本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域,尤其涉及一種多維力傳感器及校準(zhǔn)方法。
背景技術(shù):
多維力傳感器能同時(shí)將各個(gè)軸上的力和力矩轉(zhuǎn)化為電信號輸出,可用于檢測不斷變化的力與力矩的大小和方向,廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、自動化設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中,如自動打磨機(jī)器人、遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)械手臂等。
多維力傳感器的內(nèi)部一般包含有至少三個(gè)彈性體,多維力傳感器將自身承受的載荷轉(zhuǎn)化為彈性體的形變,通過測量三個(gè)彈性體的形變計(jì)算出當(dāng)前載荷的大小和方向。現(xiàn)有技術(shù)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(shù)量和彈性體的具體結(jié)構(gòu)形式各不相同,在傳感器承受了過大的載荷后很容易導(dǎo)致彈性體的彈性性能產(chǎn)生不可恢復(fù)的改變,造成測量精度下降。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種帶有保護(hù)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(gè)傳感器的使用壽命和可靠性。
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種多維力傳感器,包括外圈結(jié)構(gòu)、內(nèi)圈結(jié)構(gòu)、彈性柱、應(yīng)變片和保護(hù)器;所述外圈結(jié)構(gòu)為圓環(huán)形,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)與外圈結(jié)構(gòu)之間通過至少三個(gè)彈性柱連接,每個(gè)彈性柱的兩端分別連接外圈結(jié)構(gòu)和內(nèi)圈結(jié)構(gòu),所有彈性柱圍繞外圈結(jié)構(gòu)的中軸線均勻布置;所述內(nèi)圈結(jié)構(gòu)與彈性柱接觸的區(qū)域設(shè)置有長槽,每個(gè)長槽在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)的表面形成一個(gè)邊緣支撐的架空平板,彈性柱連接在架空平板上;保護(hù)器安裝在外圈結(jié)構(gòu)上,保護(hù)器與內(nèi)圈結(jié)構(gòu)之間留有間隙;每個(gè)彈性柱的側(cè)面粘貼有應(yīng)變片。
對于采用應(yīng)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??;增加了長槽結(jié)構(gòu)后可以形成架空平板,架空平板本身較薄,通過合理設(shè)計(jì)架空平板的厚度以及采用合適的材料可以使得架空平板在承受載荷時(shí)產(chǎn)生合理的形變,這種形變使得傳感器的內(nèi)圈結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為明顯的位移,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)與保護(hù)器之間的間隙發(fā)生改變。在載荷過大的情況下,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)與保護(hù)器接觸,超額的載荷由保護(hù)器直接承受,而不會傳導(dǎo)至彈性柱上,起到過載保護(hù)作用。
進(jìn)一步的,所述保護(hù)器與外圈結(jié)構(gòu)之間螺紋連接或者過渡配合,便于調(diào)節(jié)保護(hù)器與內(nèi)圈結(jié)構(gòu)之間的間隙。
進(jìn)一步的,所述內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上設(shè)置有保護(hù)孔,保護(hù)器的局部嵌入保護(hù)孔內(nèi),保護(hù)器與保護(hù)孔的內(nèi)壁及孔底之間留有間隙;由于內(nèi)圈結(jié)構(gòu)承受的載荷的方向具有不確定性,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)相對于保護(hù)器的相對運(yùn)動并不一定是簡單的直線運(yùn)動,也有可能是復(fù)雜的相對旋轉(zhuǎn),通過保護(hù)孔的設(shè)計(jì)可以使得保護(hù)器在復(fù)雜載荷的情況下也能發(fā)揮作用。
進(jìn)一步的,任意兩個(gè)相鄰的彈性柱之間設(shè)置有一個(gè)保護(hù)器。
進(jìn)一步的,所述彈性柱的橫截面為矩形,彈性柱具有四個(gè)側(cè)面,每個(gè)側(cè)面上均粘貼有應(yīng)變片。
本發(fā)明還提供了一種用于多維力傳感器的校準(zhǔn)方法,包括如下步驟:
