[发明专利]一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及扭矩传感器技术领域，尤其涉及一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法。

背景技术

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。自然地，应力应变比作为关键性能指标，用以评估此类传感器的设计效果。

如前所述，目前已发展出一系列扭矩传感器的设计构型。然而，随着工业界对传感器性价比要求的日益提升，设计者需要通过提出新的构型以不断提升传感器性能。传统设计方法的基本思路是，首先提出一种新的构型，然后在此构型的基础上进一步优化设计。提出一种新的构型对于设计者充满挑战，此过程不仅依赖于丰富的工程经验，更需要具备深厚的理论基础。如此，新型关节扭矩传感器的设计开发面临严重障碍。提出一种不依赖于工程经验，并且易于理解、实施的关节扭矩传感器结构设计方法，对于促进高性价比机械臂的快速发展具有非常重要的工程意义。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，该方法无需对传感器弹性体提出初始构型，从而大幅降低对工程经验及理论知识的依赖，为构造兼顾灵敏度和扭转刚度的新型机械臂关节扭矩传感器的开发提供了高效的设计工具。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法，包括以下步骤：

(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，设计目标设定为：S/E_R，在预载荷作用下，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：