一種新型自解耦六維力傳感器布片與解耦方法

一種新型自解耦六維力傳感器布片與解耦方法

卞學良1，王樂1，2，吳利廣2
（1.河北工業大學機械工程學院，天津300130；2.中國汽車技術研究中心，天津300300）

提出1種新型六維力傳感器的應變片布片和解耦方案.采用1種4豎梁結構的彈性體，將測量點數減少為4個，克服了現有技術存在的問題，即應變片數量多、測量誤差大以及軟件解耦不容易解決實際測量時輪胎的壓偏情況的問題.本方法以二向應力測量原理為基礎，通過在4個測量點布置2α角度的8個測量片，組成與測量點正應力、剪應力相對應的電橋，最后對橋路進行了分析.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，具有較大應用前景.

六維力傳感器；應力片；解耦；橋路分析

0 引言

多維力傳感器的應用領域一直很廣泛，包括智能機器人領域、航空航天和軍事領域、生物醫學工程領域以及其它眾多工業領域[1].目前，廣泛用于汽車懸架K&C試驗臺的六維力傳感器有一個共同的缺點，即所用應變片數目較多，且難以實現物理解耦而采用與軟件結合進行解耦.應變片數量越多測量引入的誤差也就越大，而且軟件解耦也不容易解決實際測量時輪胎的壓偏問題，只能通過其他方式定位初始車輪，而這必將會給測量進一步引入誤差.造成該問題的原因主要是六維力傳感器設計中應變片布片受到彈性體結構的限制.為了消除耦合，就需要將彈性體結構設計得復雜，但由此造成應變片數目增多，導致貼片、組橋的工作量增加；如果簡化彈性體結構，則難以實現物理解耦，造成解耦的復雜，增大誤差[2].

郭孔輝教授在文獻[3]中對測量解耦問題進行了研究，推導出考慮自重時試驗臺六分力的解耦公式，提出輪胎耦合力與力矩的標定方法；張家敏教授在文獻[4]中提出一種基于改進粒子群的BP神經網絡算法，應用到六維力傳感器解耦，提高了線性解耦算法精度；文獻[5]將3組彈性梁與兩個圓柱形導力桿組合，使三組彈性梁的變形彼此獨立，從結構上直接消除了力耦合；張為公教授在文獻2中提出一種可以直接解耦的布片、組橋方法，只需在彈性體應變梁上選擇6個測量點，大大低于傳統方式的測量點數（16點或32點）；張付祥教授在文獻[6]中提出一種豎梁結構的彈性體，但是需要設置12個測量點.以上研究工作主要分為傳感器解耦與傳感器結構設計兩個方向.本文在前人研究的基礎上，提出一種基于4豎梁彈性體的傳感器結構，將應力測量點數目減少為4個，通過特定的組橋方法實現直接解耦.根據此方法提出一種直接輸出型六維力傳感器結構[7].

1 應力測量原理

彈性體應變梁在六維力作用下發生變形，表面測量點的應力狀態為二向應力狀態，如圖1a）所示.為了測量二向應力，將應變片成2α角度粘貼，如圖1b）所示.設與x軸成+α、-α角方向上的應變分別為由材料力學理論[8]可知，的關系為

圖1 二向應力狀態及應變片夾角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 應變片布片方案

不同于文獻5的8豎梁結構彈性體，本方法設計了1種4豎梁的彈性體，簡化了結構，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條豎梁上設置4個測量點，且均布置在梁的外徑一側.在每個測量點處，與應變梁軸線成α和-α角度的方向各貼一應變片，共8個，且應變片角度由第1節分析可知，可以計算得到各測量點的二向應力狀態，再采用特定的組橋方式，便可以實現輸出解耦.

圖2 應變片布片方案Fig.2 Strain gages distribution

3 組橋方案與橋路分析

根據上節布片方式確定本方法的組橋方案，如圖3所示.假定各應變片的阻值相等，設各應變片輸出應變為為補償片），則可組成與測量點正應力、剪應力相對應的電橋[10].

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

3.系統性風險。相較于外國企業，通常中國企業的自主創新能力較弱，研發過程中往往伴隨著大量的人力、物力以及資金投入，某些無形資產的研發還需要耗費大量的時間，并且能否研發成功還具有較大的不確定性；有時投入很多卻不一定能夠換來滿意的、有價值的研究結果，甚至可能失敗。因此，如果企業評估自身的系統性風險較高，無力承擔無形資產研發成本，或者認為自身的研發實力較弱，研發失敗的幾率較高，往往就會選擇以購買或者接受投資等方式獲得相關技術，取代自主研發，以降低不必要的成本支出。據此，我們提出第三個假設：

圖3 應變片組橋方案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/力矩對橋路1的影響：

通過對6個橋路的分析，證明這種應變片布片方法與組橋方案完全可以實現六維力信號的直接解耦，從而應用于六維力傳感器的設計，從原理上消除耦合.

4 結論

由以上分析可知，此傳感器的應變片布片和組橋方案可以很好的消除傳感器彈性體結構設計與應變片布片及解耦之間的矛盾，能夠實現六維力信號的直接解耦輸出，并且將測量點減少到4個，應變片減少至8個，貼片工作量大大減小，同時也減少了因測點選擇而引起的誤差和應變片的貼片誤差.該方案不僅解決了K&C試驗時測量時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力測量結果的零部件也可使用該方法，方便的改造傳感器，適應不同零部件的應力測量.

[1]熊雅晴，虞偉建.一種新型自解耦六維力/力矩傳感器結構設計與優化[J].傳感器與微系統，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].南京航空航天大學學報，1999（2）：104-107.

[3]郭孔輝，楊一洋，許男，等.輪胎試驗臺六分力解算、標定與優化分析[J].農業機械學報，2014，45（5）：8-15.

[4]張家敏，許德章.改進粒子群優化BP神經網絡的六維力傳感器解耦研究[J].儀表技術與傳感器，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.仿人行走機器人腳部六維力傳感器研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2002.

[7]吳利廣，朱冰，孫博華.懸架K&C試驗臺六分力傳感器[P].吉林：CN203772473U，2014-08-13.

[8]劉鴻文.材料力學[M].第4版.北京：高等教育出版社，2004.

[9]張為公.用應變片測量應力的改進方法——二向應力片及三向應力片[J].南京航空航天大學學報，1993（5）：700-705.

[10]姚智慧，張付祥，陳華.新型力解耦機器人六維力傳感器研究[J].哈爾濱工業大學學報，2004，36（2）：160-162.

[責任編輯 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

卞學良（1957-），男，教授，bxl18@163.com.