專利名稱：一種六維力傳感器標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)六維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定的裝置和標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
六維力傳感器是指能夠獲取三維力信息(Fx，F(xiàn)y, Fz)或者三維力矩信息(Mx，My, Mz)的力傳感器。六維力傳感器的應(yīng)用范圍已經(jīng)越來越廣泛，如機(jī)器人、制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、體 育比賽、航空航天等。力傳感器的測(cè)量精度是衡量傳感器的重要指標(biāo)，傳感器生產(chǎn)出來之后 必須對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定。公告號(hào)CN100337105C、名稱為《并聯(lián)六維力傳感器標(biāo)定裝置》就是對(duì)六 維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定的裝置之一，該發(fā)明的確提供了一種較好的標(biāo)定裝置。然而，由于該裝 置僅是對(duì)并聯(lián)的六維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定的，故該裝置還不具有對(duì)單個(gè)六維力傳感器進(jìn)行標(biāo) 定的通用性。公告號(hào)為CN100529703C、名稱為《六維力傳感器標(biāo)定裝置》克服了上述標(biāo)定裝 置不具有通用性的缺陷，能夠?qū)蝹€(gè)的六維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。然而，后者針對(duì)的僅是大量 程(最小量程也有1噸)六維力傳感器，故其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，上述兩種標(biāo)定裝置，均需 配用標(biāo)準(zhǔn)單向力傳感器(或標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器)，且均還只能對(duì)六維力傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo) 定；在對(duì)六維力傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)，還不得不借助于其他標(biāo)定裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是提供一種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、通用性較好，能夠進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定和 動(dòng)態(tài)標(biāo)定的六維力傳感器標(biāo)定裝置。本發(fā)明的第二目的是提供一種運(yùn)用實(shí)現(xiàn)第一發(fā)明目的之裝置來對(duì)六維力傳感器 進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法。實(shí)現(xiàn)所述第一目的之技術(shù)方案是這樣一種六維力傳感器標(biāo)定裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相 同的方面是，該裝置包括標(biāo)定工作臺(tái)、位于該標(biāo)定工作臺(tái)一側(cè)并與該標(biāo)定工作臺(tái)連為一個(gè) 整體的帶滑輪軸的支架、在該支架滑輪軸上的滑輪、和繞過該滑輪的載荷施加繩。其改進(jìn) 之處是，在標(biāo)定工作臺(tái)上固定安裝有帶預(yù)緊螺釘孔的標(biāo)定調(diào)節(jié)板，在該標(biāo)定調(diào)節(jié)板上依次 安裝有通過預(yù)緊螺釘與該標(biāo)定調(diào)節(jié)板連接的傳感器預(yù)緊板、與該傳感器預(yù)緊板固定連接的 載荷定位板，待標(biāo)定六維力傳感器以預(yù)緊狀態(tài)被夾持安裝在標(biāo)定調(diào)節(jié)板和傳感器預(yù)緊板之 間。