基于薄板和伯努利-歐拉梁理論的六維力傳感器動態(tài)特性分析

六維力傳感器可以測量三維空間內(nèi)3個方向上的力和力矩信息,在機器人感知和控制方面起著極其重要的作用.傳感器的動態(tài)特性包括時域領(lǐng)域特性和頻域領(lǐng)域特性.其中,固有頻率和模態(tài)振型特征是傳感器頻率領(lǐng)域動態(tài)特性的重要參數(shù).文章基于彈性力學(xué)中薄板和伯努利-歐拉梁理論建立傳感器各模塊動態(tài)數(shù)學(xué)模型,分析出各方向一階固有頻率和主振型,為傳感器動態(tài)特性領(lǐng)域深入研究提供理論參考. 六維力傳感器的發(fā)展始于20世紀70年代,我國對這一領(lǐng)域的研究從20世紀80年代末開始.研究前期,六維力傳感器主要由連續(xù)結(jié)構(gòu)的彈性體組成,彈性體的敏感變形處是由細桿或彈性梁構(gòu)成,這種傳感器在耦合和精度上不可達到良好的性能比.針對這一問題,中國科學(xué)院合肥智能研究所在以往研究經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,設(shè)計出基于薄板和伯努利-歐拉梁結(jié)構(gòu)的雙E型六維力傳感器,該傳感器具有測量精度高、彈性體耦合小、輸出線性度好等優(yōu)點,已被大量采用.由于雙E型六維力傳感器研發(fā)時間較遲,且不具備傳感器頻域領(lǐng)域動態(tài)特性測量設(shè)備,該型號傳感器的動態(tài)模型、理論研究的模態(tài)特征值尚未確立.本文根據(jù)板殼和伯努利梁原理中的節(jié)線、節(jié)圓定理對該傳感器的固有頻率和模態(tài)振型進行分析和研究,并利用ANSYS軟件進行實驗論證,為今后在該領(lǐng)域內(nèi)六維力傳感器的研究提供參考. 雙E梁六維力傳感器由于研發(fā)時間較遲，其動態(tài)數(shù)學(xué)模型尚未建立.本文通過薄板的節(jié)線、節(jié)圓定理 和伯努利-歐拉梁定理推算出該傳感器部分動態(tài)數(shù)學(xué)模型和各方向一階固有頻率，并通過 ANSYS軟件 進行驗證.軟件分析證明，對該傳感器的固有頻率計算和主振型推算是準確的，為今后該傳感器動態(tài)特性 的深入研究提供了理論參考.