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(lái)檢測(cè)機(jī)械手抓取工件或者與外部環(huán)境接觸時(shí)所承受的力和方向[1]。而用于與直升機(jī)旋翼軸相連，檢測(cè)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(jiàn)。而如果能夠得到這些力和力矩的準(zhǔn)確信息，對(duì)于了解旋翼的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)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(lái)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(guò)法蘭與旋翼的主軸相連，并且能夠?qū)⑺鶞y(cè)得的六維力和力矩信息實(shí)時(shí)地以無(wú)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(cè)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(pán)、基座、彈性體、電路板、電池和底座。頂盤(pán)上內(nèi)圈的4個(gè)通孔通過(guò)螺栓和螺母與彈性體中心凸臺(tái)上的4個(gè)通孔相連接。彈性體輪輻外圈上的8個(gè)通孔通過(guò)沉頭螺絲與基座上的8個(gè)螺紋孔相連接。電路板最外圈有4個(gè)通孔通過(guò)六角銅螺栓與底板上相對(duì)應(yīng)的螺紋孔相連接。電池通過(guò)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(pán)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(dòng)梁，4支彈性梁通過(guò)中心凸臺(tái)連接，中心凸臺(tái)的上表面作為彈性體承受外載荷的受力面用來(lái)將力和力矩傳遞給彈性梁。4支浮動(dòng)梁的作用是通過(guò)增大彈性體的應(yīng)變輸出來(lái)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(zhǎng)20 mm；

(2)浮動(dòng)梁：寬1 mm，高6 mm，長(zhǎng)24 mm；

(3)中心凸臺(tái)：邊長(zhǎng)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(guò)輪緣上的8個(gè)定位孔固定在基座上的，因此將8個(gè)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(tái)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(duì)稱，所以只對(duì)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(guò)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(shí)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(méi)有超過(guò)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(shí)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(tái)的交界處作為頂端，與浮動(dòng)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(shì)，在彈性梁與中心凸臺(tái)和浮動(dòng)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(guò)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(gè)應(yīng)變片，其中每4個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)全橋電路，共組成6個(gè)全橋電路來(lái)測(cè)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(lái)測(cè)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(tái)邊界的5 mm處，用來(lái)測(cè)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(tái)邊界12 mm處。粘貼應(yīng)變片的彈性體和應(yīng)變片編號(hào)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(gè)全橋電路用來(lái)測(cè)量切向力Fx所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片5、6、7、8組成一個(gè)全橋電路用來(lái)測(cè)量切向力Fy所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片9、10、11、12組成一個(gè)全橋電路用來(lái)測(cè)量軸向力Fz所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片13、14、15、16組成一個(gè)全橋電路用來(lái)測(cè)量彎矩My所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片17、18、19、20組成一個(gè)全橋電路用來(lái)測(cè)量彎矩Mz所引起的應(yīng)變。應(yīng)變片21、22、23、24組成一個(gè)全橋電路用來(lái)測(cè)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(hào)采集以及通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)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(hào)調(diào)理模塊：將電橋輸出的電壓信號(hào)經(jīng)由儀表放大器AD623電路進(jìn)行放大，再將放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(lái)接收處理傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，包括實(shí)時(shí)的力和力矩信號(hào)數(shù)據(jù)、溫度信號(hào)數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到無(wú)線端口；

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

圖6 傳感器硬件電路系統(tǒng)框圖

4.2 信號(hào)調(diào)理模塊電路設(shè)計(jì)

信號(hào)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(shí)，首先對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行估計(jì)。對(duì)于每一維度的應(yīng)變電橋來(lái)說(shuō)。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?chǔ)?，根?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(hào)，將經(jīng)過(guò)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(hào)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(hào)的放大倍數(shù)不是很大，這里直接選用儀表放大器AD623對(duì)電壓信號(hào)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(jiǎn)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(hào)，所以經(jīng)由放大后的電壓信號(hào)，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(lái)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(lái)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(hào)反相抬升至-3.3～0 V，2通道用來(lái)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(hào)調(diào)理成0～+3.3 V的可被A/D采集的范圍電壓。

4.3 無(wú)線通信模塊電路設(shè)計(jì)

采用STM32微控制器連接外部無(wú)線模塊NRF24L01實(shí)現(xiàn)六維力傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)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(gè)引腳PG10、PB13、PB14和PB15分別與NRF24L01模塊的片選線NRF_CS、時(shí)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(wú)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(hào)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(hào)線，底層走電源線，信號(hào)線寬度為0.254 mm，電源線與地線寬度都為0.508 mm，通過(guò)過(guò)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(gè)硬件電路的PCB板制作完成后，將頂盤(pán)基座、彈性體、電路板與電池按照?qǐng)D1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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種帶無(wú)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(guò)對(duì)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(cè)量六個(gè)維度的力和力矩信息，并對(duì)6路電壓信號(hào)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)