載荷定位板有五個(gè)均位于同一水平面上的，呈十字形的載荷施力點(diǎn)，位于十字中心的中 心載荷施力點(diǎn)在標(biāo)定六維力傳感器的傳感器軸線上，其余四個(gè)十字端載荷施力點(diǎn)與該中心 載荷施力點(diǎn)之間的距離b相等；所述滑輪有平行滑輪和高端滑輪各一個(gè)，所述載荷施加繩 有兩條，它們的一端連接在需要施力時(shí)的載荷施力點(diǎn)上，另一端分別繞過平行滑輪和高端 滑輪后與標(biāo)準(zhǔn)砝碼連接；繞過平行滑輪的載荷施加繩是呈水平狀態(tài)的平行載荷施加繩，其 水平段與該平行滑輪的切點(diǎn)與中心載荷施力點(diǎn)和兩個(gè)相對(duì)的十字端載荷施力點(diǎn)均位于同 一直線上，其水平段與該平行滑輪的切點(diǎn)到該中心載荷施力點(diǎn)的距離B是最近的兩個(gè)載荷 施力點(diǎn)之間距離b的六 十二倍；繞過高端滑輪的載荷施加繩是呈向上傾斜狀態(tài)的高端載 荷施加繩，其傾斜段與高端滑輪的切點(diǎn)和其平行載荷施加繩與其平行滑輪的切點(diǎn)在同一條
4垂直線上，其傾斜段在平行載荷施加繩的水平段與其平行滑輪的切點(diǎn)和中心載荷施力點(diǎn)所 在的豎起平面上的投影的傾斜角θ不小于35°。實(shí)現(xiàn)所述第二目的之技術(shù)方案是這樣一種六維力傳感器的標(biāo)定方法，與現(xiàn)有技術(shù) 相同的方面是，該方法是利用傳感器的輸出關(guān)系式來進(jìn)行標(biāo)定的，其關(guān)系式為，U = G -F ；式 中，U為傳感器的輸出電壓矩陣，G為傳感器的標(biāo)定矩陣，F(xiàn)為傳感器的輸入矩陣。其改進(jìn)之 處是，該方法是運(yùn)用實(shí)現(xiàn)第一發(fā)明目的之六維力傳感器標(biāo)定裝置來進(jìn)行標(biāo)定的方法，包括 如下步驟①根據(jù)待標(biāo)定六維力傳感器的量程，從零到滿量程平均分成若干級(jí)來對(duì)應(yīng)選擇不 同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼；測(cè)量該待標(biāo)定六維力傳感器的高度，根據(jù)所述平行載荷施加繩的水平 段應(yīng)當(dāng)水平的要求，選擇相應(yīng)厚度的標(biāo)定調(diào)節(jié)板并固定在其標(biāo)定工作臺(tái)上；②以待標(biāo)定六維力傳感器的傳感器軸線與中心載荷施力點(diǎn)重疊的狀態(tài)，把該待標(biāo) 定六維力傳感器夾持安裝在標(biāo)定調(diào)節(jié)板和傳感器預(yù)緊板之間預(yù)緊，然后把載荷定位板固定 連接在該傳感器預(yù)緊板之上；③將待標(biāo)定六維力傳感器的接線柱與多路電荷放大器相連，然后再將多路電荷放 大器與示波器連接，并實(shí)測(cè)此時(shí)的高端載荷施加繩的傾斜角θ ；④獲取三維力和三維力矩的輸出電壓和靜態(tài)施加載荷a、由標(biāo)準(zhǔn)砝碼通過平行載荷施加繩給中心載荷施力點(diǎn)加載，其后，記錄示波器顯 示的待標(biāo)定六維力傳感器六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的X方向力的靜態(tài)施加載荷 Fx，其值為Fx = f ；其中，f為各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重量；b、將標(biāo)定調(diào)節(jié)板旋轉(zhuǎn)90°安裝，依然由標(biāo)準(zhǔn)砝碼通過平行載荷施加繩給中心載荷 施力點(diǎn)加載，其后，記錄示波器顯示的待標(biāo)定六維力傳感器六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及 此時(shí)的Y方向力的靜態(tài)施加載荷Fy，其值為Fy = f ；C、由標(biāo)準(zhǔn)砝碼通過高端載荷施加繩給中心載荷施力點(diǎn)加載，其后，記錄示波器顯 示的待標(biāo)定六維力傳感器六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的Z方向力的靜態(tài)施加載荷 Fz，其值為 Fz = -fXsin θ ；e、由標(biāo)準(zhǔn)砝碼通過高端載荷施加繩，給中心載荷施力點(diǎn)與平行載荷施加繩和其平 行滑輪的切點(diǎn)之間連線兩側(cè)的十字端載荷施力點(diǎn)之一加載，其后，記錄示波器顯示的待標(biāo) 定六維力傳感器六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的X方向力矩的靜態(tài)施加載荷MX，其
權(quán)利要求
