0 引言

随着科学技术的发展，机器人技术越来越多地被应用于各种场合，如搬运、焊接、装配等。四维力传感器可配合四自由度机器人感知受力信息，是作为机器人智能化特征的一个关键部件。四维力传感器的关键元件为弹性体，弹性体的结构能直接决定传感器的灵敏度、刚度、线性度、迟滞、重复性、固有频率、维间耦合等性能，是传感器性能优劣的关键[1]。本文提出一种四维力传感器力弹性体结构，该新型四维力传感器可以同时测量沿三维坐标轴X、Y、Z方向的力和绕坐标轴Z方向的力矩。本文采用有限元分析软件ANSYS对弹性体进行静力分析和模态分析，仿真研究该新型传感器弹性体的性能。

（3）缺乏主管部门主持协调。各平台缺乏协调，各自为政，不能联合建设，项目多和全，建设重点不突出。致使学科基础、专业类实验项目大同小异，低层次重复建设现象严重，资源浪费。

(2) 部分人流量大的建筑物，如大型购物广场、会展中心等，由于移动电话的利用率高，导致部分网络容量无法满足业务需求，造成基站拥塞现象。通过室内覆盖系统，提升通信网络容量。

广彩的产生和发展，体现了海丝文化背景下，岭南文化乃至中华传统文化创新求存、多元发展的变革精神，突破了中国传统陶瓷艺术所秉承的含蓄守慎、舍形求意的审美追求。[5 ]广彩瓷器，承载了海上丝绸之路的外销使命，天生具有特殊的文化倾向和东西融合的血统。在广彩中体现出了精彩的异域情调，体现出中国传统陶瓷在贸易史中所做出的改革与变通。广彩诞生在古代丝绸之路上，经历了长时间的磨砺与发展，成为传播中国文化的桥梁和媒介。现今，在党和国家倡导的新海上丝绸治理的政策引领下，我们更应进一步传承和发扬广彩文化，为我国陶瓷事业的发展做出贡献。

1 ANSYS软件

ANSYS是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件，它能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛应用。ANSYS是一款通用的大型有限元分析软件，具有友好的图形操作界面，能够进行各种各样的多物理场耦合计算，可对多领域多变工程问题进行求解，其中结构分析包括静力分析、模态分析、谐响应分析和专项分析等功能。ANSYS能与多数CAD软件(如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer等)结合使用，实现数据共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD工具之一[2]。

2 四维力传感器弹性体有限元建模与分析

该四维力传感器弹性体整体结构如图1所示，它由外环1、4个内梁2、立柱3、底座4组成，内梁2和立柱3的截面为正方形，整个弹性体采用铝合金材料，并且一次加工成型，结构几何尺寸见表1。 立柱和内梁作为受力敏感元件，力或力矩通过外环施加在弹性体上。应变片贴在内梁的上下表面和侧面，立柱的侧面可以搭建4组电桥，得到4路信号，分别检测4个方向的力和力矩。

  

1-外环;2-内梁;3-立柱；4-底座

 

图1 四维力传感器弹性体整体结构

 

表1 弹性体几何尺寸 mm

  

外环内梁立柱底座边长4(A1)8(A2)高度8(L1)55(H1)5(L2)直径60(D1),50(D2)60(D1)整体高度62(H2)

2.1 有限元建模

(3) Mz=120 Nmm，Mz施加于外环，逆时针方向，立柱的刚度远大于内梁。因此内梁作为轮辐剪切梁，与立柱的连接端为固定端。在内梁垂直于Mz两侧面形成应变敏感区域，可组成应变电桥，进而可测出Mz。

在力Fy作用下，立柱侧面1受拉，侧面2受压。在力Fz作用下，内梁侧面4、6受拉，侧面5、7受压。在力矩Mz作用下，内梁侧面8、11受拉，侧面9、10受压。

  

图2 传感器弹性体有限元模型

2.2 载荷施加和计算

(2) Fz=-20 N，Fz施加于外环，立柱的刚度远大于内梁。因此内梁作为悬臂梁，与立柱的连接端为固定端。在内梁垂直于Fz两侧面形成应变敏感区域，可组成应变电桥，进而可测出Fz。

弹性体的底座安装固定在传感器外壳，对其进行有限元分析时可认为底座与传感器外壳为刚性连接，可对底座底面的所有自由度进行约束。

从西部地区信息经济的整体上看，三个梯队层次分明，在各个层次上，四川省、重庆市和陕西省基本上都处在前三甲的位置，优势十分明显，西藏自治区和青海省基本上都处于下游位置，随着层次的上升，劣势也愈发明显，处于中间层次的7个省(市、区)基本上都在中游的位置，有时也出现垫底的情况。

根据四维传感器的测量要求和坐标方向，需设定4种基本的受力：①作用于外环上，沿坐标x方向的力Fx；②作用在外环上，沿坐标y方向的力Fy；③作用在外环上，沿坐标z方向的力Fz；④作用在外环上，绕坐标z方向的力矩Mz。

实验采用的交通数据集包含了从自然场景中采集到的17类共550个样本.这些样本在实际采集过程中存在仿射变换，部分遮挡，背景影响以及照明变化等干扰因素，因此识别难度较大.部分交通标志样本如图1所示.