步驟(1):在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上連接標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊,在標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊或者內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上安裝陀螺儀和加速度計(jì),將外圈結(jié)構(gòu)連接在機(jī)械臂上;所述標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的質(zhì)量為m0,所述標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的質(zhì)心坐標(biāo)為r={rx,ry,rz},所述質(zhì)心坐標(biāo)r的坐標(biāo)系采用的是多維力傳感器的內(nèi)部坐標(biāo)系;
步驟(2):使用機(jī)械臂控制多維力傳感器及與之連接的質(zhì)量塊緩慢旋轉(zhuǎn),在緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中同步調(diào)整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向,旋轉(zhuǎn)軸至少應(yīng)包括多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系的xyz坐標(biāo)軸;在此過程中動態(tài)采集應(yīng)變片、加速度計(jì)和陀螺儀的輸出,其中陀螺儀用于篩選數(shù)據(jù),如果陀螺儀在某一段時(shí)間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)的方差值和陀螺儀靜態(tài)輸出數(shù)據(jù)的方差值之間的差小于設(shè)定值,則認(rèn)定這段時(shí)間內(nèi)的加速度計(jì)的數(shù)據(jù)可以用于下述步驟(3)的計(jì)算,這是為了排除科氏力的干擾;
步驟(3):根據(jù)公式
m0gt(r)=vt6*6-fbias
計(jì)算多維力傳感器的內(nèi)置參數(shù)fbias和t6*6;
其中
g:加速計(jì)輸出的當(dāng)前傳感器的加速度{gx,gy,gz};
t(r):大地坐標(biāo)系對傳感器內(nèi)部坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣
v:應(yīng)變片的輸出電壓{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。
對于多維力傳感器而言,標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊施加在多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系原點(diǎn)o處的負(fù)載為:
即
同時(shí),f=vt6*6-fbias
其中t6*6是電信號轉(zhuǎn)化為負(fù)載力的轉(zhuǎn)換矩陣
t6*6={tfx;tfy;tfz;tmx;tmy;tmz};
fbias是傳感器負(fù)載力的各個(gè)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(shù)量的數(shù)據(jù)fx和v,采用多元一次多項(xiàng)式
對其進(jìn)行擬合,可以求得tfx和fxbias;同理,最終計(jì)算處fbias和t6*6。
本發(fā)明還提供了另一種用于多維力傳感器的校準(zhǔn)方法,包括如下步驟:
步驟(1):在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上連接普通質(zhì)量塊,在普通質(zhì)量塊或者內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上安裝陀螺儀和加速度計(jì),將外圈結(jié)構(gòu)連接在機(jī)械臂上,普通質(zhì)量塊的質(zhì)量和質(zhì)心的坐標(biāo)未知,本方法僅僅校正傳感器負(fù)載力的各個(gè)分量的偏置值fbias,對于電信號轉(zhuǎn)化為負(fù)載力的轉(zhuǎn)換矩陣t6*6不進(jìn)行校正,采用傳感器的原始給定值;
步驟(2):使用機(jī)械臂控制多維力傳感器及與之連接的質(zhì)量塊緩慢旋轉(zhuǎn),在緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中同步調(diào)整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向,旋轉(zhuǎn)軸至少應(yīng)包括多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系的xyz坐標(biāo)軸;在此過程中動態(tài)采集應(yīng)變片、加速度計(jì)和陀螺儀的輸出,其中陀螺儀用于篩選數(shù)據(jù),如果陀螺儀在某一段時(shí)間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)的方差值和陀螺儀靜態(tài)輸出數(shù)據(jù)的方差值之間的差小于設(shè)定值,則認(rèn)定這段時(shí)間內(nèi)的加速度計(jì)的數(shù)據(jù)可以用于下述步驟(3)的計(jì)算,這是為了排除科氏力的干擾;