一種六維力傳感器標(biāo)定裝置，該裝置包括標(biāo)定工作臺(tái)(9)、位于該標(biāo)定工作臺(tái)(9)一側(cè)并與該標(biāo)定工作臺(tái)(9)連為一個(gè)整體的帶滑輪軸的支架(4)、在該支架(4)滑輪軸上的滑輪、和繞過該滑輪的載荷施加繩，其特征在于，在所述標(biāo)定工作臺(tái)(9)上固定安裝有帶預(yù)緊螺釘孔的標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)，在該標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)上依次安裝有通過預(yù)緊螺釘(101)與該標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)連接的傳感器預(yù)緊板(10)、與該傳感器預(yù)緊板(10)固定連接的載荷定位板(7)，待標(biāo)定六維力傳感器(11)以預(yù)緊狀態(tài)被夾持安裝在標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)和傳感器預(yù)緊板(10)之間；所述載荷定位板(7)有五個(gè)均位于同一水平面上的，呈十字形的載荷施力點(diǎn)(7a、7b、7c、7d、7e)，位于十字中心的中心載荷施力點(diǎn)(7a)在所述標(biāo)定六維力傳感器(11)的傳感器軸線上，其余四個(gè)十字端載荷施力點(diǎn)(7b、7c、7d、7e)與該中心載荷施力點(diǎn)(7a)之間的距離(b)相等；所述滑輪有平行滑輪(2)和高端滑輪(1)各一個(gè)，所述載荷施加繩有兩條，它們的一端連接在需要施力時(shí)的所述載荷施力點(diǎn)上，另一端分別繞過平行滑輪(2)和高端滑輪(1)后與標(biāo)準(zhǔn)砝碼(3)連接；繞過平行滑輪(2)的載荷施加繩是呈水平狀態(tài)的平行載荷施加繩(6)，其水平段與該平行滑輪(2)的切點(diǎn)與所述中心載荷施力點(diǎn)(7a)和兩個(gè)相對(duì)的十字端載荷施力點(diǎn)(7b、7d或7c、7e)均位于同一直線上，其水平段與平行滑輪(2)的切點(diǎn)到中心載荷施力點(diǎn)(7a)的距離(B)是最近的兩個(gè)載荷施力點(diǎn)之間距離(b)的六～十二倍；繞過高端滑輪(1)的載荷施加繩是呈向上傾斜狀態(tài)的高端載荷施加繩(5)，其傾斜段與所述高端滑輪(1)的切點(diǎn)和所述平行載荷施加繩(6)與其平行滑輪(2)的切點(diǎn)在同一條垂直線上，其傾斜段在所述平行載荷施加繩(6)的水平段與其平行滑輪(2)的切點(diǎn)和中心載荷施力點(diǎn)(7a)所在的豎起平面上的投影的傾斜角(θ)不小于35°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的六維力傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，所述載荷施力點(diǎn)(7a、 7b、7c、7d、7e)由通過螺紋聯(lián)接而安裝在載荷定位板(7)上的帶有中心孔的螺釘確定，這些 螺釘?shù)闹行目拙挥诟鬏d荷施力點(diǎn)(7a、7b、7C、7d、7e)上，所述載荷施加繩從螺釘頭部插 入而穿過中心孔，其穿出端通過一個(gè)鎖頭(71)夾緊或打一個(gè)大于螺釘中心孔的結(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六維力傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于，所述載荷施力點(diǎn)比 呈十字形的載荷施力點(diǎn)(7a、7b、7C、7d、7e)少兩個(gè)相鄰的十字端載荷施力點(diǎn)，剩余的載荷 施力點(diǎn)(7a.7b.7e)構(gòu)成L形、并與呈十字形的載荷施力點(diǎn)(7a、7b、7C、7d、7e)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)在 位置上重疊。
4.一種六維力傳感器的標(biāo)定方法，該方法是利用傳感器的輸出關(guān)系式來進(jìn)行標(biāo)定的， 其關(guān)系式為，U = G · F ；式中，U為傳感器的輸出電壓矩陣，G為傳感器的標(biāo)定矩陣，F(xiàn)為傳 感器的輸入矩陣；其特征在于，該方法是運(yùn)用權(quán)利要求1或2所述六維力傳感器標(biāo)定裝置、 或者運(yùn)用權(quán)利要求3所述六維力傳感器標(biāo)定裝置來進(jìn)行標(biāo)定的方法，包括如下步驟①根據(jù)待標(biāo)定六維力傳感器(11)的量程，從零到滿量程平均分成若干級(jí)來對(duì)應(yīng)選擇 不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼(3)；測(cè)量該待標(biāo)定六維力傳感器(11)的高度，根據(jù)所述平行載荷施 