一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法技术

本发明专利技术公开了一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，旨在为开发高灵敏度、高刚度的新型机械臂关节扭矩传感器提供高效设计工具。本方法首先从设计要求出发，得到传感器弹性体的初始构型；其次，以初始构型为基准选定设计变量，以传感器弹性体应力应变比为设计目标，构建标准的结构优化设计模型，对其求解以输出最优设计方案。与常规方法比较，本方法无需设计者提供初始构型，从而大大降低了对工程经验和理论知识的依赖；设计过程所有步骤均无需繁琐、复杂的编程求解过程，易于理解、实施，具有良好的工程实用性。

A structural design method of joint torque sensor of manipulator

【技术实现步骤摘要】
一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法
本专利技术涉及扭矩传感器
，尤其涉及一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法。
技术介绍
机械臂已广泛应用于诸如车辆、电子、造船等工业现场。为实现对机械臂的有效控制，设置了诸多传感器以实时监测其各关键位置的状态，扭矩传感器便是使用最为广泛的一类传感器。扭矩传感器通常设计在运动关节位置，基于扭矩传感器反馈的信号可实现运动控制误差的有效补偿。弹性体是关节扭矩传感器的结构核心，迄今为止已发展出诸多构型。其中，较为典型的包括：中空圆环型、轮毂型、十字架型、轮辐型等。上述关节扭矩传感器构型的设计目标主要集中在两个方面：敏感度和扭转刚性。敏感度越大意味着，在同等预载荷作用下弹性体上响应应力越大，在压阻效应的作用下可以输出更强的电压信号。而扭转刚度越大，弹性体的角应变越小，则对机械臂关节位置引入的额外变形误差就越小。通常情况下，此类误差难以补偿。由此，设计者期望同时得到高敏感度和高扭转刚度，即较大的应力和较小的角应变。然而，已有的研究表明，二者存在彼此制约的关系；换言之，提升传感器弹性体的响应应力势必要增大其角应变。自本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，其特征在于，该方法包括如下处理步骤：/n(1)选取待优化关节扭矩传感器的弹性体部分作为设计区域，并定义设计目标，所述设计目标设定为：S/E

【技术特征摘要】
1.一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，其特征在于，该方法包括如下处理步骤：
(1)选取待优化关节扭矩传感器的弹性体部分作为设计区域，并定义设计目标，所述设计目标设定为：S/ER，其中S表示所述弹性体敏感区的最大等效应力，ER表示所述弹性体支撑区的最大角应变；
(2)建立有限元分析模型A，模拟所述弹性体在角位移载荷下的应力应变响应；
(3)基于所述有限元分析模型A，建立拓扑优化模型并求解得到拓扑构型；
(4)将所述拓扑构型转化为初始设计，并选取设计变量，选取设计变量需保持所述初始设计构型不变，设计变量可组成设计向量X＝(X1,X2,...,XN)；取值范围为：Xi∈[XiL,XiR],i＝1,2,...,N；
(5)基于所述设计变量，构造等效应力函数和角应变函数；
(6)建立结构优化模型，求解并输出最优设计方案；
所述结构优化模型是指：





2.根据权利要求1所述的一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，其特征在于，在步骤(1)中：在弹性体上，在外圆周区域设有8个第一动轴固定孔，用于连接动轴；在中心区域设有4个第一静轴固定孔，用于连接静轴，设置4个第一敏感区，用于分别放置4个压敏电阻以形成惠斯通桥电路，来完成输入扭矩的监测。


3.根据权利要求1所述的一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，其特征在于，在步骤(2)中，建立有限元分析模型A的过程为：
(2.1)对所述弹性体建立基于壳-特征的结构模型；
(2.2)根据设计要求，划分出敏感区；
(2.3)对静轴固定孔施加固支边界条件；
(2.4)对动轴固定孔施加角位移边界条件，设置角位移RZ；
(2.5)在现有的有限元分析软件平台进行通用静态分析，得到所述弹性体的等效应力分布和角应变分布。


4.根据权利要求1所述的一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，其特征在于，在步骤(3)中，建立拓扑优化模型并求解得到拓扑构型过程为：
(3.1)在所述有限元分析模型A中选取待设计区域；
(3.2)冻结设置了边界条件的区域；
(3.3)基于有限元分析...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志亮，朱星宇，阳同光，何炜轩，刘航龙，王中华，孙文德，
申请(专利权)人：湖南城市学院，
类型：发明
国别省市：湖南;43