基于薄板和伯努利-欧拉梁理论的六维力传感器动态特性分析

六维力传感器可以测量三维空间内3个方向上的力和力矩信息,在机器人感知和控制方面起着极其重要的作用.传感器的动态特性包括时域领域特性和频域领域特性.其中,固有频率和模态振型特征是传感器频率领域动态特性的重要参数.文章基于弹性力学中薄板和伯努利-欧拉梁理论建立传感器各模块动态数学模型,分析出各方向一阶固有频率和主振型,为传感器动态特性领域深入研究提供理论参考. 六维力传感器的发展始于20世纪70年代,我国对这一领域的研究从20世纪80年代末开始.研究前期,六维力传感器主要由连续结构的弹性体组成,弹性体的敏感变形处是由细杆或弹性梁构成,这种传感器在耦合和精度上不可达到良好的性能比.针对这一问题,中国科学院合肥智能研究所在以往研究经验的基础上,设计出基于薄板和伯努利-欧拉梁结构的双E型六维力传感器,该传感器具有测量精度高、弹性体耦合小、输出线性度好等优点,已被大量采用.由于双E型六维力传感器研发时间较迟,且不具备传感器频域领域动态特性测量设备,该型号传感器的动态模型、理论研究的模态特征值尚未确立.本文根据板壳和伯努利梁原理中的节线、节圆定理对该传感器的固有频率和模态振型进行分析和研究,并利用ANSYS软件进行实验论证,为今后在该领域内六维力传感器的研究提供参考. 双E梁六维力传感器由于研发时间较迟，其动态数学模型尚未建立.本文通过薄板的节线、节圆定理 和伯努利-欧拉梁定理推算出该传感器部分动态数学模型和各方向一阶固有频率，并通过 ANSYS软件 进行验证.软件分析证明，对该传感器的固有频率计算和主振型推算是准确的，为今后该传感器动态特性 的深入研究提供了理论参考.