轮辐结构压电式六维力传感器设计

徐兴盛; 李映君; 王桂从; 孙选; 孙杨

doi:10.37188/OPE.20202812.2655

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轮辐结构压电式六维力传感器设计

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-01-04

- 轮辐结构压电式六维力传感器设计
- Design of six-axis force piezoelectric sensor with spoke structure
- 光学精密工程 2020年28卷第12期页码：2655-2664
- 作者机构：
  
  济南大学机械工程学院，山东济南 250022
- 作者简介：
  
  [ "徐兴盛（1992-），男，山东聊城人，硕士研究生，2016年于济南大学获得学士学位，主要研究方向为压电六维力传感器测控技术。E-mail：2928838432@qq.com" ]
  [ "李映君（1982-），男，山东烟台人，博士，教授，硕士生导师，2004年于山东科技大学获得学士学位，2007年于沈阳理工大学获得硕士学位，2010年于大连理工大学获得博士学位，主要研究方向为传感器与执行器测控技术、工业机器人技术和智能化仪器仪表技术。E-mail：me_liyj@ujn.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51875250;51705200);山东省高等学校青创科技支持计划(2019KJB018)
- DOI：10.37188/OPE.20202812.2655
  中图分类号： TH823
- 收稿日期：2020-09-10，
  
  修回日期：2020-10-19，
  
  纸质出版日期：2020-12-15
- 稿件说明：
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徐兴盛,李映君,王桂从等.轮辐结构压电式六维力传感器设计[J].光学精密工程,2020,28(12):2655-2664.

XU Xing-sheng,LI Ying-jun,WANG Gui-cong,et al.Design of six-axis force piezoelectric sensor with spoke structure[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2655-2664.
徐兴盛,李映君,王桂从等.轮辐结构压电式六维力传感器设计[J].光学精密工程,2020,28(12):2655-2664. DOI： 10.37188/OPE.20202812.2655.

XU Xing-sheng,LI Ying-jun,WANG Gui-cong,et al.Design of six-axis force piezoelectric sensor with spoke structure[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2655-2664. DOI： 10.37188/OPE.20202812.2655.

摘要

针对机器人对工作环境进行反馈进而实现自动化作业，展开了对压电式六维力传感器的研究。本文选用压电石英作为力敏元件，结合并联分载原理及多点测量原理提出一种8点支撑轮辐式压电六维力传感器结构及其测量原理，它具备强解耦、轻量化、大量程和高固有频率的特点。利用ANSYS软件进行参数化建模，并进行六维力静力学仿真实验，验证了8点支撑轮辐式传感器测量原理。搭建了准静态标定及动态标定平台，对设计的压电式六维力传感器进行标定。实验结果表明，传感器的非线性度<0.5%，维间干扰<4%，固有频率超过6 kHz。轮辐式结构压电六维力传感器可以有效地完成六维力测量并消除维间耦合，满足动态测量需求，为轻量化大量程传感器的设计提供了理论基础和设计依据，对其他类型压电式六维力传感器设计和研制具有重要的参考价值。

Abstract

Aiming at the robot's feedback to the working environment for realizing automatic operation， a piezoelectric six-axis force sensor was designed. Specifically， an eight-fulcrum spoke six-axis force sensor structure combined with the principle of multipoint measurement was proposed herein. Quartz was employed as the piezoelectric material in the force-sensing device. The advantage of such a sensor is its strong decoupling， light weight， large range， and high natural frequency. The parametric modeling of this sensor was carried out using the ANSYS finite element software. The measurement principle of the eight-fulcrum sensor’s feasibility was verified through a six-axis force quasi-static simulation. Moreover， a quasi-static and dynamic calibration experimental platform was built to conduct the calibration experiment. The experimental results show that for the proposed sensor， the nonlinearity is less than 0.5%， inter-dimensional interference is more than 4%， and natural frequency is over 6 kHz. From the theoretical analysis and experimental results， we confirmed that the sensor structure could complete the six-axis force measurement and that the coupling between the dimensions was eliminated. The demand for dynamic measurement was thus fulfilled. The proposed sensor’s structure provides the theoretical and design bases for the design of lightweight large range sensors， which is of important reference significance for the design and development of other types of piezoelectric six-axis force sensors.

关键词

Keywords

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