多维力传感器及校准方法与流程

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种多维力传感器及校准方法。

背景技术：

多维力传感器能同时将各个轴上的力和力矩转化为电信号输出，可用于检测不断变化的力与力矩的大小和方向，广泛应用于机器人、自动化设备、医疗器械等领域中，如自动打磨机器人、远程手术机械手臂等。

多维力传感器的内部一般包含有至少三个弹性体，多维力传感器将自身承受的载荷转化为弹性体的形变，通过测量三个弹性体的形变计算出当前载荷的大小和方向。现有技术中的多维力传感器的种类非常多样，不同的多维力传感器所具有的弹性体的数量和弹性体的具体结构形式各不相同，在传感器承受了过大的载荷后很容易导致弹性体的弹性性能产生不可恢复的改变，造成测量精度下降。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种带有保护装置的多维力传感器，使得施加在传感器上的超额载荷不会直接作用在弹性体上，提高了整个传感器的使用寿命和可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多维力传感器，包括外圈结构、内圈结构、弹性柱、应变片和保护器；所述外圈结构为圆环形，内圈结构与外圈结构之间通过至少三个弹性柱连接，每个弹性柱的两端分别连接外圈结构和内圈结构，所有弹性柱围绕外圈结构的中轴线均匀布置；所述内圈结构与弹性柱接触的区域设置有长槽，每个长槽在内圈结构的表面形成一个边缘支撑的架空平板，弹性柱连接在架空平板上；保护器安装在外圈结构上，保护器与内圈结构之间留有间隙；每个弹性柱的侧面粘贴有应变片。

对于采用应变片测量弹性柱的多维力传感器来说，弹性柱本身的形变很小；增加了长槽结构后可以形成架空平板，架空平板本身较薄，通过合理设计架空平板的厚度以及采用合适的材料可以使得架空平板在承受载荷时产生合理的形变，这种形变使得传感器的内圈结构产生较为明显的位移，内圈结构与保护器之间的间隙发生改变。在载荷过大的情况下，内圈结构与保护器接触，超额的载荷由保护器直接承受，而不会传导至弹性柱上，起到过载保护作用。

进一步的，所述保护器与外圈结构之间螺纹连接或者过渡配合，便于调节保护器与内圈结构之间的间隙。

进一步的，所述内圈结构上设置有保护孔，保护器的局部嵌入保护孔内，保护器与保护孔的内壁及孔底之间留有间隙；由于内圈结构承受的载荷的方向具有不确定性，内圈结构相对于保护器的相对运动并不一定是简单的直线运动，也有可能是复杂的相对旋转，通过保护孔的设计可以使得保护器在复杂载荷的情况下也能发挥作用。

进一步的，任意两个相邻的弹性柱之间设置有一个保护器。

进一步的，所述弹性柱的横截面为矩形，弹性柱具有四个侧面，每个侧面上均粘贴有应变片。

本发明还提供了一种用于多维力传感器的校准方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在内圈结构上连接标准质量块，在标准质量块或者内圈结构上安装陀螺仪和加速度计，将外圈结构连接在机械臂上；所述标准质量块的质量为m0，所述标准质量块的质心坐标为r＝{rx,ry,rz}，所述质心坐标r的坐标系采用的是多维力传感器的内部坐标系；

步骤(2)：使用机械臂控制多维力传感器及与之连接的质量块缓慢旋转，在缓慢旋转的过程中同步调整多维力传感器的中轴线指向空间的不同方向，旋转轴至少应包括多维力传感器内置坐标系的xyz坐标轴；在此过程中动态采集应变片、加速度计和陀螺仪的输出，其中陀螺仪用于筛选数据，如果陀螺仪在某一段时间内输出的数据的方差值和陀螺仪静态输出数据的方差值之间的差小于设定值，则认定这段时间内的加速度计的数据可以用于下述步骤(3)的计算，这是为了排除科氏力的干扰；

步骤(3)：根据公式

m0gt(r)＝vt6*6-fbias

计算多维力传感器的内置参数fbias和t6*6；

其中

g：加速计输出的当前传感器的加速度{gx,gy,gz}；

t(r)：大地坐标系对传感器内部坐标系的转换矩阵

v：应变片的输出电压{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。

对于多维力传感器而言，标准质量块施加在多维力传感器内置坐标系原点o处的负载为：

即

同时，f＝vt6*6-fbias

其中t6*6是电信号转化为负载力的转换矩阵

t6*6＝{tfx；tfy；tfz；tmx；tmy；tmz}；

fbias是传感器负载力的各个分量的偏置值

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为例，取一定数量的数据fx和v，采用多元一次多项式

对其进行拟合，可以求得tfx和fxbias；同理，最终计算处fbias和t6*6。

本发明还提供了另一种用于多维力传感器的校准方法，包括如下步骤：

步骤(1)：在内圈结构上连接普通质量块，在普通质量块或者内圈结构上安装陀螺仪和加速度计，将外圈结构连接在机械臂上，普通质量块的质量和质心的坐标未知，本方法仅仅校正传感器负载力的各个分量的偏置值fbias，对于电信号转化为负载力的转换矩阵t6*6不进行校正，采用传感器的原始给定值；

