一种无线式六维力传感器的研制

吕志鹏，王卫英，刘思凡，马成聪

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

0 引言

目前大多数的六维力和力矩传感器都是安装在机器人腕部，用来检测机械手抓取工件或者与外部环境接触时所承受的力和方向[1]。而用于与直升机旋翼轴相连，检测旋翼系统在旋转状态下作用在旋转轴上的力和力矩分量的多维力传感器并不多见。而如果能够得到这些力和力矩的准确信息，对于了解旋翼的动力学性能，对旋转机翼的翼型配置、桨叶平面形状和桨尖形状设计将提供重要的数据来源[2]。

本文设计了一种能够和旋翼主轴共同旋转的小型的六维力传感器原理样机，可以通过法兰与旋翼的主轴相连，并且能够将所测得的六维力和力矩信息实时地以无线的方式发送出去，代替传统利用导电旋转滑环的方式传输数据。

1 传感器总体结构设计

本文设计的六维力传感器是基于电阻应变式测量原理，总体结构如图1所示。其中，传感器数据采集系统的硬件电路部分被集成在了传感器内部。传感器的装配体从上而下分别为顶盘、基座、弹性体、电路板、电池和底座。顶盘上内圈的4个通孔通过螺栓和螺母与弹性体中心凸台上的4个通孔相连接。弹性体轮辐外圈上的8个通孔通过沉头螺丝与基座上的8个螺纹孔相连接。电路板最外圈有4个通孔通过六角铜螺栓与底板上相对应的螺纹孔相连接。电池通过双面胶粘贴在底板上。

图1 传感器三维模型剖视图

2 弹性体设计及有限元分析

2.1 弹性体结构设计

弹性体作为传感器上粘贴应变片的承力元件，其结构设计的好坏直接决定了传感器的工作性能[3]。六维力传感器弹性体由整块圆盘料加工而成，如图2所示。图中，A1A2、B1B2、C1C2和D1D2为弹性梁，E1E2、F1F2、G1G2和H1H2为浮动梁，4支弹性梁通过中心凸台连接，中心凸台的上表面作为弹性体承受外载荷的受力面用来将力和力矩传递给弹性梁。4支浮动梁的作用是通过增大弹性体的应变输出来增加传感器的灵敏度。弹性体各主要几何尺寸如下：

(1)弹性梁：宽4 mm，高6 mm，长20 mm；

(2)浮动梁：宽1 mm，高6 mm，长24 mm；

(3)中心凸台：边长24 mm，高8 mm；

(4)轮缘：外径80 mm，内径56 mm，高6 mm。

图2 弹性体结构

2.2 弹性体有限元分析

本文中采用Abaqus软件进行弹性体受力变形的有限元分析。弹性体的材料选择为7075铝合金，其材料参数如表1所示[4]。

表1 弹性体材料参数

弹性体是通过轮缘上的8个定位孔固定在基座上的，因此将8个定位孔的所有方向上的自由度全部设置为0。施加载荷前，在弹性体中心处设置一参考点并且与凸台的中心孔内壁表面建立耦合关系[5]。此外，因为弹性体结构关于坐标轴严格对称，所以只对x和z轴方向的力和力矩进行分析。其中x和z轴方向的作用力以集中力的方式作用在耦合参考点上；x和z轴方向的力矩以力偶的形式作用在耦合参考点上。

通过Abaqus的分析和后处理技术[5]，增大变形放大系数，弹性体分别受到满量程的单维力Fx=300 N、Fz=900 N、Mx=20 Nm与Mz=20 Nm时的应变分布云图如图3所示。从图中可以看出，弹性体在各维度满量程的载荷下的最大米塞斯应力都没有超过材料的屈服应力，所以弹性体结构在强度方面达到了要求。

(a)Fx=300 N

(b)Fz=900 N

(c)Mx=20 Nm

(d)Mz=20 Nm

为了更清楚的了解弹性梁表面节点在各单维载荷作用下的应变大小，同时也是为了给应变片的贴片位置选择提供参考[6]，运用Abaqus的路径映射技术，输出弹性梁在各单维额定载荷下的节点应变路径曲线。以弹性梁与中心凸台的交界处作为顶端，与浮动梁交界处作为末端，根据前面的应力、应变分布云图，在弹性梁发生主要变形的表面定义一条用于应变映射的节点路径，从而输出这一条路径上各节点应变的确切数值，如图4所示。从图中可以看出，弹性梁的应变与距离呈现递减趋势，在弹性梁与中心凸台和浮动梁的交界处由于应力集中的关系，应变路径曲线出现较大幅度的弯折。这部分应力集中可以通过在交界处增加圆角的方式予以减轻[7]。

3 应变片布置及组桥设计

传感器的弹性体上共粘贴有24个应变片，其中每4个应变片组成一个全桥电路，共组成6个全桥电路来测量作用在传感器上的六维力和力矩。参考图4的应变路径曲线图和应变片自身的尺寸大小，将用来测量Fx、Fy和Fz的应变片贴片位置定于弹性梁表面距中心凸台边界的5 mm处，用来测量Mx、My和Mz的应变片贴片位置定于弹性梁表面距中心凸台边界12 mm处。粘贴应变片的弹性体和应变片编号示意如图5所示。

