多維力傳感器及校準方法與流程
2024-03-21 01:12:05
本發明涉及傳感器領域，尤其涉及一種多維力傳感器及校準方法。
背景技術：
多維力傳感器能同時將各個軸上的力和力矩轉化為電信號輸出，可用於檢測不斷變化的力與力矩的大小和方向，廣泛應用於機器人、自動化設備、醫療器械等領域中，如自動打磨機器人、遠程手術機械手臂等。
多維力傳感器的內部一般包含有至少三個彈性體，多維力傳感器將自身承受的載荷轉化為彈性體的形變，通過測量三個彈性體的形變計算出當前載荷的大小和方向。現有技術中的多維力傳感器的種類非常多樣，不同的多維力傳感器所具有的彈性體的數量和彈性體的具體結構形式各不相同，在傳感器承受了過大的載荷後很容易導致彈性體的彈性性能產生不可恢復的改變，造成測量精度下降。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種帶有保護裝置的多維力傳感器，使得施加在傳感器上的超額載荷不會直接作用在彈性體上，提高了整個傳感器的使用壽命和可靠性。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種多維力傳感器，包括外圈結構、內圈結構、彈性柱、應變片和保護器；所述外圈結構為圓環形，內圈結構與外圈結構之間通過至少三個彈性柱連接，每個彈性柱的兩端分別連接外圈結構和內圈結構，所有彈性柱圍繞外圈結構的中軸線均勻布置；所述內圈結構與彈性柱接觸的區域設置有長槽，每個長槽在內圈結構的表面形成一個邊緣支撐的架空平板，彈性柱連接在架空平板上；保護器安裝在外圈結構上，保護器與內圈結構之間留有間隙；每個彈性柱的側面粘貼有應變片。
對於採用應變片測量彈性柱的多維力傳感器來說，彈性柱本身的形變很小；增加了長槽結構後可以形成架空平板，架空平板本身較薄，通過合理設計架空平板的厚度以及採用合適的材料可以使得架空平板在承受載荷時產生合理的形變，這種形變使得傳感器的內圈結構產生較為明顯的位移，內圈結構與保護器之間的間隙發生改變。在載荷過大的情況下，內圈結構與保護器接觸，超額的載荷由保護器直接承受，而不會傳導至彈性柱上，起到過載保護作用。
進一步的，所述保護器與外圈結構之間螺紋連接或者過渡配合，便於調節保護器與內圈結構之間的間隙。
進一步的，所述內圈結構上設置有保護孔，保護器的局部嵌入保護孔內，保護器與保護孔的內壁及孔底之間留有間隙；由於內圈結構承受的載荷的方向具有不確定性，內圈結構相對於保護器的相對運動並不一定是簡單的直線運動，也有可能是複雜的相對旋轉，通過保護孔的設計可以使得保護器在複雜載荷的情況下也能發揮作用。
進一步的，任意兩個相鄰的彈性柱之間設置有一個保護器。
進一步的，所述彈性柱的橫截面為矩形，彈性柱具有四個側面，每個側面上均粘貼有應變片。
本發明還提供了一種用於多維力傳感器的校準方法，包括如下步驟：
步驟(1)：在內圈結構上連接標準質量塊，在標準質量塊或者內圈結構上安裝陀螺儀和加速度計，將外圈結構連接在機械臂上；所述標準質量塊的質量為m0，所述標準質量塊的質心坐標為r＝{rx,ry,rz}，所述質心坐標r的坐標系採用的是多維力傳感器的內部坐標系；
步驟(2)：使用機械臂控制多維力傳感器及與之連接的質量塊緩慢旋轉，在緩慢旋轉的過程中同步調整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向，旋轉軸至少應包括多維力傳感器內置坐標系的xyz坐標軸；在此過程中動態採集應變片、加速度計和陀螺儀的輸出，其中陀螺儀用於篩選數據，如果陀螺儀在某一段時間內輸出的數據的方差值和陀螺儀靜態輸出數據的方差值之間的差小於設定值，則認定這段時間內的加速度計的數據可以用於下述步驟(3)的計算，這是為了排除科氏力的幹擾；
步驟(3)：根據公式
m0gt(r)＝vt6*6-fbias