步驟(3):加速度計(jì)輸出結(jié)果為g={gx,gy,gz},計(jì)算多維力傳感器的內(nèi)
置參數(shù)fbias={fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias},其中
有益效果:(1)本發(fā)明的多維力傳感器在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上設(shè)置長槽結(jié)構(gòu)以形成架空平板,架空平板本身較薄,通過合理設(shè)計(jì)架空平板的厚度以及采用合適的材料可以使得架空平板在承受載荷時(shí)產(chǎn)生合理的形變,在載荷過大的情況下,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)與保護(hù)器接觸,超額的載荷由保護(hù)器直接承受,而不會傳導(dǎo)至彈性柱上,起到保護(hù)彈性柱的作用。(2)本發(fā)明的多維力傳感器的保護(hù)器與外圈結(jié)構(gòu)之間螺紋連接或者過渡配合連接,便于調(diào)節(jié)保護(hù)器與內(nèi)圈結(jié)構(gòu)之間的間隙。(3)本發(fā)明的多維力傳感器的內(nèi)圈結(jié)構(gòu)上設(shè)置有保護(hù)孔,保護(hù)器的局部嵌入保護(hù)孔內(nèi),保護(hù)器與保護(hù)孔的內(nèi)壁及孔底之間留有間隙;由于內(nèi)圈結(jié)構(gòu)承受的載荷的方向具有不確定性,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)相對于保護(hù)器的相對運(yùn)動并不一定是簡單的直線運(yùn)動,也有可能是復(fù)雜的相對旋轉(zhuǎn),通過保護(hù)孔的設(shè)計(jì)可以使得保護(hù)器在面對復(fù)雜載荷的情況下也能發(fā)揮作用。(4)本發(fā)明提供的校準(zhǔn)方法操作簡單,用戶使用簡單的旋轉(zhuǎn)動作即可實(shí)現(xiàn)多維力傳感器的校準(zhǔn),提高多維力傳感器的測量精度。(5)本發(fā)明提供的校準(zhǔn)方法可以使用質(zhì)量和質(zhì)心未知的質(zhì)量塊進(jìn)行校準(zhǔn),在多維力傳感器內(nèi)置有加速計(jì)和陀螺儀的情況下,用戶可以使用任何具有一定質(zhì)量的物體來校準(zhǔn)傳感器,方便應(yīng)用。
附圖說明
圖1是實(shí)施例1多維力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是實(shí)施例1多維力傳感器局部結(jié)構(gòu)圖。
圖3是實(shí)施例1多維力傳感器應(yīng)變片布置圖(其一)。
圖4是實(shí)施例1多維力傳感器應(yīng)變片布置圖(其二)。
圖5是實(shí)施例1多維力傳感器應(yīng)變片布置圖(其三)。
圖6是實(shí)施例1多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系的方向圖。
圖7是實(shí)施例1中標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的安裝示意圖。
圖8是實(shí)施例1中標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊的受力分析圖。
其中:1、外圈結(jié)構(gòu);2、內(nèi)圈結(jié)構(gòu);201、長槽;202、架空平板;3、彈性柱;4、保護(hù)器;5、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊;6、機(jī)械臂。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
如圖1所示,本實(shí)施例的多維力傳感器,包括外圈結(jié)構(gòu)1、內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2、彈性柱3、應(yīng)變片和保護(hù)器4;所述外圈結(jié)構(gòu)1為圓環(huán)形,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)為帶有圓角的正三角形,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2與外圈結(jié)構(gòu)1之間通過三個(gè)彈性柱3連接,每個(gè)彈性柱3的兩端分別連接外圈結(jié)構(gòu)1和內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2,所有彈性柱3圍繞外圈結(jié)構(gòu)1的中軸線均勻布置;所述內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2與彈性柱3接觸的區(qū)域設(shè)置有長槽201,每個(gè)長槽201在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2的表面形成一個(gè)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(hù)器4安裝在外圈結(jié)構(gòu)1上,保護(hù)器4與外圈結(jié)構(gòu)1之間螺紋連接或者過渡配合連接,任意兩個(gè)相鄰的彈性柱3之間設(shè)置有一個(gè)保護(hù)器4;內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2上設(shè)置有保護(hù)孔,保護(hù)器4的局部嵌入保護(hù)孔內(nèi),保護(hù)器4與保護(hù)孔的內(nèi)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(gè)側(cè)面,每個(gè)側(cè)面上均粘貼有應(yīng)變片;如圖3至圖5所示,應(yīng)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(yīng)變片進(jìn)行全橋或半橋連結(jié)后輸出電壓,三個(gè)彈性柱3輸出的電壓為v={v1,v2,v3,v4,v5,v6}。