步骤(2)：使用机械臂控制多维力传感器及与之连接的质量块缓慢旋转，在缓慢旋转的过程中同步调整多维力传感器的中轴线指向空间的不同方向，旋转轴至少应包括多维力传感器内置坐标系的xyz坐标轴；在此过程中动态采集应变片、加速度计和陀螺仪的输出，其中陀螺仪用于筛选数据，如果陀螺仪在某一段时间内输出的数据的方差值和陀螺仪静态输出数据的方差值之间的差小于设定值，则认定这段时间内的加速度计的数据可以用于下述步骤(3)的计算，这是为了排除科氏力的干扰；

步骤(3)：加速度计输出结果为g＝{gx,gy,gz}，计算多维力传感器的内

置参数fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}，其中

有益效果：(1)本发明的多维力传感器在内圈结构上设置长槽结构以形成架空平板，架空平板本身较薄，通过合理设计架空平板的厚度以及采用合适的材料可以使得架空平板在承受载荷时产生合理的形变，在载荷过大的情况下，内圈结构与保护器接触，超额的载荷由保护器直接承受，而不会传导至弹性柱上，起到保护弹性柱的作用。(2)本发明的多维力传感器的保护器与外圈结构之间螺纹连接或者过渡配合连接，便于调节保护器与内圈结构之间的间隙。(3)本发明的多维力传感器的内圈结构上设置有保护孔，保护器的局部嵌入保护孔内，保护器与保护孔的内壁及孔底之间留有间隙；由于内圈结构承受的载荷的方向具有不确定性，内圈结构相对于保护器的相对运动并不一定是简单的直线运动，也有可能是复杂的相对旋转，通过保护孔的设计可以使得保护器在面对复杂载荷的情况下也能发挥作用。(4)本发明提供的校准方法操作简单，用户使用简单的旋转动作即可实现多维力传感器的校准，提高多维力传感器的测量精度。(5)本发明提供的校准方法可以使用质量和质心未知的质量块进行校准，在多维力传感器内置有加速计和陀螺仪的情况下，用户可以使用任何具有一定质量的物体来校准传感器，方便应用。

附图说明

图1是实施例1多维力传感器结构示意图。

图2是实施例1多维力传感器局部结构图。

图3是实施例1多维力传感器应变片布置图(其一)。

图4是实施例1多维力传感器应变片布置图(其二)。

图5是实施例1多维力传感器应变片布置图(其三)。

图6是实施例1多维力传感器内置坐标系的方向图。

图7是实施例1中标准质量块的安装示意图。

图8是实施例1中标准质量块的受力分析图。

其中：1、外圈结构；2、内圈结构；201、长槽；202、架空平板；3、弹性柱；4、保护器；5、标准质量块；6、机械臂。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例的多维力传感器，包括外圈结构1、内圈结构2、弹性柱3、应变片和保护器4；所述外圈结构1为圆环形，内圈结构2结构为带有圆角的正三角形，内圈结构2与外圈结构1之间通过三个弹性柱3连接，每个弹性柱3的两端分别连接外圈结构1和内圈结构2，所有弹性柱3围绕外圈结构1的中轴线均匀布置；所述内圈结构2与弹性柱3接触的区域设置有长槽201，每个长槽201在内圈结构2的表面形成一个边缘支撑的架空平板202，弹性柱3连接在架空平板202上。

如图2所示，保护器4安装在外圈结构1上，保护器4与外圈结构1之间螺纹连接或者过渡配合连接，任意两个相邻的弹性柱3之间设置有一个保护器4；内圈结构2上设置有保护孔，保护器4的局部嵌入保护孔内，保护器4与保护孔的内壁及孔底之间留有间隙。

弹性柱3的横截面为矩形，弹性柱3具有四个侧面，每个侧面上均粘贴有应变片；如图3至图5所示，应变片可以横向粘贴、竖向粘贴或者花式粘贴，所有弹性柱3每一组对边上的应变片进行全桥或半桥连结后输出电压，三个弹性柱3输出的电压为v＝{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。

对于采用应变片测量弹性柱3的多维力传感器来说，弹性柱3本身的形变很小；增加了长槽201结构后可以形成架空平板202，架空平板202本身较薄，通过合理设计架空平板202的厚度以及采用合适的材料可以使得架空平板202在承受载荷时产生合理的形变，这种形变使得传感器的内圈结构2产生较为明显的位移，内圈结构2与保护器4之间的间隙发生改变。如图2所示，在载荷过大的情况下，内圈结构2将直接与保护器4接触，超额的载荷由保护器4直接承受，而不会传导至弹性柱3上，起到保护作用。