計算多維力傳感器的內置參數fbias和t6*6；
其中
g：加速計輸出的當前傳感器的加速度{gx,gy,gz}；
t(r)：大地坐標系對傳感器內部坐標系的轉換矩陣
v：應變片的輸出電壓{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。
對於多維力傳感器而言，標準質量塊施加在多維力傳感器內置坐標系原點o處的負載為：
即
同時，f＝vt6*6-fbias
其中t6*6是電信號轉化為負載力的轉換矩陣
t6*6＝{tfx；tfy；tfz；tmx；tmy；tmz}；
fbias是傳感器負載力的各個分量的偏置值
fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}；
因此：
fx＝vtfx-fxbias
fy＝vtfy-fybias
fz＝vtfz-fzbias
mx＝vtmx-mxbias
my＝vtmy-mybias
mz＝vtmz-mzbias
以fx＝vtfx-fxbias為例，取一定數量的數據fx和v，採用多元一次多項式
對其進行擬合，可以求得tfx和fxbias；同理，最終計算處fbias和t6*6。
本發明還提供了另一種用於多維力傳感器的校準方法，包括如下步驟：
步驟(1)：在內圈結構上連接普通質量塊，在普通質量塊或者內圈結構上安裝陀螺儀和加速度計，將外圈結構連接在機械臂上，普通質量塊的質量和質心的坐標未知，本方法僅僅校正傳感器負載力的各個分量的偏置值fbias，對於電信號轉化為負載力的轉換矩陣t6*6不進行校正，採用傳感器的原始給定值；
步驟(2)：使用機械臂控制多維力傳感器及與之連接的質量塊緩慢旋轉，在緩慢旋轉的過程中同步調整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向，旋轉軸至少應包括多維力傳感器內置坐標系的xyz坐標軸；在此過程中動態採集應變片、加速度計和陀螺儀的輸出，其中陀螺儀用於篩選數據，如果陀螺儀在某一段時間內輸出的數據的方差值和陀螺儀靜態輸出數據的方差值之間的差小於設定值，則認定這段時間內的加速度計的數據可以用於下述步驟(3)的計算，這是為了排除科氏力的幹擾；
步驟(3)：加速度計輸出結果為g＝{gx,gy,gz}，計算多維力傳感器的內
置參數fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}，其中
有益效果：(1)本發明的多維力傳感器在內圈結構上設置長槽結構以形成架空平板，架空平板本身較薄，通過合理設計架空平板的厚度以及採用合適的材料可以使得架空平板在承受載荷時產生合理的形變，在載荷過大的情況下，內圈結構與保護器接觸，超額的載荷由保護器直接承受，而不會傳導至彈性柱上，起到保護彈性柱的作用。(2)本發明的多維力傳感器的保護器與外圈結構之間螺紋連接或者過渡配合連接，便於調節保護器與內圈結構之間的間隙。(3)本發明的多維力傳感器的內圈結構上設置有保護孔，保護器的局部嵌入保護孔內，保護器與保護孔的內壁及孔底之間留有間隙；由於內圈結構承受的載荷的方向具有不確定性，內圈結構相對於保護器的相對運動並不一定是簡單的直線運動，也有可能是複雜的相對旋轉，通過保護孔的設計可以使得保護器在面對複雜載荷的情況下也能發揮作用。(4)本發明提供的校準方法操作簡單，用戶使用簡單的旋轉動作即可實現多維力傳感器的校準，提高多維力傳感器的測量精度。(5)本發明提供的校準方法可以使用質量和質心未知的質量塊進行校準，在多維力傳感器內置有加速計和陀螺儀的情況下，用戶可以使用任何具有一定質量的物體來校準傳感器，方便應用。
附圖說明
圖1是實施例1多維力傳感器結構示意圖。
圖2是實施例1多維力傳感器局部結構圖。
圖3是實施例1多維力傳感器應變片布置圖(其一)。
圖4是實施例1多維力傳感器應變片布置圖(其二)。
