基于一体化结构的全力测试平台的研制及其动态性能研究

　　1　引　　言

　　全力又称六维力或六分量,在力学测量中,它是最完全的形式。测力平台是一个能在确定面积的台面上完成测量的测试系统,它能测试出任意时刻确定位置空间的三个方向的力(Fx,Fy,Fz)以及三个方向的力矩(Mx,My,Mz),广泛应用于汽车、造船、医疗、运动员训练以及生物力学研究中。

　　目前,研制六维力测试平台的主要有瑞士的Kistler公司,加拿大的AMTI公司。Kistler公司的测力平台主要基于压电晶体的,需要配备电荷放大器,价格相当昂贵。AMTI公司包括国内的清华大学和大连理工大学仿制的测力平台都是应变式的。但从结构上看,这些测力台都是由几个独立的三维力传感器组合而成,这种结构的测力平台存在较大的温飘和初始作用力,每次移动都需重新严格调平,使用起来极其不便;另外由于力矩是计算出来的,难免带来较大的计算误差,文献[1]提出了一种双层结构的结构模式,但还存在诸多问题。

　　一体化全力信息测试平台是根据国家863智能机器人512主题六维腕力传感器的结构为基础研制的,它基于一体化式的结构设计,沿袭了六维力腕力传感器的一些基本特点,同时也提出了一些新的问题,如台面大、量程大情况下的标定与解耦以及如何改善其动态特性等问题。

　　2　结构及测试原理

　　2.1　系统测试原理

　　如图1所示,系统的核心部分是一个400mm×400mm的弹性体,铝质或钢质材料的台面中心留有一方形空腔,在弹性体的四个角上分别伸出一个梁,四根梁整体构成一个十字梁。每根梁的上下左右面各贴有两个应变片,相对面的四个应变片组成一个全桥电路,共产生八组桥路输出。系统在进行测试时,作用力通过台面和弹性体使应变片产生应变,导致阻值的变化,产生桥路输出。由于组桥时,每个梁上的两个桥路侧面的四个应变片组成的桥路对水平方向的作用敏感,上下面四个应变片组成的桥路对垂直方向的作用敏感。不同的作用对不同的桥路产生不同的输出,另外同样的力在台面的不同位置对桥路的输出影响也是不同的,由此对应关系,可以测量它的力分量和转矩。其中坐标中心原点规定为十字梁中心平面的中心点,其中x,y,z成右手系。

　　2.2　系统总体结构

　　如图2所示为全力测试系统的结构框图。从弹性体输出的桥路信号为几个毫伏,所以采用两级放大,第一级放大倍数约500倍,所以必须选用高共模抑制比的放大电路,实际选用的是AD624。第二级放大器主要起调零和量程转换作用。

　　桥路输出信号经过两级放大,使输出保持在±5V之间,然后进行采样保持与A/D转换,A/D后的数据被采集进计算机进行综合处理,包括解耦,运算控制与数据库输出。