一種新型自解耦六維力傳感器布片與解耦方法

卞學(xué)良1，王樂1，2，吳利廣2
（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300130；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津300300）

提出1種新型六維力傳感器的應(yīng)變片布片和解耦方案.采用1種4豎梁結(jié)構(gòu)的彈性體，將測(cè)量點(diǎn)數(shù)減少為4個(gè)，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，即應(yīng)變片數(shù)量多、測(cè)量誤差大以及軟件解耦不容易解決實(shí)際測(cè)量時(shí)輪胎的壓偏情況的問題.本方法以二向應(yīng)力測(cè)量原理為基礎(chǔ)，通過在4個(gè)測(cè)量點(diǎn)布置2α角度的8個(gè)測(cè)量片，組成與測(cè)量點(diǎn)正應(yīng)力、剪應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的電橋，最后對(duì)橋路進(jìn)行了分析.該方法使傳感器的布片工作量大大減小，提高了傳感器精度，具有較大應(yīng)用前景.

六維力傳感器；應(yīng)力片；解耦；橋路分析

0 引言

多維力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域一直很廣泛，包括智能機(jī)器人領(lǐng)域、航空航天和軍事領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域以及其它眾多工業(yè)領(lǐng)域[1].目前，廣泛用于汽車懸架K&C試驗(yàn)臺(tái)的六維力傳感器有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即所用應(yīng)變片數(shù)目較多，且難以實(shí)現(xiàn)物理解耦而采用與軟件結(jié)合進(jìn)行解耦.應(yīng)變片數(shù)量越多測(cè)量引入的誤差也就越大，而且軟件解耦也不容易解決實(shí)際測(cè)量時(shí)輪胎的壓偏問題，只能通過其他方式定位初始車輪，而這必將會(huì)給測(cè)量進(jìn)一步引入誤差.造成該問題的原因主要是六維力傳感器設(shè)計(jì)中應(yīng)變片布片受到彈性體結(jié)構(gòu)的限制.為了消除耦合，就需要將彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得復(fù)雜，但由此造成應(yīng)變片數(shù)目增多，導(dǎo)致貼片、組橋的工作量增加；如果簡(jiǎn)化彈性體結(jié)構(gòu)，則難以實(shí)現(xiàn)物理解耦，造成解耦的復(fù)雜，增大誤差[2].

郭孔輝教授在文獻(xiàn)[3]中對(duì)測(cè)量解耦問題進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出考慮自重時(shí)試驗(yàn)臺(tái)六分力的解耦公式，提出輪胎耦合力與力矩的標(biāo)定方法；張家敏教授在文獻(xiàn)[4]中提出一種基于改進(jìn)粒子群的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，應(yīng)用到六維力傳感器解耦，提高了線性解耦算法精度；文獻(xiàn)[5]將3組彈性梁與兩個(gè)圓柱形導(dǎo)力桿組合，使三組彈性梁的變形彼此獨(dú)立，從結(jié)構(gòu)上直接消除了力耦合；張為公教授在文獻(xiàn)2中提出一種可以直接解耦的布片、組橋方法，只需在彈性體應(yīng)變梁上選擇6個(gè)測(cè)量點(diǎn)，大大低于傳統(tǒng)方式的測(cè)量點(diǎn)數(shù)（16點(diǎn)或32點(diǎn)）；張付祥教授在文獻(xiàn)[6]中提出一種豎梁結(jié)構(gòu)的彈性體，但是需要設(shè)置12個(gè)測(cè)量點(diǎn).以上研究工作主要分為傳感器解耦與傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方向.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于4豎梁彈性體的傳感器結(jié)構(gòu)，將應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)數(shù)目減少為4個(gè)，通過特定的組橋方法實(shí)現(xiàn)直接解耦.根據(jù)此方法提出一種直接輸出型六維力傳感器結(jié)構(gòu)[7].

1 應(yīng)力測(cè)量原理

彈性體應(yīng)變梁在六維力作用下發(fā)生變形，表面測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)為二向應(yīng)力狀態(tài)，如圖1a）所示.為了測(cè)量二向應(yīng)力，將應(yīng)變片成2α角度粘貼，如圖1b）所示.設(shè)與x軸成+α、-α角方向上的應(yīng)變分別為由材料力學(xué)理論[8]可知，的關(guān)系為

圖1 二向應(yīng)力狀態(tài)及應(yīng)變片夾角Fig.1 State of two dimensional stress and strain gages angle

式中μ為泊松比.

式中E為材料的彈性模量.

2 應(yīng)變片布片方案

不同于文獻(xiàn)5的8豎梁結(jié)構(gòu)彈性體，本方法設(shè)計(jì)了1種4豎梁的彈性體，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，并采用了如圖2所示的布片方案.

如圖2所示，在A、B、C、D 4條豎梁上設(shè)置4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，且均布置在梁的外徑一側(cè).在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處，與應(yīng)變梁軸線成α和-α角度的方向各貼一應(yīng)變片，共8個(gè)，且應(yīng)變片角度由第1節(jié)分析可知，可以計(jì)算得到各測(cè)量點(diǎn)的二向應(yīng)力狀態(tài)，再采用特定的組橋方式，便可以實(shí)現(xiàn)輸出解耦.