圖5是實施例1多維力傳感器應變片布置圖(其三)。
圖6是實施例1多維力傳感器內置坐標系的方向圖。
圖7是實施例1中標準質量塊的安裝示意圖。
圖8是實施例1中標準質量塊的受力分析圖。
其中：1、外圈結構；2、內圈結構；201、長槽；202、架空平板；3、彈性柱；4、保護器；5、標準質量塊；6、機械臂。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細說明。
實施例1
如圖1所示，本實施例的多維力傳感器，包括外圈結構1、內圈結構2、彈性柱3、應變片和保護器4；所述外圈結構1為圓環形，內圈結構2結構為帶有圓角的正三角形，內圈結構2與外圈結構1之間通過三個彈性柱3連接，每個彈性柱3的兩端分別連接外圈結構1和內圈結構2，所有彈性柱3圍繞外圈結構1的中軸線均勻布置；所述內圈結構2與彈性柱3接觸的區域設置有長槽201，每個長槽201在內圈結構2的表面形成一個邊緣支撐的架空平板202，彈性柱3連接在架空平板202上。
如圖2所示，保護器4安裝在外圈結構1上，保護器4與外圈結構1之間螺紋連接或者過渡配合連接，任意兩個相鄰的彈性柱3之間設置有一個保護器4；內圈結構2上設置有保護孔，保護器4的局部嵌入保護孔內，保護器4與保護孔的內壁及孔底之間留有間隙。
彈性柱3的橫截面為矩形，彈性柱3具有四個側面，每個側面上均粘貼有應變片；如圖3至圖5所示，應變片可以橫向粘貼、豎向粘貼或者花式粘貼，所有彈性柱3每一組對邊上的應變片進行全橋或半橋連結後輸出電壓，三個彈性柱3輸出的電壓為v＝{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。
對於採用應變片測量彈性柱3的多維力傳感器來說，彈性柱3本身的形變很小；增加了長槽201結構後可以形成架空平板202，架空平板202本身較薄，通過合理設計架空平板202的厚度以及採用合適的材料可以使得架空平板202在承受載荷時產生合理的形變，這種形變使得傳感器的內圈結構2產生較為明顯的位移，內圈結構2與保護器4之間的間隙發生改變。如圖2所示，在載荷過大的情況下，內圈結構2將直接與保護器4接觸，超額的載荷由保護器4直接承受，而不會傳導至彈性柱3上，起到保護作用。
本實施例的多維力傳感器在測量時直接輸出的是應變片測量的電壓信號v＝{v1,v2,v3,v4,v5,v6}，該電壓信號可以通過公式
f＝vt6*6-fbias
轉化為具體的載荷；
其中t6*6是電信號轉化為負載力的轉換矩陣
t6*6＝{tfx；tfy；tfz；tmx；tmy；tmz}；
fbias是傳感器負載力的各個分量的偏置值
fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}；
t6*6和fbias這兩個參數是多維力傳感器的固有參數，一個多維力傳感器在使用之前必須首先標定這兩個參數。隨著多維力傳感器的使用和環境溫度的變化等因素影響，t6*6和fbias這兩個參數也會發生一定的變化，因此多維力傳感器在使用過程中一般需要進行校準。本實施例多維力傳感器的校準方法有兩種，第一種是採用標準質量塊5進行校準，第二種是採用普通質量塊進行校準；其中標準質量塊5是指質量和質心坐標已知的質量塊，普通質量塊是指質量和質心坐標未知的質量塊；第一種方法可以校準t6*6和fbias這兩個參數，第二種方法只能校準fbias這一個參數。
第一種校準方法是：
步驟(1)：如圖7所示，在內圈結構2上連接標準質量塊5，在內圈結構2內安裝陀螺儀和加速度計(為了使用方便，也可以在生產多維力傳感器時直接將陀螺儀和加速度計內置在內圈結構2內部)，將外圈結構1連接在機械臂6上；如圖8所示，所述標準質量塊5的質量為m0，所述標準質量塊5的質心坐標為r＝{rx,ry,rz}，所述質心坐標r的坐標系採用的是多維力傳感器的內部坐標系，如圖6所示，內部坐標系由多維力傳感器的設計者自由定義；
