關(guān)節(jié)力矩傳感器的分析與優(yōu)化

摘 要：為了提高力矩傳感器的測量精度，本文對(duì)力矩傳感器的彈性元件進(jìn)行了理論分析，建立了力學(xué)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法的思想，以靈敏度和固有頻率的乘積為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)應(yīng)變型力矩傳感器進(jìn)行了貼片位置以及可行性分析。利用MATLAB和ANSYS優(yōu)化工具箱對(duì)選定的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算出不同參數(shù)組合時(shí)傳感器靈敏度和固有頻率的情況，較全面的分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)彈性元件性能的影響，從而確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，最終確定在力矩傳感器精度最高時(shí)的貼片位置。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變式；關(guān)節(jié)力矩傳感器；結(jié)構(gòu)分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

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

靈敏度和固有頻率是關(guān)節(jié)力矩傳感器兩個(gè)重要性能指標(biāo)，在設(shè)計(jì)中靈敏度和固有頻率存在矛盾，即靈敏度增加時(shí)固有頻率下降，反之增加傳感器的固有頻率靈敏度會(huì)下降，所以單純強(qiáng)調(diào)靈敏度或是固有頻率都是沒有多大實(shí)際意義[3]。雖然國內(nèi)對(duì)彈性元件進(jìn)行了大量設(shè)計(jì)與研究，但由于彈性梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，始終未能建立合理的數(shù)學(xué)模型來分析應(yīng)變，造成應(yīng)變片粘貼位置不合理，導(dǎo)致靈敏度、線性度差[4]。為了提高測量精度，需同時(shí)兼顧這兩項(xiàng)指標(biāo)，本文增加了一項(xiàng)綜合性能指標(biāo)，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法，計(jì)算出不同參數(shù)組合時(shí)傳感器靈敏度和固有頻率的情況，最后確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合[4]。

1 綜合性能指標(biāo)

式（1）是靈敏度指標(biāo)和固有頻率指標(biāo)的乘積，是用來評(píng)價(jià)力矩傳感器性能的函數(shù)。

W為綜合性能指標(biāo)，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(biāo)，K代表力矩傳感器的固有頻率指標(biāo)。

1.1 靈敏度

其中K1表示彈性元件的剪切剛度，Jz為相對(duì)扭矩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則由（3）式可知，在質(zhì)量相同時(shí)，固有頻率與剪切剛度、變形剛度有關(guān)。

并且通過上述分析知，彈性元器件一般會(huì)受到扭矩和彎矩作用，而力矩傳感器的理想情況是只對(duì)一維扭矩靈敏度高，對(duì)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(yīng)變大、變形小、撓度小。

2 綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

2.1 只受彎曲力時(shí)

3 參數(shù)優(yōu)化及仿真

優(yōu)化過程之中，需要考慮彈性體的質(zhì)量m（假設(shè)力矩傳感器的材料為65Mn，）、準(zhǔn)則z、彎曲變形 、扭矩變形 ，扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力 。采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化出最優(yōu)參數(shù)。

應(yīng)力應(yīng)小于最大應(yīng)力。優(yōu)化結(jié)果：R、r、b、L如下：40.0000 30.0000 3.0319 10.0000

通過理論分析，運(yùn)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(duì)力矩傳感器優(yōu)化的結(jié)果與MATLAB優(yōu)化結(jié)果相差不大。

4 結(jié)束語

本文首先分析了力矩傳感器的受力環(huán)境，并對(duì)扭矩和彎曲的耦合對(duì)測量數(shù)據(jù)精度的影響做了分析。利用正交試驗(yàn)法的理念，分析了典型的力矩傳感器的力學(xué)性能。然后根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)模型建立了彈性元件的力學(xué)數(shù)學(xué)模型，采用正交試驗(yàn)法對(duì)最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性，又通過ANSYS軟件對(duì)模型的結(jié)構(gòu)尺寸及貼片位置進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化及分析。通過使用不同的優(yōu)化方法，分別對(duì)力矩傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)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(jié)論。

參考文獻(xiàn)

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

[2]張新. 應(yīng)變式三維加速度傳感器設(shè)計(jì)及相關(guān)理論研究[D]. 合肥工業(yè)大學(xué)， 2008.

[3]劉鴻文.材料力學(xué)[M]. 高等教育出版社， 2010.

[4]于春戰(zhàn). 基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六維加速度傳感器[D]. 燕山大學(xué)， 2005.

作者簡介

蘇雙燕，1991.03.20，女，山東省德州市（籍貫），現(xiàn)職稱：初級(jí)工程師，學(xué)歷：碩士，研究方向：機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。