一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法
专利汇可以提供一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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。，下面是一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法专利的具体信息内容。
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/ER，其中S表示所述弹性体敏感区的最大等效应力，ER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L R
设计构型不变，设计变量可组成设计向量X＝(X1,X2,...,XN)；取值范围为：Xi∈[Xi ,Xi],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：
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RZ；
(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)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。
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，在步骤(3.5)中，V0∈[15％，40％]。
6.根据权利要求5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％。
7.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。
8.根据权利要求7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，初始设计包括第一基准线、第二基准线、第三基准线，以第一基准线偏移X1得到第一轮廓线，以第二基准线偏移X2得到第二轮廓线，以第三基准线偏移X3得到第三轮廓线；由此得到新的设计方案，其中，3个偏移量X1，X2，X3为选取的设计变量，可组成设计向量X＝(X1，X2，X3)；取值范围为：Xi∈[XiL,XiR]。
9.根据权利要求8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，XiL＝
0mm,XiL＝3mm,i＝1,2,3。
10.根据权利要求1-9任意一项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(5)中，构造等效应力函数和角应变函数过程为：
(5.1)对所述设计方案建立基于壳-特征的有限元分析模型B；
(5.2)划分出敏感区和支撑区；
(5.3)对静轴固定孔施加固支边界条件；
(5.4)对动轴固定孔施加扭矩载荷MZ；
(5.5)基于有限元分析软件平台进行通用静态分析，可得到某一设计方案X下所述敏感区的最大等效应力S(X)和所述支撑区的最大角应变ER(X)；
(5.6)通过响应面技术，对S(X)和ER(X)建立显式近似函数。
一种机械臂关节扭矩传感器结构设计方法
技术领域
背景技术
发明内容
附图说明
322、第二静轴固定孔；323、第二敏感区；33、第一控制点；34、第一耦合约束；35、角位移边界条件；36、第一区域；37、第二区域；38、第三区域；41、等效应力分布；42、角应力分布；51、拓扑构型；52、初始设计；60、第一设计方案；601、第一基准线；602、第二基准线；603、第三基准线；611、第一轮廓线；612、第二轮廓线；613、第三轮廓线；70、第二有限元分析模型；72、第二固支边界条件；721、第三动轴固定孔；722、第三静轴固定孔；723、第三敏感区；73、第二控制点；74、第二耦合约束；75、扭矩载荷；76、第二支撑区；80、第二设计方案；801、第四区域；
802、第七区域；81、轮毂型设计；811、第五区域；812、第八区域；82、轮辐型设计；821、第六区域；822、第九区域。
具体实施方式
在弹性体20上，除第一动轴固定孔21、第一静轴固定孔22和第一敏感区23以外的区域可称之为第一支撑区24。第一敏感区域23的最大等效应力计为：S，第一支撑区24的最大角应变计为：ER；设计目标设定为：S/ER。
0.001rad；其中，第二动轴固定孔321、第二静轴固定孔322分别对应如图2所示的第一动轴固定孔21、第一静轴固定孔22；在ABAQUS有限元分析软件平台进行通用静态分析，得到如图
4所示的等效应力分布41和角应变分布42。
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