一种扭矩传感器的结构优化设计.pdf

仪器仪表/检测/监控
现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)
2012年第8期
种扭矩传感的结构优化设计
綦黎明,王宝庆
(青岛大学医学院附属医院,青岛266003)
摘要:设计了一种用于机器人关节输出扭矩测量的扭矩传感器。传感器承载结构采用弯曲轮辐式结构,并采用有限元
分析软件对轮辐式结构进行了优化设计。通过将所设计的弯曲轮辐式结构与剪切轮辐式结构扭矩传感器的测量灵敏
度进行对比,结果表明弯曲轮辐式结构扭矩传感器具有更好的灵敏度。
关键词:扭矩传感器;结构设计;有限元
中图分类号:TP24文献标志码:B文章编号:1671-3133(2012)08-0104-03
Structural optimization design of a torque sensor
Qi Liming, Wang Baoqing
(The Affiliated Hospital of Medical College, Qingdao University, Qingdao 266003, Shandong, China)
Abstract: A torque sensor used to measure the joint torque of robot is designed. The sensor is spoke wheel-shaped and its opti
mum structural design is presented by using the soft of finite element. Through comparing the sensitivity of bending mode structure
and shear mode structure of the sensor, it is found that the bending mode structure has a better sensitivity than shear-spoke type
Key words: torque sensor; structure design; finite element
0引言
列且与内轮缘连接。一组对称应变梁上贴有应变片
构成全桥电路。当弹性体受到扭矩方向载荷作用时
随着传感器技术的发展,机器人对外界的感知能应变梁产生弯曲变形,应变片产生应变,电阻值发生
力在不断提高,传感器的技术进步将对整个机器人技变化,全桥电路输出差分电压信号,实现了力信号到
术产生关键性的影响"。力传感器使机器人能够感电信号的转换。经信号放大、模数转换电路,模拟电
知其与外部的相互作用力,获得周围环境的有用信
压信号转换成数字信号,
息,进行友好的人机交互。由于机器人应用的专用
输入给关节控制器。经
性,关节扭矩传感器鲜有商业化的产品可供选用,因
过标定,把输入信号转换
此研究人员针对不同的机器人操作机构设计了很多
为相应的扭矩,从而获得
精巧的传感器23。这些类型的传感器可以方便地集
关节处的扭矩状况,为其
成在机器人关节内部,可以在不额外增加机器人关节
控制提供数据。
体积的基础上,完成对关节输出扭矩的测量。
通过材料性能的对
本文针对实际使用需求,设计了一种轮辐式机器
比,选择铝合金材料
人关节扭矩传感器,并对这种轮辐式扭矩传感器的剪
2A12-T4)作为扭矩传
切、弯曲两种实现方式的特性进行了对比,对这种结
图1弯曲轮辐式扭矩传感器
感器基础材枓,其具有材
构传感器的机械特性进行了有限元分析和结构优化料密度小、工艺性能良好和价格低廉等优点,主要性
设计。
能参数:屈服极限σ,=245MPa,弹性模量E=7CPa,
扭矩传感器的工作原理
泊松比=0.3?。
2轮辐式结构承載特性分析
本设计中,关节输出扭矩范围为0
图
所示为本文设计的弯曲轮辐式扭矩传感器,该传感器2.1有限元优化模型的建立
由四个应变梁、内轮缘和外轮缘构成,应变梁对称排
根据传感器实际使用需求,轮辐式扭矩传感器内
万方数
禁黎明,等:一种扭知传感器的结构优化设计
2012年第8期
轮缘为力矩输入端,圆周方向均匀分布着九个螺钉3)应变臂径向宽为2.5m时,平均应力最大值为
孔,通过螺钉与诺波减速器输出端柔轮连接,内轮缘245MPa,等于材料的屈服极限σ.即满足设计条件。
外径为23mm:;外轮缘为力矩输出端,圆周方向均匀
通过以上分析,选用弯曲轮辐式扭矩传感器应变
分布着八个螺钉孔,通过螺钉与输出负载连接,外轮臂的径向宽为2.5mm,轴向厚为4mm
缘外径为5mm
个较精准的扭矩传感器要求其对扭矩方向载
本文选用单元类型为10节点四面体结构实体单荷有较好的灵敏度,而对非扭矩方向有较好的不灵敏
元 Solido92,采用自由网格划分方法、智能网格划分方度。当传感器应变梁径向宽为2.5mm时,为增加其抗
式划分网格,智能等级为6,单元长度为0.006m。扭非扭矩方向上载荷干扰的能力,可增加应变臂的轴向
矩传感器的约束为内轮缘的九个螺孔的全自由度孔厚度。分别为传感器加载5N载荷于单一应变臂正上
约束。扭矩传感器的外轮缘受到关节的扭矩载荷,额方和侧上方螺钉处,其变形、应力与应变分布图见图
定载荷为10N?m。
3、图4,有限元分析结果见表2、表3。
2.2尺寸优化设计
弯曲轮辐式扭矩传感器结构尺寸主要是应变臂
径向宽和轴向厚,即分别从径向宽和轴向厚两个方面
进行传感器优化设计。
当传感器轴向厚为4mm时,为增加传感器的机械
强度,使其不被扭断,应增加应变臂径向宽。传感器
载10N?m扭矩载荷后,变形、应力与应变分布图见
图2,有限元分析结果见表1。
0113E-5
340E05663E08
7B2E6
图3传感器正上方加载时变形、应力和应变分布图
202E03
图2传感器施加10N?m扭矩后变形、应力和应变分布图
表1不同应变臂径向宽有限元分析结果
?2E-D
t04E0
138E-4
应变臂径
最大变形/
最大应变
平均应力
向宽/mm
最大值/MP
图4传感器侧上方加载时变形、应力和应变分布图
1.0
1400
0.679
0.8125
09
表2正上方加载时不同应变臂轴向厚度的有限元分析结果
0.4826
应变轴
正上方垂直加载5N
2.5
0.200
0.3267
245
向厚/mm最大变形/mm最大应变/%平均应力最大值/MPa
0.00554
7.15
从表1中数据可知:1)随着应变臂径向宽的增
0.0102
0.0A406
加,结构最大变形、应变和应力值减小,即结构的强度
和刚度有所提高;2)应变臂径向宽为1.0mm时,其变应变轴
表3侧上方加载时不同应变臂轴向厚度有限元分析结果
侧上方垂直加载5N
形大,是应变臂径向宽为2.5mm时的11.77倍,最大向厚/m最大变形/mm最大应变/%平均应力最大值MPa
应变则是应变臂径向宽为2.5mm时的6.1倍,平均应

展开阅读全文