關節力矩傳感器的分析與優化

摘 要：為了提高力矩傳感器的測量精度，本文對力矩傳感器的彈性元件進行了理論分析，建立了力學數學模型，運用正交試驗方法的思想，以靈敏度和固有頻率的乘積為優化目標，對應變型力矩傳感器進行了貼片位置以及可行性分析。利用MATLAB和ANSYS優化工具箱對選定的模型進行結構優化，計算出不同參數組合時傳感器靈敏度和固有頻率的情況，較全面的分析了主要結構參數對彈性元件性能的影響，從而確定最佳結構參數組合，最終確定在力矩傳感器精度最高時的貼片位置。

關鍵詞：應變式；關節力矩傳感器；結構分析；結構優化；

隨著新一代機器人在全世界的快速發展，力矩傳感器變得必不可少。國內外研制的關節力矩傳感器種類很多，其中應變型的扭矩傳感器應用最廣。其檢測原理[1]是根據粘貼在彈性元件上的應變片的變形大小來判斷扭矩的。由于彈性元件在機械臂關節處既存在扭矩變形，又存在彎矩變形，變形存在耦合。而關節力矩傳感器主要用于測量關節處的扭矩，需要減小彎矩對彈性元件變形的影響[2]。

靈敏度和固有頻率是關節力矩傳感器兩個重要性能指標，在設計中靈敏度和固有頻率存在矛盾，即靈敏度增加時固有頻率下降，反之增加傳感器的固有頻率靈敏度會下降，所以單純強調靈敏度或是固有頻率都是沒有多大實際意義[3]。雖然國內對彈性元件進行了大量設計與研究，但由于彈性梁結構的復雜性，始終未能建立合理的數學模型來分析應變，造成應變片粘貼位置不合理，導致靈敏度、線性度差[4]。為了提高測量精度，需同時兼顧這兩項指標，本文增加了一項綜合性能指標，運用正交試驗方法，計算出不同參數組合時傳感器靈敏度和固有頻率的情況，最后確定最佳結構參數組合[4]。

1 綜合性能指標

式（1）是靈敏度指標和固有頻率指標的乘積，是用來評價力矩傳感器性能的函數。

W為綜合性能指標，其值高說明其綜合性能好，S代表力矩傳感器的靈敏度指標，K代表力矩傳感器的固有頻率指標。

1.1 靈敏度

其中K1表示彈性元件的剪切剛度，Jz為相對扭矩方向的轉動慣量。則由（3）式可知，在質量相同時，固有頻率與剪切剛度、變形剛度有關。

并且通過上述分析知，彈性元器件一般會受到扭矩和彎矩作用，而力矩傳感器的理想情況是只對一維扭矩靈敏度高，對其他方向的作用力的靈敏度低，因此要求靈敏度S大、剪切剛度K1大、彎曲剛度K2大，即要求彈性元件的應變大、變形小、撓度小。

2 綜合優化設計分析

2.1 只受彎曲力時

3 參數優化及仿真

優化過程之中，需要考慮彈性體的質量m（假設力矩傳感器的材料為65Mn，）、準則z、彎曲變形 、扭矩變形 ，扭矩產生的應力 。采用正交試驗法優化出最優參數。

應力應小于最大應力。優化結果：R、r、b、L如下：40.0000 30.0000 3.0319 10.0000

通過理論分析，運用ANSYS軟件，得出在彈性元件的中間位置耦合度小，適合貼片。通過workbench對力矩傳感器優化的結果與MATLAB優化結果相差不大。

4 結束語

本文首先分析了力矩傳感器的受力環境，并對扭矩和彎曲的耦合對測量數據精度的影響做了分析。利用正交試驗法的理念，分析了典型的力矩傳感器的力學性能。然后根據分析結果，對模型建立了彈性元件的力學數學模型，采用正交試驗法對最優參數進行了計算。為了驗證結果的正確性，又通過ANSYS軟件對模型的結構尺寸及貼片位置進行了設計優化及分析。通過使用不同的優化方法，分別對力矩傳感器的結構進行了優化，結果相近，并且得出了在彈性元件的中間位置耦合度小，適合貼片的結論。

參考文獻

[1]林靜， 倪昔東， 戚培蕓，等. 應變式扭矩傳感器中應變片的粘貼技術[J]. 船舶工程， 2012（S1）：52-53.

[2]張新. 應變式三維加速度傳感器設計及相關理論研究[D]. 合肥工業大學， 2008.

[3]劉鴻文.材料力學[M]. 高等教育出版社， 2010.

[4]于春戰. 基于并聯機構的六維加速度傳感器[D]. 燕山大學， 2005.

作者簡介

蘇雙燕，1991.03.20，女，山東省德州市（籍貫），現職稱：初級工程師，學歷：碩士，研究方向：機器人結構設計與優化。