模塊化柔順關節力矩傳感器的設計與分析

賀炳碩，朱姿娜，李開元

(上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620)

0 引言

隨著機器人的智能化發展，傳感器多樣化成為其先進性的一個重要特征,而工作環境的改變，對機械臂力/力矩控制方面的要求越來越高。機械臂通過力矩傳感器實時反饋力矩信息，可以實現對柔順關節的力矩控制[1]。

此前，學者們已對力矩傳感器進行了大量的實驗與研討：1982年Nagano[2]等人成功研制了一種磁頭轉矩傳感器，使用逆磁致伸縮效應原理實現力矩信息的采集；Hammond[3]等人設計了一種可批量化生產的小型非接觸式壓電傳感器；美國航空航天局設計了一種新型光電式運用信號與轉矩呈良好的線性關系來完成力矩測量的力矩傳感器[4]；哈工大機器人實驗室研制了一種可用于機器人的關節力矩傳感器[5]，經過對傳感器的結構優化，極大地減輕了整體重量；北京航空航天大學設計了一種多軸力矩傳感器[6]，通過將多個一維力傳感器模塊組裝而滿足所需的測量要求，其特點是靈活性好。但目前關于模塊化柔順關節力矩傳感器的研究還不多，因此本文基于柔順關節對于力矩信息感知的需求，設計了一種新型的由兩種不同結構應變梁組成的力矩傳感器。

1 柔順關節力矩傳感器的設計

1.1 設計要求

根據模塊化柔順關節的性能需求和諧波減速器額定傳動力矩的要求，確定傳感器的幾點基本設計要求：

(1) 高靈敏度：傳感器輸出量與力矩輸入量的變化量之比的靈敏度高。

(2) 高分辨率：傳感器所能檢測到的最小力矩值越小分辨率越高。

(3) 高線性度：傳感器的力/力矩與輸入載荷呈線性變化。

(4) 高剛度：整個傳感器的傳動鏈和關節具有較高剛度。

(5) 結構對稱，加工難度較小。

(6) 貼片方便、位置合理，且易于檢測位置的準確性。

根據設計要求確定的力矩傳感器設計指標見表1。

1.2 結構方案

本文設計了一種由兩種結構和強度的應變梁構成的力矩傳感器，如圖1所示。本設計采用了輪輻式結構，具有精度高、重復性好、線性好、抗偏心載荷和側向力能力強、結構對稱等優點。力矩傳感器共有4個應變梁、4個彈性應變區，采用應變式原理，通過應變片實現具體信息的采集與處理。

圖1 力矩傳感器結構示意圖

該力矩傳感器采用剪切輪輻式結構，4個彈性應變區對稱分布，4根應變梁的質量與結構均勻分布，分為兩組，兩對稱的梁為一組。第一組應變梁的應變區是由一到兩端面距離相等的應變彈性體構成，形成一凹槽可在其兩面貼應變片。第二組應變梁的應變區是由兩片厚度為第一組應變彈性體厚度的1/2的彈性體分別與兩端面重合構成。該設計的優點是，只要有一組應變梁上的應變片正常工作就能保證傳感器正常工作，同時兩種不同的結構使得力矩信息更為精確，極大地提升了力矩傳感器的壽命和測量精度。內側法蘭盤上有6個輸入螺栓孔，外側法蘭盤上有8個輸出螺栓孔。每兩個彈性應變梁之間有過載保護結構，鏤空部分減輕了整體的質量。

2 傳感器三維模型的建立與有限元分析

建立力矩傳感器的SolidWorks三維模型，將三維模型導入ANSYS Workbench中進行應力應變的有限元分析。

2.1 模型材料與設置

鋁合金具有質量輕、模量大、加工性好等優點，對建立的模型設置材料為鋁合金，彈性模量為71 GPa，剪切模量為27 GPa，泊松比為0.33，屈服極限為245 MPa。網格劃分尺寸設置為5 mm，共產生35 568個節點、20 590個單元，網格劃分結果如圖2所示。將內法蘭上與減速器相連的螺栓孔作為輸入點，對內圓面分別施加5 N·m、10 N·m、15 N·m、20 N·m、25 N·m、30 N·m的轉矩載荷；將與桿連接的外法蘭上的螺栓孔作為輸出點,對內圓面施加固定約束。

2.2 仿真結果與分析

對彈性體內輪上的螺栓孔施加5 N·m的轉矩載荷，得到的力矩傳感器應力應變云圖如圖3所示。施加的其他轉矩載荷所得應變應力數據見表2。

圖2 網格劃分結果

圖3 力矩傳感器的ANSYS分析結果

載荷(N·m)最大等效應力(MPa)最大等效應變最大剪切應力(MPa)最大剪切應變56.8351.042E-42.9941.121E-41013.672.083E-45.9882.244E-41520.5053.124E-48.9833.365E-42027.3394.166E-411.9774.487E-42534.1745.207E-414.9715.608E-43041.0096.249E-417.9656.731E-4

由圖3可知，力矩傳感器的應變區應力較大，分布比較有規律，且最大應力應變分布集中于力矩傳感器的中心。采用最小二乘法對表2數據進行擬合，并繪制曲線得到等效彈性應力—載荷擬合曲線、等效彈性應變—載荷擬合曲線、剪切應力—載荷擬合曲線和剪切應變—載荷擬合曲線，如圖4所示。

通過擬合處理發現:該力矩傳感器具有優良的應力應變線性性能，線性度誤差小于4%。在設計指標中額定的30 N·m載荷下力矩傳感器應力為41 MPa，遠低于所選鋁合金的屈服極限245 MPa，故力矩傳感器滿足設計的額定30 N·m力矩需求。

3 結語

基于模塊化柔順關節對于力矩信息測量的需求，設計了一種新的具有兩種不同強度結構應變梁的關節力矩傳感器。運用SolidWorks建立三維模型，運用ANSYS Workbench軟件進行仿真分析，得出的結果用最小二乘法進行擬合，擬合結果表明傳感器靜態指標滿足設計要求。本文設計的力矩傳感器可為模塊化柔順關節提供實時力矩信息，使關節具備力矩感知能力，進而滿足工作環境的需求。