圖2 應(yīng)變片布片方案Fig.2 Strain gages distribution

3 組橋方案與橋路分析

根據(jù)上節(jié)布片方式確定本方法的組橋方案，如圖3所示.假定各應(yīng)變片的阻值相等，設(shè)各應(yīng)變片輸出應(yīng)變?yōu)闉檠a(bǔ)償片），則可組成與測(cè)量點(diǎn)正應(yīng)力、剪應(yīng)力相對(duì)應(yīng)的電橋[10].

圖3中的a）、b）、c）、d）、e）、f）即為輸出力/力矩的測(cè)量電路，設(shè)各電橋的輸出電壓為容易得到各橋路的輸出為：

3.系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。相較于外國企業(yè)，通常中國企業(yè)的自主創(chuàng)新能力較弱，研發(fā)過程中往往伴隨著大量的人力、物力以及資金投入，某些無形資產(chǎn)的研發(fā)還需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，并且能否研發(fā)成功還具有較大的不確定性；有時(shí)投入很多卻不一定能夠換來滿意的、有價(jià)值的研究結(jié)果，甚至可能失敗。因此，如果企業(yè)評(píng)估自身的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)較高，無力承擔(dān)無形資產(chǎn)研發(fā)成本，或者認(rèn)為自身的研發(fā)實(shí)力較弱，研發(fā)失敗的幾率較高，往往就會(huì)選擇以購買或者接受投資等方式獲得相關(guān)技術(shù)，取代自主研發(fā)，以降低不必要的成本支出。據(jù)此，我們提出第三個(gè)假設(shè)：

圖3 應(yīng)變片組橋方案Fig 3 Strain gages bridges

將彈性體所受的力/力矩用廣義力Q代表，即

下面分析各輸出力/力矩對(duì)橋路1的影響：

通過對(duì)6個(gè)橋路的分析，證明這種應(yīng)變片布片方法與組橋方案完全可以實(shí)現(xiàn)六維力信號(hào)的直接解耦，從而應(yīng)用于六維力傳感器的設(shè)計(jì)，從原理上消除耦合.

4 結(jié)論

由以上分析可知，此傳感器的應(yīng)變片布片和組橋方案可以很好的消除傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)變片布片及解耦之間的矛盾，能夠?qū)崿F(xiàn)六維力信號(hào)的直接解耦輸出，并且將測(cè)量點(diǎn)減少到4個(gè)，應(yīng)變片減少至8個(gè)，貼片工作量大大減小，同時(shí)也減少了因測(cè)點(diǎn)選擇而引起的誤差和應(yīng)變片的貼片誤差.該方案不僅解決了K&C試驗(yàn)時(shí)測(cè)量時(shí)輪胎的壓偏情況問題，而且有較好的可移植性，其他需要直接輸出應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的零部件也可使用該方法，方便的改造傳感器，適應(yīng)不同零部件的應(yīng)力測(cè)量.

[1]熊雅晴，虞偉建.一種新型自解耦六維力/力矩傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（11）：106-108，115.

[2]張為公.一種六維力傳感器的新型布片和解耦方法[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（2）：104-107.

[3]郭孔輝，楊一洋，許男，等.輪胎試驗(yàn)臺(tái)六分力解算、標(biāo)定與優(yōu)化分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（5）：8-15.

[4]張家敏，許德章.改進(jìn)粒子群優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的六維力傳感器解耦研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2016（7）：8-11.

[5]Yang K，Ma S，Wang T，et al.Design of a decoupled six-axis force sensor for powered lower limb exoskeleton[C]//International Conference on Computer Engineering，Information Science&Application Technology.2016.

[6]張付祥.仿人行走機(jī)器人腳部六維力傳感器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2002.

[7]吳利廣，朱冰，孫博華.懸架K&C試驗(yàn)臺(tái)六分力傳感器[P].吉林：CN203772473U，2014-08-13.

[8]劉鴻文.材料力學(xué)[M].第4版.北京：高等教育出版社，2004.

[9]張為公.用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力的改進(jìn)方法——二向應(yīng)力片及三向應(yīng)力片[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，1993（5）：700-705.

[10]姚智慧，張付祥，陳華.新型力解耦機(jī)器人六維力傳感器研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（2）：160-162.

[責(zé)任編輯 田豐夏紅梅]

Distributing and decoupling method of a novel self-decoupling six-dimensional force sensor

BIAN Xueliang1,WANG Le1，2,WU Liguang1
（1.School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China;2.China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300300,China）

A new scheme of six-dimensional force strain gages of sensor distributing and decoupling is proposed.Problems of present technologies such as complex structure of spoke,test errorand decoupling indirectly is solved by taking new distributing method and bridging form.The stress measurement principle and distributing method is described in detail, and finally the bridge form is analyzed.This method greatly reduces the workload of distributing and improved the precision,which has a good prospect of application.

six-axis force sensor;stress patches;decoupling;bridge circuit analysis

TP212.12

A

1007-2373（2017）02-0049-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.02.009

2016-11-03

卞學(xué)良（1957-），男，教授，bxl18@163.com.