(a)Fx=300 N作用下沿路径各节点的应变分布图

(b)Fz=900 N作用下沿路径各节点的应变分布图

(c)Mx=20 Nm作用下沿路径各节点的应变分布图

(d)Mz=20 Nm作用下沿路径各节点的应变分布图图4 节点应变沿路径分布图

图5 应变片布置示意图

其中应变片1、2、3、4组成一个全桥电路用来测量切向力Fx所引起的应变。应变片5、6、7、8组成一个全桥电路用来测量切向力Fy所引起的应变。应变片9、10、11、12组成一个全桥电路用来测量轴向力Fz所引起的应变。应变片13、14、15、16组成一个全桥电路用来测量弯矩My所引起的应变。应变片17、18、19、20组成一个全桥电路用来测量弯矩Mz所引起的应变。应变片21、22、23、24组成一个全桥电路用来测量扭矩Mz所引起的应变。

4 硬件电路及PCB设计

4.1 硬件电路总体结构设计

传感器硬件系统能够实现六维力和力矩的信号采集以及通过无线模块实现测量数据的无线传输，图6是传感器硬件电路系统框图，具体可以划分为以下模块：

(1)信号调理模块：将电桥输出的电压信号经由仪表放大器AD623电路进行放大，再将放大后的信号经过双通道通用运算放大器LM358电路进行电压抬升与滤波处理，处理后输入到STM32微控制器的A/D口进行数模转换；

(2)STM32微控制器模块：用来接收处理传感器采集的数据信息，包括实时的力和力矩信号数据、温度信号数据，并将采集的数据信息发送到无线端口；

(3)无线通讯模块：将所有采集的数据信息通过NRF24L01无线模块电路发送到另一块载有NRF无线模块的STM开发板，并由它将接收到的数据通过串口通信方式发送到PC端进行实时的处理和显示。

图6 传感器硬件电路系统框图

4.2 信号调理模块电路设计

信号调理模块电路由前置放大电路和后置电压抬升与滤波电路两部分构成，如图7所示。在设计放大电路时，首先对放大倍数进行估计。对于每一维度的应变电桥来说。由有限元分析结果，可以大概估计出贴片位置在满量程情况下的最大应变ε，根据全桥电路原理[8]，估算出每一维度的电桥在满载情况下的输出电压。为了获得较好的模拟电压输出信号，将经过放大后的输出电压范围控制在-1.65～+1，65 V之间，由此计算出所需的放大倍数并将其列于表2。

(a)前置放大电路

(b)后置电压抬升与滤波电路图7 信号调理模块电路

表2 放大倍数估算表

由表2可知，电压信号的放大倍数不是很大，这里直接选用仪表放大器AD623对电压信号进行放大。AD623是一款易于使用，可提供满摆幅输出，高性能的芯片。它具有低成本、低功耗的特点。此外，AD623的外围电路非常简单，只需外接一只反馈电阻RG就可以精确控制放大电路的增益[9]。

此外，本设计使用的A/D采集模块是微控制STM32自带的，它只能够转换范围0～+3.3V的电压信号，所以经由放大后的电压信号，必须再进行相应的电压抬升才能满足要求。这里选用双通道通用运放LM358来搭建后置的电压抬升与滤波电路，其中，LM358的1通道连接外围电路用来作为反相加法器将电桥经由放大后的-1.65～+1.65 V的范围电压信号反相抬升至-3.3～0 V，2通道用来作为一阶的有源滤波滤除了100 Hz以上的高频噪声并进行了反相的等比例放大，最终将电压信号调理成0～+3.3 V的可被A/D采集的范围电压。

4.3 无线通信模块电路设计

采用STM32微控制器连接外部无线模块NRF24L01实现六维力传感器实测数据的无线发送。NRF24L01模块接口和微控制器的连接电路如图8所示。STM32微控制器使用的是SPI2口与NRF24L01模块接口相连，STM32的4个引脚PG10、PB13、PB14和PB15分别与NRF24L01模块的片选线NRF_CS、时钟线SPI_SCK、主设备数据输入线SPI_MISO和主设备数据输出线SPI_MOSI相连。PI11、PG12引脚分别与无线模块的中断引脚NRF_IRQ、芯片使能引脚NRF_CE相连。

图8 NRF24L01模块接口与微控制器连接电路

4.4 PCB设计

根据传感器信号采集的硬件连接原理图设计相应的集成电路板。电路板采用双层敷铜板作为印制板，双面铜皮与地线网络相连接。电路板形状为圆形，直径96 mm，在顶层走信号线，底层走电源线，信号线宽度为0.254 mm，电源线与地线宽度都为0.508 mm，通过过孔将顶层与底层的印制线相连接。焊有电子元器件的PCB如图9所示。

图9 含有电子元器件的电路板

整个硬件电路的PCB板制作完成后，将顶盘基座、弹性体、电路板与电池按照图1所示的三维剖视图进行装配，装配完成的实物如图10所示。

5 结束语

本文设计了一种带无线数据发送功能的能够与旋翼模型共同旋转的小型六维力传感器原理样机，通过对弹性体的有限元分析，确定应变片适合的粘贴位置。共24片应变片组成6路全桥电路测量六个维度的力和力矩信息，并对6路电压信号进行了相应的处理。最后制成六维力传感器样机。

(a)粘贴完应变片的弹性体

(b)传感器内部

(c)传感器实物外观图10 六维力传感器样机