关节力矩传感器的分析与优化

摘 要：为了提高力矩传感器的测量精度，本文对力矩传感器的弹性元件进行了理论分析，建立了力学数学模型，运用正交试验方法的思想，以灵敏度和固有频率的乘积为优化目标，对应变型力矩传感器进行了贴片位置以及可行性分析。利用MATLAB和ANSYS優化工具箱对选定的模型进行结构优化，计算出不同参数组合时传感器灵敏度和固有频率的情况，较全面的分析了主要结构参数对弹性元件性能的影响，从而确定最佳结构参数组合，最终确定在力矩传感器精度最高时的贴片位置。

关键词：应变式；关节力矩传感器；结构分析；结构优化；

随着新一代机器人在全世界的快速发展，力矩传感器变得必不可少。国内外研制的关节力矩传感器种类很多，其中应变型的扭矩传感器应用最广。其检测原理[1]是根据粘贴在弹性元件上的应变片的变形大小来判断扭矩的。由于弹性元件在机械臂关节处既存在扭矩变形，又存在弯矩变形，变形存在耦合。而关节力矩传感器主要用于测量关节处的扭矩，需要减小弯矩对弹性元件变形的影响[2]。

灵敏度和固有频率是关节力矩传感器两个重要性能指标，在设计中灵敏度和固有频率存在矛盾，即灵敏度增加时固有频率下降，反之增加传感器的固有频率灵敏度会下降，所以单纯强调灵敏度或是固有频率都是没有多大实际意义[3]。虽然国内对弹性元件进行了大量设计与研究，但由于弹性梁结构的复杂性，始终未能建立合理的数学模型来分析应变，造成应变片粘贴位置不合理，导致灵敏度、线性度差[4]。为了提高测量精度，需同时兼顾这两项指标，本文增加了一项综合性能指标，运用正交试验方法，计算出不同参数组合时传感器灵敏度和固有频率的情况，最后确定最佳结构参数组合[4]。

1 综合性能指标

式（1）是灵敏度指标和固有频率指标的乘积，是用来评价力矩传感器性能的函数。

W为综合性能指标，其值高说明其综合性能好，S代表力矩传感器的灵敏度指标，K代表力矩传感器的固有频率指标。

1.1 灵敏度

其中K1表示弹性元件的剪切刚度，Jz为相对扭矩方向的转动惯量。则由（3）式可知，在质量相同时，固有频率与剪切刚度、变形刚度有关。

并且通过上述分析知，弹性元器件一般会受到扭矩和弯矩作用，而力矩传感器的理想情况是只对一维扭矩灵敏度高，对其他方向的作用力的灵敏度低，因此要求灵敏度S大、剪切刚度K1大、弯曲刚度K2大，即要求弹性元件的应变大、变形小、挠度小。

2 综合优化设计分析

2.1 只受弯曲力时

3 参数优化及仿真

优化过程之中，需要考虑弹性体的质量m（假设力矩传感器的材料为65Mn，）、准则z、弯曲变形 、扭矩变形 ，扭矩产生的应力 。采用正交试验法优化出最优参数。

应力应小于最大应力。优化结果：R、r、b、L如下：40.0000 30.0000 3.0319 10.0000

通过理论分析，运用ANSYS软件，得出在弹性元件的中间位置耦合度小，适合贴片。通过workbench对力矩传感器优化的结果与MATLAB优化结果相差不大。

4 结束语

本文首先分析了力矩传感器的受力环境，并对扭矩和弯曲的耦合对测量数据精度的影响做了分析。利用正交试验法的理念，分析了典型的力矩传感器的力学性能。然后根据分析结果，对模型建立了弹性元件的力学数学模型，采用正交试验法对最优参数进行了计算。为了验证结果的正确性，又通过ANSYS软件对模型的结构尺寸及贴片位置进行了设计优化及分析。通过使用不同的优化方法，分别对力矩传感器的结构进行了优化，结果相近，并且得出了在弹性元件的中间位置耦合度小，适合贴片的结论。

参考文献

[1]林静， 倪昔东， 戚培芸，等. 应变式扭矩传感器中应变片的粘贴技术[J]. 船舶工程， 2012（S1）：52-53.

[2]张新. 应变式三维加速度传感器设计及相关理论研究[D]. 合肥工业大学， 2008.

[3]刘鸿文.材料力学[M]. 高等教育出版社， 2010.

[4]于春战. 基于并联机构的六维加速度传感器[D]. 燕山大学， 2005.

作者简介

苏双燕，1991.03.20，女，山东省德州市（籍贯），现职称：初级工程师，学历：硕士，研究方向：机器人结构设计与优化。