应变式多维力传感器结构优化设计方法研究

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1、第23卷第10期传感技术学报Vol．23No．102010年10月CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORSOct．2010*StudyonOptimalDesignMethodfortheStructureofMulti-AxisForceStrainSensor122*WUBaoyuan，SHENFei，WUZhongcheng(1．InstituteofIntelligentMachines，ChineseAcademyofScience，Hefei230031，China;)2．HefeiHighMagneticFieldLaboratory，C

2、hineseAcademyofScience，Hefei230031，ChinaAbstract:Theprecisionandmainperformancesofmulti-axisforcestrainsensoraredeterminedbyitselastomerstructure，thereasonforthetransmissionofcoupling-errorofstructureisanalyzed．Andthentheapplicationofop-tionalandoptimalmethodforthefunctionofobjective-optimizat

3、ionofsensormatrix，FiniteElementMethod(FEM)，orthogonaldesignandrangeanalysismethodareallelaborated．Finally，thepracticalityandfeasibilityofoptimalde-signmethodappliedforsensorelastomerstructurehasbeenanalyzedandcanvassedinaconcreteexample．Keywords:multi-axisforcestrainsensor;elastomer;integrated

4、optimization;FEM;orthogonaldesignEEACC:C4185;B7130;B7230doi:10．3969/j．issn．1004－1699．2010．10．010*应变式多维力传感器结构优化设计方法研究122*吴宝元，申飞，吴仲城(1．中国科学院合肥智能机械研究所，合肥230031)2．中国科学院合肥强磁场技术研究中心，合肥230031摘要:多维力传感器的结构决定了其精度及静、动态性能指标，对应变式多维力传感器弹性体结构耦合误差传递的原因进行了探讨，对比分析了传感器特性矩阵的目标优化函数的选择与优化方法、有限元法以及正交设计与极差分析法在传感器结构优化

5、设计中的运用，提出了综合优化设计的思想，结合实例分析并阐述了该方法的实用性和有效性。关键词:应变式多维力传感器;弹性体;综合优化;有限元法;正交设计中图分类号:TP212．1文献标识码:A文章编号:1004－1699(2010)10－1412－05多维力传感器可以检测三维空间多个方向的力定与解耦(电路设计、软件处理等)处理过程。或力矩信息，自上世纪70年代问世以来，首先在智文献［8－11］等针对传感器的某一性能指标，能机器人领域得到应用。近年来，在航空、航天、机从不同角度对弹性体结构优化展开了研究，优化结械装配与制造以及体育竞技领域也获得了广泛的应果提高了传感器的某些性能指标，而对

6、传感器综合［1－7］用。由于设计原理和制造加工等因素影响，多性能指标而言，优化效果并不明显，实用性不高。另维力传感器存在维间耦合，由于这种耦合关系复杂外，弹性体结构简化及模型建立对优化结果的影响且难以从理论上进行精确描述，导致其测量精度等方面仍有不少值得商榷的问题。不高。本文从提高传感器综合性能指标出发，结合实多维力传感器耦合的根本原因在于传感器结构例分析和讨论了弹性体结构参数目标优化方法、有上存在耦合，弹性体结构设计对传感器的综合性能影限元法、正交设计及极差分析法在感器弹性体结构响很大，是影响传感器性能的核心技术。好的弹性体优化设计中的综合应用，并对优化结果进行综合分结构不仅可以

7、消除或减小这种维间耦合的影响，减小析和比较，提出并验证了弹性体结构参数的综合优传感器的传递误差，而且可以极大简化后续繁冗的标化设计方法及其在具体设计中的应用。项目来源:国家高技术研究发展计划(863计划)面上项目资助“仿人机器人集成化足部感知系统”(2008AA04Z205);国家高技术研究发展计划(863计划)重点项目:仿人机器人移动作业协调关键技术和系统集成(2008AA0420601)资助收稿日期:2009－04－08修改日期:2009－06－07第10期吴宝元