ANSYS在平板式压电四维力力矩传感器设计中的应用.pdf

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1、第23卷第11期传感技术学报Vo1．23No．112010年11月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSNOV．2Ol0ApplicationofANSYSintheDesignofParallelPiezoelectric4一AxisForce／TorqueSensorLIUJun，QINLan，LIMin，LIUJingcheng，XUELiani1．KeyLaboratory0f0ptoelectronicTechnologyandSysternoftheEducationMstryofChina，Choagqi

2、ngUniversity，Chongqing400044，2．College。厂MechanicalEngineering，SichuanUniversityofScience＆Engineering，ZigongSichuan629200，ChinaAbstract：Accordingtotherequirementsofhapticbasedhuman—computerinteractionsystemforthefour-axisforce／torquesensor，anovelparallelpiezoelectricfour—axisfor

3、ce／torquesensorisdeveloped．First，thesensor’Sstructureandoperatingprinciplearepresented．Thenitsmathematicmodelisderived，andfiniteelementmodelofsensorisestablishedanalyzedbyANSYSsoftware．Finally，thesensor’Sinputchargesensitivity，couplinginterferenceandnaturalfrequencyareobtained．

4、Researchresultsindicatethatthesensorhasadvantagesinsimpleandrationalstructure，correctmathematicmodel，nicemanufacturability，goodlinearity，goodrigidity，andnaturalfrequencyismorethan35kHz．theinterferenceerrorislessthan3％withoutdecouplingmatrix．Itcansatisfytherequirementsofsensor’S

5、designtarget．Keywords：piezoelectricsensor；force／torquesensor；finiteelement；four·axisEEACC：7230；0290T；7310T；7120doi：10．3969／j．issn．1004—1699．2010．11．013ANSYS在平板式压电四维力／力矩传感器设计中的应用术刘俊，秦岚，李敏，刘京诚，薛联，1．重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044；＼＼2．四川理工学院机械工程学院，四川自贡629200／摘要：针对人机触觉交互系统对四维力／力矩传感器的需

6、求，研制了一种新型平板式压电四维力／力矩传感器。首先，介绍了传感器的结构和工作原理。然后，推导了传感器的数学模型，建立了传感器的有限元模型。最后，得到了传感器输出的电荷灵敏度、维间干扰、固有频率等重要性能指标。研究结果表明：传感器结构简单合理、数学模型正确、加工工艺性好、线性度好、刚度高、固有频率大于30kHz、未使用退耦矩阵时的维间干扰小于3％。满足传感器的设计指标。关键词：压电传感器；力／力矩传感器；有限元；四维中图分类号：Tm文献标识码：A文章编号：1004—1699(2010)11—1580-06人机交互触觉系统是当前机器人领域研究的热法克服

7、维间干扰的影响，同时由于这种感知和测点⋯，该系统被广泛用于虚拟现实、康复训练、娱乐等量外力信息的弹性体存在，导致其存在弹性体结构复等行业。用于测量交互装置(如操纵杆、游戏手柄、肢杂程度与解耦之间的矛盾问题、高固有频率与高灵体康复装置)与人之间的多维交互力信息的多维力／敏度之间的矛盾问题、弹性体质量大小与解耦难易力矩传感器是该系统的核心部件，目前所用的多维程度的矛盾问题。现有的三维力传感器虽然包括力／力矩传感器主要为六维和三维两种，绝大多了弹性体式和非弹性体式两类，结构较为简单，维间数都是选用通过安装在弹性体上的传感元件(以应变干扰小，但是无法提供机器

8、人装配作业过程中必需的片／电阻等为主)检测因被测力而产生变形的弹性体力矩信号。研究者发现，在实际应用中能够提