一种机器人腕力传感器弹性体结构设计与力学性能分析

发布时间：2019-08-03 20:02

【摘要】：针对一种工业型串联关节式机器人设计了一种悬臂梁式腕力传感器弹性体结构形式,对其材料的选取进行了说明,利用有限元分析软件ANSYS对其进行了建模、设置约束、施加载荷,最后查看了弹性体的应变图并对其进行了强度、刚度校核。分析结果显示,该弹性体结构力学性能良好,应变片粘贴梁处应变大,符合该机器人使用要求。
【图文】：

双端固定梁桁架梁悬臂梁八角环(垂直方向)八角环(切向)灵敏度β静刚度K灵敏度β静刚度K灵敏度β静刚度K灵敏度β静刚度K灵敏度β静刚度K3L/4Ebh216Ebh3/L33L/4Ebh216Ebh3/L36L/Ebh3Ebh3/4L31．09Ｒ/Ebh2Ebh3/0．715Ｒ32．18L/Ebh2Ebh3/3．7681．2弹性体结构设计及材料选择在悬臂梁结构的弹性体中，十字浮动交叉梁结构是最典型的一种，应用也最广泛。因此，选用十字浮动交叉梁结构弹性体为腕力传感器的变形元件。根据实验室机器人腕部结构的尺寸，设计出的弹性体如图1所示，在进行弹性体分析时，认为其底座和中心台为理想刚体，当浮动梁的变形量大于主梁的变形量的20倍时，可忽略主梁的变形量，而将主梁简化为悬臂梁结构进行分析。图1弹性体主体结构及名称目前，国内外机器人所用腕力传感器的弹性体材料多采用LY12硬铝和40Cr。由于LY12硬铝价格便宜、易于加工，且其密度只有40Cr的1/3左右。所以本传感器弹性体材料采用LY12硬铝合金。LY硬铝的主要机械性能参数如表2所示。表2LY硬铝的机械性能参数弹性模量E/(1010N·m－2)剪切模量G/(1010N·m－2)密度ρ/(103kg·m－3)泊松比μ屈服强度σs/(kN·m－2)7．22．72．780．333．42弹性体力学性能分析本文将利用ANSYS分析软件对研制出的腕力传感器弹性体进行有限元分析，主要研究其力学性能。2．1弹性体有限元模型的建立本文所采用的弹性体结构作为整体，用LY12硬铝合金一次性加工成型，这样的结构可使传感器的刚度、灵敏度等都有很大的提升。本文选用ANSYS中的SOLID95高精度实体单元作为仿真的单元，智能网格划分控制，使弹性体主梁上每条线划分为15份，其余由ANSYS自动划分

一种机器人腕力传感器弹性体结构设计与力学性能分析

体力学性能分析本文将利用ANSYS分析软件对研制出的腕力传感器弹性体进行有限元分析，主要研究其力学性能。2．1弹性体有限元模型的建立本文所采用的弹性体结构作为整体，用LY12硬铝合金一次性加工成型，这样的结构可使传感器的刚度、灵敏度等都有很大的提升。本文选用ANSYS中的SOLID95高精度实体单元作为仿真的单元，智能网格划分控制，，使弹性体主梁上每条线划分为15份，其余由ANSYS自动划分，最后得到的有限元模型共有44145个节点，26454个单元。在ANSYS中进行弹性体的实体建模模型及网格划分后的结果如图2所示。图2ANSYS中弹性体划分网格后模型2．2设置约束及施加载荷网格划分后要对弹性体模型进行约束的设置，弹性体的底座和机器人的手臂相连接，使用4个螺栓使其连接在一起，可看做刚性连接。所以，对弹性体模型底部的设置要使其全部的自由度为零。接下来要对弹性体模型施加集中力/力矩。根据该传感器的测力要求和实际中机器人手腕的受力情况，这里确定6种典型的工况:通过坐标原点，分别沿X，Y，Z方向及绕X，Y，Z方向作用于弹性体十字梁的集中力与力矩分别为:Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz。在力/力矩加载中，坐标原点设定在中心台的中心位置。由于弹性体的对称结构，在Fx，Fy和Mx，My作用下的弹性体变形及应变情况相似。故只对Fx，Fz和Mx，Mz进行分析。腕力传感器实际工作中，弹性体通过中心台上的4个螺栓和机器人手连接在一起，这样手的受力就通过4个螺栓传递给了传感器的弹性体，所以力/力矩加载应在中心台的4个螺栓相应位置(注:中心台上4个孔即为螺栓孔位置)施加单维力和力矩，设定个坐标轴正方向为正，力矩方向由右手定则判断。通过查看求解后应变图，就可以了解
【作者单位】：中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所;
【分类号】：TP212

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