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电阻应变片式六维力传感器弹性体力学特性的研究

作　者: 汪志红
导　师: 许德章
学　校: 安徽工程大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 六维力传感器弹性薄板静力学分析自由振动受迫振动
分类号: TP212.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 22次
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内容摘要

随着机器人智能化水平的不断提高,对机器人所用六维力传感器的要求也越来越高,这就要求对多维力传感器要有全面的认知。要从本质上认识多维力传感器,则需建立其准确的数学模型。目前关于多维力传感器的建模方法,应用较为广泛的有实验法和数值法,但这两种方法存在着共同的缺点,即不能揭示传感器所受外力与其弹性体变形、内部应力及应变的本质关系,而解析法能够解决该问题。解析法的分析结果能反应传感器受力与其弹性体变形间的本质关系,所以采用解析法建立传感器力学模型具有重要意义。本文来源于国家自然基金项目“电阻应变片式六维力传感器动态耦合特性研究(项目编号：No.51175001)”,主要研究内容为围绕机器人六维力传感器力学特性,采用解析法建立其准确的数学模型。本文主要研究工作和研究方法如下：(1)静力学研究方面,根据双E型膜六维力传感器结构特点,将其分解成弹性体和刚体两部分,其中刚体等效成弹性体边界条件。将外界作用于传感器上的载荷等效到各弹性体上,得到各弹性体受力模型。根据材料力学及弹性力学相关理论完成传感器静力学的理论推导及仿真；(2)根据传感器弹性体外形的不同,采用针对性的方法分析其自由振动。针对薄矩形板,采用瑞利-里兹法、分离变量法及梁函数组合法,推导得到其固有频率及振型函数的近似解；对于上下E型膜,则根据贝塞尔方程及贝塞尔函数的性质,得到其固有频率和振型函数的精确解。配合MATLAB软件的使用,得到各弹性体自由振动仿真图；(3)在自由振动基础上,分析当单一正弦力作用时,传感器弹性体动挠度的解析表达式。根据傅里叶级数及傅里叶变换理论,得到随时间变化的任意力按单一正弦力加载方向加载时弹性体受迫振动；(4)根据传感器实际工作中受力情况,将空间任意方向载荷分解成空间六个方向分力,从而得到传感器各方向受力情况。本文主要创新之处在于摈弃常用的实验建模法和数值建模法,取而代之以解析法建立传感器静力学模型,推导传感器弹性体自由振动相关参数及受迫振动动挠度表达式,为后续分析传感器其它特性提供理论依据。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 多维力传感器的发展  11-15
    1.2.1 国外研究概况  11-14
    1.2.2 国内研究概况  14-15
  1.3 六维力传感器力学特性研究现状  15-17
    1.3.1 静力学性能  15-16
    1.3.2 动力学性能  16-17
  1.4 研究目的及意义  17-18
  1.5 课题主要研究内容  18-19
第2章六维力传感器静力学分析  19-46
  2.1 引言  19
  2.2 薄板弯曲问题  19-23
    2.2.1 有关概念及基本假设  19-20
    2.2.2 基本关系式与微分方程  20-21
    2.2.3 薄板横截面内力及应力  21-22
    2.2.4 边界条件  22-23
  2.3 圆薄板弯曲  23-24
    2.3.1 弯曲微分方程  23
    2.3.2 内力及边界条件  23-24
    2.3.3 轴对称弯曲  24
  2.4 六维力传感器基本结构  24-26
  2.5 单向力作用时传感器静力分析  26-45
    2.5.1 M_z单独作用时传感器静力分析  26-30
    2.5.2 F_z单独作用时传感器静力分析  30-35
    2.5.3 M_x/M_y单独作用时传感器静力分析  35-40
    2.5.4 F_x/F_y单独作用时传感器静力分析  40-45
  2.6 本章小结  45-46
第3章六维力传感器自由振动分析  46-67
  3.1 引言  46
  3.2 薄板横向自由振动  46-48
  3.3 薄矩形板自由振动  48-53
    3.3.1 瑞利-里兹法  48-49
    3.3.2 薄矩形板自由振动  49-53
  3.4 圆环薄板自由振动  53-58
    3.3.1 贝塞尔函数  53-55
    3.3.2 变形的贝塞尔函数  55-56
    3.3.3 极坐标下薄板自由振动  56-58
  3.5 上E型膜自由振动  58-62
  3.6 下E型膜自由振动  62-66
  3.7 本章小结  66-67
第4章六维力传感器受迫振动分析  67-83
  4.1 薄板受迫振动  67-68
  4.2 薄矩形板受迫振动  68-72
  4.3 上E型膜受迫振动  72-77
    4.3.1 圆薄板受迫振动  72-73
    4.3.2 上E型膜受迫振动  73-77
  4.4 下E型膜受迫振动  77-81
  4.5 任意动载荷傅里叶分析  81-82
    4.5.1 傅里叶级数  81-82
    4.5.2 傅里叶变换  82
  4.6 本章小结  82-83
第5章空间力的分解  83-87
  5.1 引言  83
  5.2 传感器受力分解  83-86
    5.2.1 中心点力的分解  84
    5.2.2 非中心点力的分解  84-86
  5.3 本章小结  86-87
第6章总结与展望  87-89
  6.1 论文总结  87-88
  6.2 未来研究展望  88-89
参考文献  89-92
攻读学位期间发表的学术论文目录  92-93
致谢  93

电阻应变片式六维力传感器弹性体力学特性的研究

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