本实施例的多维力传感器在测量时直接输出的是应变片测量的电压信号v＝{v1,v2,v3,v4,v5,v6}，该电压信号可以通过公式

f＝vt6*6-fbias

转化为具体的载荷；

其中t6*6是电信号转化为负载力的转换矩阵

t6*6＝{tfx；tfy；tfz；tmx；tmy；tmz}；

fbias是传感器负载力的各个分量的偏置值

fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}；

t6*6和fbias这两个参数是多维力传感器的固有参数，一个多维力传感器在使用之前必须首先标定这两个参数。随着多维力传感器的使用和环境温度的变化等因素影响，t6*6和fbias这两个参数也会发生一定的变化，因此多维力传感器在使用过程中一般需要进行校准。本实施例多维力传感器的校准方法有两种，第一种是采用标准质量块5进行校准，第二种是采用普通质量块进行校准；其中标准质量块5是指质量和质心坐标已知的质量块，普通质量块是指质量和质心坐标未知的质量块；第一种方法可以校准t6*6和fbias这两个参数，第二种方法只能校准fbias这一个参数。

第一种校准方法是：

步骤(1)：如图7所示，在内圈结构2上连接标准质量块5，在内圈结构2内安装陀螺仪和加速度计(为了使用方便，也可以在生产多维力传感器时直接将陀螺仪和加速度计内置在内圈结构2内部)，将外圈结构1连接在机械臂6上；如图8所示，所述标准质量块5的质量为m0，所述标准质量块5的质心坐标为r＝{rx,ry,rz}，所述质心坐标r的坐标系采用的是多维力传感器的内部坐标系，如图6所示，内部坐标系由多维力传感器的设计者自由定义；

步骤(2)：使用机械臂6控制多维力传感器及与之连接的质量块缓慢旋转，在缓慢旋转的过程中同步调整多维力传感器的中轴线指向空间的不同方向，旋转轴至少应包括多维力传感器内置坐标系的xyz坐标轴；在此过程中动态采集应变片、加速度计和陀螺仪的输出，其中陀螺仪用于筛选数据，如果陀螺仪在某一段时间内输出的数据的方差值和陀螺仪静态输出数据的方差值之间的差小于设定值，则认定这段时间内的加速度计的数据可以用于下述步骤(3)的计算，这是为了排除科氏力的干扰；

步骤(3)：根据公式

m0gt(r)＝vt6*6-fbias

计算多维力传感器的内置参数fbias和t6*6；

其中

g：加速计输出的当前传感器的加速度{gx,gy,gz}；

t(r)：大地坐标系对传感器内置坐标系的转换矩阵

v：应变片的输出电压{v1,v2,v3,v4,v5,v6}。

对于多维力传感器而言，标准质量块5施加在多维力传感器内置坐标系原点o处的负载为：

即

同时，f＝vt6*6-fbias

其中t6*6是电信号转化为负载力的转换矩阵

t6*6＝{tfx；tfy；tfz；tmx；tmy；tmz}；

fbias是传感器负载力的各个分量的偏置值

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为例，取一定数量的数据fx和v，采用多元一次多项式对其进行拟合，可以求得tfx和fxbias；同理，最终计算处fbias和t6*6。

第一种校准方法是：

步骤(1)：在内圈结构2上连接普通质量块(与图7所示的标准质量块5的连接方式一致)，在内圈结构2上安装陀螺仪和加速度计(为了使用方便，也可以在生产多维力传感器时直接将陀螺仪和加速度计内置在内圈结构2内部)，将外圈结构1连接在机械臂6上。普通质量块的质量和质心的坐标未知，如图6所示，内置坐标系由多维力传感器的设计者自由定义；

步骤(2)：使用机械臂6控制多维力传感器及与之连接的质量块缓慢旋转，在缓慢旋转的过程中同步调整多维力传感器的中轴线指向空间的不同方向，旋转轴至少应包括多维力传感器内置坐标系的xyz坐标轴；在此过程中动态采集应变片、加速度计和陀螺仪的输出，其中陀螺仪用于筛选数据，如果陀螺仪在某一段时间内输出的数据的方差值和陀螺仪静态输出数据的方差值之间的差小于设定值，则认定这段时间内的加速度计的数据可以用于下述步骤(3)的计算，这是为了排除科氏力的干扰；

步骤(3)：加速度计输出结果为g＝{gx,gy,gz}，计算多维力传感器的内置参数fbias＝{fxbias,fybias,fzbias,mxbias,mybias,mzbias}；

由于普通质量块的质量和质心坐标是未知的，本方法必须通过特定条件求算参数fbias；由前述的公式一和公式二可知：

fx＝m0gx＝vtfx-fxbias

当gx＝0时，fxbias＝vtfx；

因此在步骤(2)采集的数据中选择满足gx＝0条件的数据v，对所有计算结果取均值后获得fxbias，同理可得到：

虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。