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一种新型机器人关节扭矩传感器的拓扑结构设计与优化

曹丰 陈赛旋 崔国华 章宇 赵万博

曹丰, 陈赛旋, 崔国华, 章宇, 赵万博. 一种新型机器人关节扭矩传感器的拓扑结构设计与优化[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(1): 15-20, 72. doi: 10.12299/jsues.23-0250
引用本文: 曹丰, 陈赛旋, 崔国华, 章宇, 赵万博. 一种新型机器人关节扭矩传感器的拓扑结构设计与优化[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(1): 15-20, 72. doi: 10.12299/jsues.23-0250
CAO Feng, CHEN Saixuan, CUI Guohua, ZHANG Yu, ZHAO Wanbo. Topology structure design and optimization of a new-type strain torque sensor for robotic joints[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(1): 15-20, 72. doi: 10.12299/jsues.23-0250
Citation: CAO Feng, CHEN Saixuan, CUI Guohua, ZHANG Yu, ZHAO Wanbo. Topology structure design and optimization of a new-type strain torque sensor for robotic joints[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(1): 15-20, 72. doi: 10.12299/jsues.23-0250

一种新型机器人关节扭矩传感器的拓扑结构设计与优化

doi: 10.12299/jsues.23-0250
基金项目: 国家自然科学基金青年基金(52005316)
详细信息
    作者简介:

    曹丰:曹 丰(1999 − ),男,硕士生,研究方向为扭矩传感器。E-mail:1294429466@qq.com

    通讯作者:

    陈赛旋(1989 − ),男,副教授,博士,研究方向为仿生机器人及智能装备。E-mail:chensx499796981@126.com

  • 中图分类号: TP212

Topology structure design and optimization of a new-type strain torque sensor for robotic joints

  • 摘要: 协作机器人的柔性控制依赖于关节的力矩感知能力。基于应变式传感器测量原理,提出一种S型双连孔结构的应变式扭矩传感器。首先,依据传感器测量的基本原理,提出基于应变式传感器的构型设计方法。其次,通过传感器整体结构力学仿真试验,验证结构的可靠性。最后,运用中心复合设计(CCD)响应面法对传感器局部尺寸参数进行优化,使传感器表面应变提高93 MPa,从而提高了传感器的灵敏度。
  • 图  1  7075-T6应力−应变关系图

    Figure  1.  7075-T6 stress-strain diagram

    图  2  S型双连孔弹性体构型设计

    Figure  2.  Design of S-type double-hole flexure structure

    图  3  S型双连孔弹性体初步参数仿真应力云图

    Figure  3.  Preliminary parameter simulation stress contour plot for S-type double-hole flexure structure

    图  4  各方向解耦应变仿真分析图

    Figure  4.  Simulation analysis diagram of decoupling strain in all directions

    图  5  应变片理想粘贴区域与弹性体应变效果图

    Figure  5.  Effect diagram of ideal adhesive area and flexure structure strain

    图  6  传感器弹性体的局部尺寸图

    Figure  6.  Local dimensions of sensor flexure structure

    图  7  仿真生成响应面曲线图

    Figure  7.  Simulation-generated response surface curve graph

    图  8  响应面设计模型残差正态分布图

    Figure  8.  Normal probability plot of residuals for response surface design model

    图  9  弹性体结构响应面优化后的应力云图

    Figure  9.  Stress cloud diagram of optimized response surface of flexure structure

    图  10  弹性体构型应力云图

    Figure  10.  Cloud map of flexure structure stress

    图  11  弹性体构型设计对比

    Figure  11.  Comparison of flexure configuration designs

    表  1  各种材料应力−应变参数

    Table  1.   Stress-strain parameters of various materials

    参数 45钢 7075-T6 6061-T6 2024-T4
    σYS/MPa 530 512 275 320
    σY/MPa 481.0 482.1 483.8 483.2
    με 1068 3596 3724 3311
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    表  2  优化模型评价指标

    Table  2.   Evaluation indicators of optimization model

    名称 p 方差 调整方差 信噪比
    f1 <0.000 1 0.988 0.976 9 36.00
    f2 <0.000 1 0.988 0.977 2 40.54
    f3 <0.000 1 0.985 0.971 7 38.29
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    表  3  优化前后参数对比

    Table  3.   Parameters comparison before and after optimization

    模型优化 L1/mm L2/mm L3/mm b/mm
    优化前 28 4 3 10
    优化后 27 5 3.25 12
    模型优化 f1(x)/MPa f2(x)/(mm·mm−1) f3(x)/(mm·mm−1)
    优化前 482 0.012 0.114
    优化后 514 0.028 0.148
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    表  4  构型特点对比

    Table  4.   Table of configuration comparison and characteristics

    弹性体构型特点
    S型双连孔应力应变更集中,应变片区域弹性应变好
    改进轮辐双连孔结构简单,应力应变分散不均,易受串扰影响
    支撑梁 + 挠性结构结构复杂,挠性结构不完全对称,制造困难,映射关系不明确
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-06
  • 刊出日期:  2025-05-19

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