2.2.2 力/力矩设置

(1) Fy=20 N，Fy施加于外环，内梁的刚度远大于立柱。因此立柱作为悬臂梁，立柱与底座的连接端为固定端，内梁整体可作为刚性梁。在立柱垂直于Fy两侧面形成应变敏感区域，可组成应变电桥，进而可测出Fy。

3 求解结果与分析

3.1 静力计算结果与分析

图3分别表示弹性体在3种典型受力工况下的变形。

建立的坐标轴如图3所示，坐标轴原点处于底座的中心点。由于该弹性体在xy方向为对称结构，只分析沿坐标轴y方向、沿坐标轴z方向和绕坐标z方向的受力情况。通过弹性体有限元模型的外环，分别施加沿坐标轴y、z方向的力20 N，绕坐标轴z方向顺时针的力矩20×6=120 Nmm,然后进行计算求解。运用应力、应变云图和沿路径的曲线图等方法，就可以全面掌握弹性体应力、应变的分布状况[5-6]。

2.2.1 施加约束

有限元模型单元类型选用高精度实体单元Solid186。该单元可用于弯曲模型分析，每个单元有20个节点，每个节点有3个方向平移自由度，分别为沿x、y和z方向上的平移自由度。

  

图3 弹性体变形图

图4为弹性体在3种受力情况下的应变云图。

弹性体材料采用硬铝合金材料LY12，该材料弹性模量为72 000 MPa ，泊松比为0.33，密度为2 780 kg/m3。 该弹性体结构在三维软件Pro/E绘制，保存格式为igs格式，实体上点、线和面能够自动生成。接着对该三维模型划分网格，生成有限元模型。划分网格采用智能网格划分控制工具(SmartSize) ，该工具需设置划分精度，之后 ANSYS会自动按照设置划分网格。按照上述步骤生成的有限元模型如图2所示，该弹性体有限元模型共有43 119个单元和68 894个节点[3-4]。

  

图4 弹性体应变云图

由图4可知应变分布情况，立柱与内梁连接部位附近表面的应变较大，内梁与外环连接部位附近表面的应变较大，以上应变较大区域适合贴片[7]。

通过图4可以发现：弹性体在受到沿坐标轴y方向力Fy、绕坐标轴z方向力矩Mz作用时，大应变区域有交叉重合，会出现维间耦合，信号会互相干扰。为了分析维间耦合，将弹性体内梁侧面3、立柱侧面12上中心线AB设置为分析路径，沿该分析路径y方向应变分布见图5。两种受力工况下的最大应变分别为0.218和1.294×10-5。为了避免维间干扰，可以设计调理桥路，消除维间耦合信号。同时，由于弹性体发生变形，Fy的作用线不再通过坐标原点，会额外产生一个力矩，该弯曲力矩会使x向内梁发生弯曲变形。因此，除了设计调理桥路，还需要增加软件来消除干扰，从而提高测量精度。根据弹性体的应力云图，可看出弹性体强度也满足要求[8]。

To the best of our knowledge, this is the first report to show that p-STAT3 is also persistently activated during the progression from chronic gastritis to gastric carcinoma induced by the administration of MNNG in rats, and was positively associated with the expression of VEGF.

3.2 模态分析

对弹性体有限元模型进行动态分析，利用ANSYS对有限元模型进行模态分析,可以得到弹性体固有频率与振动模型,提取前6阶固有频率和振型特征，如表2所示。

力传感器作为低通型传感器，一般可由第一阶固有频率的2/3来确定其工作带宽[9-10]，因此估算出该传感器的工作带宽为0 Hz～388 Hz，该工作带宽能够满足现场工况要求。

4 结论

本文利用ANSYS软件对一种新型四维力传感器的弹性体建立有限元模型，并在此基础上进行有限元计算分析，通过分析计算弹性体模型的受力变形情况，全面直观地了解弹性体各部位受力情况，仿真得到了弹性体的应力、应变数据。本文分析得到的弹性体应变曲线，可用于制定传感器应变片的贴片方案，还可以为后续传感器的优化设计提供基础，该四维力传感器的弹性体设计已经申请发明专利(申请号：201610973503.6)。

  

图5 y向弹性体路径AB节点应变分布曲线

 

表2 弹性体前6阶固有频率和振型特征

  

阶次固有频率(Hz)振型特征1阶581.94沿x轴的平动,立柱弯曲较大2阶582.08沿y轴的平动,立柱弯曲较大3阶619.40沿z轴的转动,内梁弯曲较大4阶1 338.9绕x轴的平动5阶1 339.3绕y轴的平动6阶2 166.3绕z轴的转动,内梁扭曲较大

参考文献：

[1] 金振林,高峰.新型六维腕力传感器弹性敏感元件的灵敏度特性分析[J].燕山大学学报,2000,24(3)：228-231.

[2] 张秀辉,胡仁喜,康士廷.ANSYS 14.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社,2013.

[3] 秦岗.新型机器人腕力传感器的研究[D].南京：东南大学,2004:5-10.

[4] 俞阿龙.基于仿生算法的机器人腕力传感器动态特性及相关技术研究[D].南京：东南大学,2004:14-18.

[5] 樊继壮,赵杰,谷柏峰,等.三肢体机器人足部力传感器弹性体分析[J].传感技术学报,2007,20(3)：519-522.

[6] 梁桥康,宋全军,葛运建.一种新型结构机器人的四维指力传感器设计[J].中南大学学报(自然科学版),2009(增刊1)：115-120.

[7] 曹效英,秦岗,宋爱国.ANSYS在腕力传感器结构设计中的应用[J].传感技术学报,2005,18(2)：414-417.

[8] 李伟,王卫英,王军.基于ANSYS的新型三维微力传感器的设计[J].机械工程师,2008(3)：127-129.

[9] 冯志刚,王祁,信太克规.自确认压力传感器结构参数设计及其有限元分析[J].传感技术学报,2007,20(2)：279-282.

[10] 秦岗,曹效英,宋爱国,等.新型四维腕力传感器弹性体的有限元分析[J].传感技术学报,2003,16(3)：238-241.