朱弟发，张恩阳，韩 康，徐振邦，王忠素

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

协作机器人作为新兴产业代表[1]，被视为实现中国制造2025的关键[2-3]。协作机器人由于与人协同工作更强调安全性[4]，高灵敏的扭矩传感器能够准确测量机器人关节受力情况，从而确保足够的安全性。而如何获得最优的传感器弹性体结构一直是设计难题[5]。潘新安等通过将应变片粘贴在谐波减速器柔轮上测量扭矩，但是柔轮的噪声对测量影响很大[6]；文献[7]设计了“弹簧离合器”式传感器，能减少关节的碰撞力；文献[8]设计了一款异形体传感器，灵敏度高但弹性体结构复杂难以加工；王罗罗等设计一款带有保护梁的扭矩传感器，测量应变梁的剪切应变，应变较小[9]；蒋聪等对轮辐式结构进行了优化设计，加工性好但增加了关节轴向尺寸[10]。

本文在详细分析传统关节扭矩传感器测量原理的基础上，基于一体化设计理念，提出了扭矩传感器与输出轴一体化结构，降低了关节轴向尺寸，提高了关节负载/自重比。同时，借助有限元仿真及响应面法，得到了一种扭矩传感器弹性体的优化方法。

1 扭矩传感器需求分析及结构设计

1.1 传感器需求分析

图1为新一代协作机器人的关节内部结构，即本文传感器设计的应用对象。由于关节外壳、谐波减速器已确定，故传感器最大外径应小于关节上壳内径(63.5 mm)，内轮缘上螺栓圆中心线直径为27 mm，最大高度12 mm。……