步驟(2)：使用機械臂6控制多維力傳感器及與之連接的質量塊緩慢旋轉，在緩慢旋轉的過程中同步調整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向，旋轉軸至少應包括多維力傳感器內置坐標系的xyz坐標軸；在此過程中動態採集應變片、加速度計和陀螺儀的輸出，其中陀螺儀用於篩選數據，如果陀螺儀在某一段時間內輸出的數據的方差值和陀螺儀靜態輸出數據的方差值之間的差小於設定值，則認定這段時間內的加速度計的數據可以用於下述步驟(3)的計算，這是為了排除科氏力的幹擾；
步驟(3)：根據公式
m0gt(r)＝vt6*6-fbias
計算多維力傳感器的內置參數fbias和t6*6；
其中
g：加速計輸出的當前傳感器的加速度{gx,gy,gz}；
t(r)：大地坐標系對傳感器內置坐標系的轉換矩陣
v：應變片的輸出電壓{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。
對於多維力傳感器而言，標準質量塊5施加在多維力傳感器內置坐標系原點o處的負載為：
即
同時，f＝vt6*6-fbias
其中t6*6是電信號轉化為負載力的轉換矩陣
t6*6＝{tfx；tfy；tfz；tmx；tmy；tmz}；
fbias是傳感器負載力的各個分量的偏置值
fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}；
因此：
fx＝vtfx-fxbias公式二
fy＝vtfy-fybias
fz＝vtfz-fzbias
mx＝vtmx-mxbias
my＝vtmy-mybias
mz＝vtmz-mzbias
以fx＝vtfx-fxbias為例，取一定數量的數據fx和v，採用多元一次多項式對其進行擬合，可以求得tfx和fxbias；同理，最終計算處fbias和t6*6。
第一種校準方法是：
步驟(1)：在內圈結構2上連接普通質量塊(與圖7所示的標準質量塊5的連接方式一致)，在內圈結構2上安裝陀螺儀和加速度計(為了使用方便，也可以在生產多維力傳感器時直接將陀螺儀和加速度計內置在內圈結構2內部)，將外圈結構1連接在機械臂6上。普通質量塊的質量和質心的坐標未知，如圖6所示，內置坐標系由多維力傳感器的設計者自由定義；
步驟(2)：使用機械臂6控制多維力傳感器及與之連接的質量塊緩慢旋轉，在緩慢旋轉的過程中同步調整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向，旋轉軸至少應包括多維力傳感器內置坐標系的xyz坐標軸；在此過程中動態採集應變片、加速度計和陀螺儀的輸出，其中陀螺儀用於篩選數據，如果陀螺儀在某一段時間內輸出的數據的方差值和陀螺儀靜態輸出數據的方差值之間的差小於設定值，則認定這段時間內的加速度計的數據可以用於下述步驟(3)的計算，這是為了排除科氏力的幹擾；
步驟(3)：加速度計輸出結果為g＝{gx,gy,gz}，計算多維力傳感器的內置參數fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}；
由於普通質量塊的質量和質心坐標是未知的，本方法必須通過特定條件求算參數fbias；由前述的公式一和公式二可知：
fx＝m0gx＝vtfx-fxbias
當gx＝0時，fxbias＝vtfx；
因此在步驟(2)採集的數據中選擇滿足gx＝0條件的數據v，對所有計算結果取均值後獲得fxbias，同理可得到：
雖然說明書中對本發明的實施方式進行了說明，但這些實施方式只是作為提示，不應限定本發明的保護範圍。在不脫離本發明宗旨的範圍內進行各種省略、置換和變更均應包含在本發明的保護範圍內。