對于采用應(yīng)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??;增加了長槽201結(jié)構(gòu)后可以形成架空平板202,架空平板202本身較薄,通過合理設(shè)計(jì)架空平板202的厚度以及采用合適的材料可以使得架空平板202在承受載荷時(shí)產(chǎn)生合理的形變,這種形變使得傳感器的內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2產(chǎn)生較為明顯的位移,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2與保護(hù)器4之間的間隙發(fā)生改變。如圖2所示,在載荷過大的情況下,內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2將直接與保護(hù)器4接觸,超額的載荷由保護(hù)器4直接承受,而不會傳導(dǎo)至彈性柱3上,起到保護(hù)作用。
本實(shí)施例的多維力傳感器在測量時(shí)直接輸出的是應(yīng)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(zhuǎn)化為具體的載荷;
其中t6*6是電信號轉(zhuǎn)化為負(fù)載力的轉(zhuǎn)換矩陣
t6*6={tfx;tfy;tfz;tmx;tmy;tmz};
fbias是傳感器負(fù)載力的各個(gè)分量的偏置值
fbias={fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias};
t6*6和fbias這兩個(gè)參數(shù)是多維力傳感器的固有參數(shù),一個(gè)多維力傳感器在使用之前必須首先標(biāo)定這兩個(gè)參數(shù)。隨著多維力傳感器的使用和環(huán)境溫度的變化等因素影響,t6*6和fbias這兩個(gè)參數(shù)也會發(fā)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(jìn)行校準(zhǔn)。本實(shí)施例多維力傳感器的校準(zhǔn)方法有兩種,第一種是采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5進(jìn)行校準(zhǔn),第二種是采用普通質(zhì)量塊進(jìn)行校準(zhǔn);其中標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5是指質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)已知的質(zhì)量塊,普通質(zhì)量塊是指質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)未知的質(zhì)量塊;第一種方法可以校準(zhǔn)t6*6和fbias這兩個(gè)參數(shù),第二種方法只能校準(zhǔn)fbias這一個(gè)參數(shù)。
第一種校準(zhǔn)方法是:
步驟(1):如圖7所示,在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2上連接標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5,在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2內(nèi)安裝陀螺儀和加速度計(jì)(為了使用方便,也可以在生產(chǎn)多維力傳感器時(shí)直接將陀螺儀和加速度計(jì)內(nèi)置在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2內(nèi)部),將外圈結(jié)構(gòu)1連接在機(jī)械臂6上;如圖8所示,所述標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5的質(zhì)量為m0,所述標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5的質(zhì)心坐標(biāo)為r={rx,ry,rz},所述質(zhì)心坐標(biāo)r的坐標(biāo)系采用的是多維力傳感器的內(nèi)部坐標(biāo)系,如圖6所示,內(nèi)部坐標(biāo)系由多維力傳感器的設(shè)計(jì)者自由定義;
