[发明专利]一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法

权利要求书

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/E_R，其中S表示所述弹性体敏感区的最大等效应力，E_R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,...,X_N)；取值范围为：X_i∈[X_i^L,X_i^R],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：

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)基于有限元分析模型A，建立所述敏感区的总应变能E的设计响应函数；

(3.4)基于所述待设计区域，建立体积V的设计响应函数；

(3.5)以最大化E为设计目标，以V≤V₀为约束，建立如下拓扑优化模型：

(3.6)在现有的有限元分析软件平台上求解，输出所述待设计区域的拓扑构型。

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R_Z；

(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(3.5)中，V₀∈[15％，40％]。

5.根据权利要求4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，V₀＝20％。

6.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4中，根据单刀单工位铣削加工的工艺要求，对拓扑构型进行标准化处理，得到初始设计。