加繩(6)的水平段應(yīng)當(dāng)水平的要求，選擇相應(yīng)厚度的標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)并固定在其標(biāo)定工作 臺(tái)(9)上；②以待標(biāo)定六維力傳感器(11)的傳感器軸線與所述中心載荷施力點(diǎn)(7a)重疊的狀 態(tài)，把該待標(biāo)定六維力傳感器(11)夾持安裝在標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)和傳感器預(yù)緊板(10)之間 預(yù)緊，然后把所述載荷定位板(7)固定連接在該傳感器預(yù)緊板(10)之上；③將待標(biāo)定六維力傳感器(11)的接線柱(110)與多路電荷放大器相連，然后再將多路電荷放大器與示波器連接，并實(shí)測(cè)此時(shí)的高端載荷施加繩(5)的所述傾斜角(Θ)；④獲取三維力和三維力矩的輸出電壓和靜態(tài)施加載荷a、由標(biāo)準(zhǔn)砝碼(3)通過平行載荷施加繩(6)給中心載荷施力點(diǎn)(7a)加載，其后，記錄 示波器顯示的待標(biāo)定六維力傳感器(11)六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的X方向力的 靜態(tài)施加載荷Fx，其值為Fx = f ；其中，f為各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)砝碼的重量；b、將標(biāo)定調(diào)節(jié)板(8)旋轉(zhuǎn)90°安裝，依然由標(biāo)準(zhǔn)砝碼(3)通過平行載荷施加繩(6)給 中心載荷施力點(diǎn)(7a)加載，其后，記錄示波器顯示的待標(biāo)定六維力傳感器(11)六個(gè)方向?qū)?應(yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的Y方向力的靜態(tài)施加載荷Fy，其值為Fy = f ；C、由標(biāo)準(zhǔn)砝碼(3)通過高端載荷施加繩(5)給中心載荷施力點(diǎn)(7a)加載，其后，記錄 示波器顯示的待標(biāo)定六維力傳感器(11)六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的Z方向力的 靜態(tài)施加載荷Fz，其值為Fz =-f X sin θ ；e、由標(biāo)準(zhǔn)砝碼(3)通過高端載荷施加繩(5)，給中心載荷施力點(diǎn)(7a)與平行載荷施加 繩(6)和其平行滑輪(2)的切點(diǎn)之間連線兩側(cè)的十字端載荷施力點(diǎn)之一(7b)加載，其后， 記錄示波器顯示的待標(biāo)定六維力傳感器(11)六個(gè)方向?qū)?yīng)的輸出電壓，以及此時(shí)的X方向
全文摘要
一種六維力傳感器標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法。該裝置包括標(biāo)定工作臺(tái)、帶兩個(gè)滑輪軸的支架、分別在兩個(gè)滑輪軸上的平行滑輪和高端滑輪、和繞過該滑輪的載荷施加繩。在標(biāo)定工作臺(tái)上固定安裝有標(biāo)定調(diào)節(jié)板，通過預(yù)緊螺釘與該標(biāo)定調(diào)節(jié)板連接的傳感器預(yù)緊板、與該傳感器預(yù)緊板固定連接的載荷定位板，待標(biāo)定六維力傳感器以預(yù)緊狀態(tài)被夾持安裝在標(biāo)定調(diào)節(jié)板和傳感器預(yù)緊板之間。載荷定位板有五個(gè)或三個(gè)均位于同一水平面上的，呈十字形或L形的載荷施力點(diǎn)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、緊湊，成本低，通用性較好，且操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；最突出的優(yōu)點(diǎn)是，除能夠?qū)αS力傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定之外，僅需進(jìn)行一下簡(jiǎn)單的操作變化，就能夠在本發(fā)明裝置中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。
文檔編號(hào)G01L25/00GK101936797SQ201010246488
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者劉京城, 劉俊, 秦嵐, 薛聯(lián), 許斌 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)