步驟(2):使用機(jī)械臂6控制多維力傳感器及與之連接的質(zhì)量塊緩慢旋轉(zhuǎn),在緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中同步調(diào)整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向,旋轉(zhuǎn)軸至少應(yīng)包括多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系的xyz坐標(biāo)軸;在此過程中動態(tài)采集應(yīng)變片、加速度計(jì)和陀螺儀的輸出,其中陀螺儀用于篩選數(shù)據(jù),如果陀螺儀在某一段時(shí)間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)的方差值和陀螺儀靜態(tài)輸出數(shù)據(jù)的方差值之間的差小于設(shè)定值,則認(rèn)定這段時(shí)間內(nèi)的加速度計(jì)的數(shù)據(jù)可以用于下述步驟(3)的計(jì)算,這是為了排除科氏力的干擾;
步驟(3):根據(jù)公式
m0gt(r)=vt6*6-fbias
計(jì)算多維力傳感器的內(nèi)置參數(shù)fbias和t6*6;
其中
g:加速計(jì)輸出的當(dāng)前傳感器的加速度{gx,gy,gz};
t(r):大地坐標(biāo)系對傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣
v:應(yīng)變片的輸出電壓{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。
對于多維力傳感器而言,標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5施加在多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系原點(diǎn)o處的負(fù)載為:
即
同時(shí),f=vt6*6-fbias
其中t6*6是電信號轉(zhuǎn)化為負(fù)載力的轉(zhuǎn)換矩陣
t6*6={tfx;tfy;tfz;tmx;tmy;tmz};
fbias是傳感器負(fù)載力的各個(gè)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(shù)量的數(shù)據(jù)fx和v,采用多元一次多項(xiàng)式對其進(jìn)行擬合,可以求得tfx和fxbias;同理,最終計(jì)算處fbias和t6*6。
第一種校準(zhǔn)方法是:
步驟(1):在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2上連接普通質(zhì)量塊(與圖7所示的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量塊5的連接方式一致),在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2上安裝陀螺儀和加速度計(jì)(為了使用方便,也可以在生產(chǎn)多維力傳感器時(shí)直接將陀螺儀和加速度計(jì)內(nèi)置在內(nèi)圈結(jié)構(gòu)2內(nèi)部),將外圈結(jié)構(gòu)1連接在機(jī)械臂6上。普通質(zhì)量塊的質(zhì)量和質(zhì)心的坐標(biāo)未知,如圖6所示,內(nèi)置坐標(biāo)系由多維力傳感器的設(shè)計(jì)者自由定義;
步驟(2):使用機(jī)械臂6控制多維力傳感器及與之連接的質(zhì)量塊緩慢旋轉(zhuǎn),在緩慢旋轉(zhuǎn)的過程中同步調(diào)整多維力傳感器的中軸線指向空間的不同方向,旋轉(zhuǎn)軸至少應(yīng)包括多維力傳感器內(nèi)置坐標(biāo)系的xyz坐標(biāo)軸;在此過程中動態(tài)采集應(yīng)變片、加速度計(jì)和陀螺儀的輸出,其中陀螺儀用于篩選數(shù)據(jù),如果陀螺儀在某一段時(shí)間內(nèi)輸出的數(shù)據(jù)的方差值和陀螺儀靜態(tài)輸出數(shù)據(jù)的方差值之間的差小于設(shè)定值,則認(rèn)定這段時(shí)間內(nèi)的加速度計(jì)的數(shù)據(jù)可以用于下述步驟(3)的計(jì)算,這是為了排除科氏力的干擾;
步驟(3):加速度計(jì)輸出結(jié)果為g={gx,gy,gz},計(jì)算多維力傳感器的內(nèi)置參數(shù)fbias={fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias};
由于普通質(zhì)量塊的質(zhì)量和質(zhì)心坐標(biāo)是未知的,本方法必須通過特定條件求算參數(shù)fbias;由前述的公式一和公式二可知:
fx=m0gx=vtfx-fxbias
當(dāng)gx=0時(shí),fxbias=vtfx;
因此在步驟(2)采集的數(shù)據(jù)中選擇滿足gx=0條件的數(shù)據(jù)v,對所有計(jì)算結(jié)果取均值后獲得fxbias,同理可得到:
雖然說明書中對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行了說明,但這些實(shí)施方式只是作為提示,不應(yīng)限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種省略、置換和變更均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。