NRF24L01無線模塊電路發(fā)送到另一塊載有NRF無線模塊的STM開發(fā)板，并由它將接收到的數(shù)據(jù)通過串口通信方式發(fā)送到PC端進(jìn)行實(shí)時的處理和顯示。

圖6 傳感器硬件電路系統(tǒng)框圖

4.2 信號調(diào)理模塊電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理模塊電路由前置放大電路和后置電壓抬升與濾波電路兩部分構(gòu)成，如圖7所示。在設(shè)計(jì)放大電路時，首先對放大倍數(shù)進(jìn)行估計(jì)。對于每一維度的應(yīng)變電橋來說。由有限元分析結(jié)果，可以大概估計(jì)出貼片位置在滿量程情況下的最大應(yīng)變ε，根據(jù)全橋電路原理[8]，估算出每一維度的電橋在滿載情況下的輸出電壓。為了獲得較好的模擬電壓輸出信號，將經(jīng)過放大后的輸出電壓范圍控制在-1.65～+1，65 V之間，由此計(jì)算出所需的放大倍數(shù)并將其列于表2。

(a)前置放大電路

(b)后置電壓抬升與濾波電路圖7 信號調(diào)理模塊電路

表2 放大倍數(shù)估算表

由表2可知，電壓信號的放大倍數(shù)不是很大，這里直接選用儀表放大器AD623對電壓信號進(jìn)行放大。AD623是一款易于使用，可提供滿擺幅輸出，高性能的芯片。它具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。此外，AD623的外圍電路非常簡單，只需外接一只反饋電阻RG就可以精確控制放大電路的增益[9]。

此外，本設(shè)計(jì)使用的A/D采集模塊是微控制STM32自帶的，它只能夠轉(zhuǎn)換范圍0～+3.3V的電壓信號，所以經(jīng)由放大后的電壓信號，必須再進(jìn)行相應(yīng)的電壓抬升才能滿足要求。這里選用雙通道通用運(yùn)放LM358來搭建后置的電壓抬升與濾波電路，其中，LM358的1通道連接外圍電路用來作為反相加法器將電橋經(jīng)由放大后的-1.65～+1.65 V的范圍電壓信號反相抬升至-3.3～0 V，2通道用來作為一階的有源濾波濾除了100 Hz以上的高頻噪聲并進(jìn)行了反相的等比例放大，最終將電壓信號調(diào)理成0～+3.3 V的可被A/D采集的范圍電壓。

4.3 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

采用STM32微控制器連接外部無線模塊NRF24L01實(shí)現(xiàn)六維力傳感器實(shí)測數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。NRF24L01模塊接口和微控制器的連接電路如圖8所示。STM32微控制器使用的是SPI2口與NRF24L01模塊接口相連，STM32的4個引腳PG10、PB13、PB14和PB15分別與NRF24L01模塊的片選線NRF_CS、時鐘線SPI_SCK、主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入線SPI_MISO和主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出線SPI_MOSI相連。PI11、PG12引腳分別與無線模塊的中斷引腳NRF_IRQ、芯片使能引腳NRF_CE相連。

圖8 NRF24L01模塊接口與微控制器連接電路

4.4 PCB設(shè)計(jì)

根據(jù)傳感器信號采集的硬件連接原理圖設(shè)計(jì)相應(yīng)的集成電路板。電路板采用雙層敷銅板作為印制板，雙面銅皮與地線網(wǎng)絡(luò)相連接。電路板形狀為圓形，直徑96 mm，在頂層走信號線，底層走電源線，信號線寬度為0.254 mm，電源線與地線寬度都為0.508 mm，通過過孔將頂層與底層的印制線相連接。焊有電子元器件的PCB如圖9所示。

圖9 含有電子元器件的電路板

整個硬件電路的PCB板制作完成后，將頂盤基座、彈性體、電路板與電池按照圖1所示的三維剖視圖進(jìn)行裝配，裝配完成的實(shí)物如圖10所示。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種帶無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能的能夠與旋翼模型共同旋轉(zhuǎn)的小型六維力傳感器原理樣機(jī)，通過對彈性體的有限元分析，確定應(yīng)變片適合的粘貼位置。共24片應(yīng)變片組成6路全橋電路測量六個維度的力和力矩信息，并對6路電壓信號進(jìn)行了相應(yīng)的處理。最后制成六維力傳感器樣機(jī)。

(a)粘貼完應(yīng)變片的彈性體

(b)傳感器內(nèi)部

(c)傳感器實(shí)物外觀圖10 六維力傳感器樣機(jī)