空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法与流程

本发明涉及一种力学标定装置及标定方法，特别是一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法。

背景技术：

空间机械臂作为一种用于空间作业的多自由度执行机构，其主要任务是辅助对接、目标搬运、在轨建设、空间物体的观察和监测、空间物体的捕获和释放等，是完成空间在轨服务、深空探测的主要载体。装载在空间机械臂上的六维力传感器，作为其感知外界信息的最重要的传感器，是实现上述目标的基础。

标定是力传感器研制过程中的重要环节，用以确定传感器的性能指标。而研制完成后，在长期使用过程中，传感器的性能可能发生变化，因此必须定期进行重复标定，以确保测量的准确性和可靠性。而对于安装在空间站机械臂上的六维力传感器而言，如何实现在轨标定是亟需解决的问题。现有的六维力传感器标定装置普遍采用砝码进行标定，无法在空间站的失重环境下使用。此外，现有标定装置体积较大，若在空间站进行应用，则会导致发射成本高、空间站环境狭小等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法，该空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置及标定方法利用压电陶瓷片和高精度单维力传感器产生标准作用力，实现失重环境下的在轨标定，并且具有体积小、力值大、力源稳定等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，包括固定支架、三个施力装置和正方形受力块。

固定支架呈倒置的“π”型，包括一块横板和垂直设置在横板上的两块竖板。两块竖板与横板之间形成纵截面呈u型的标定腔。

三个施力装置分别为第一施力装置、第二施力装置和第三施力装置，且均位于标定腔内。第一施力装置和第二施力装置分别按照在两块竖板相向的一侧，且在对应竖板上的高度位置能够调整。第三施力装置安装在横板的上表面中心。

每个施力装置均包括施力头、单轴拉压力传感器、力源组件和紧固组件。

力源组件包括从上至下依次同轴设置的上支撑板、第二电极板、压电陶瓷片、第一电极板和下支撑板。上支撑板通过紧固组件安装在下支撑板上，并将第二电极板、压电陶瓷片和第一电极板弹性压紧在上支撑板和下支撑板之间。

单轴拉压力传感器安装在上支撑板顶部中心，施力头安装在单轴拉压力传感器顶部中心，且呈半球形。

正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端。正方形受力块能在机械臂的带动下，伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触。单轴拉压力传感器的精度高于待标定六维力传感器的精度。

每块竖板上均设置有至少两个高度不同的施力装置安装位置，其中，两块竖板上的施力装置安装位置至少有一组位于同一高度。

每块竖板上均设置有三个高度不同的施力装置安装位置。两块竖板分别为左侧竖板和右侧竖板，位于左侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置a、安装位置b和安装位置c。位于右侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置a、安装位置b和安装位置c。其中，安装位置a、安装位置b和安装位置c位于同一垂直线，安装位置a、安装位置b和安装位置c位于另一垂直线。安装位置a、安装位置b和安装位置c与安装位置a、安装位置b和安装位置c的高度一一对应。

紧固组件包括螺栓、螺母和预紧弹簧。螺栓的杆部从上至下依次穿过预紧弹簧、上支撑板和下支撑板后，采用螺母紧固。下支撑板与螺栓的杆部螺纹连接，上支撑板与螺栓的杆部滑动连接，预紧弹簧位于上支撑板和螺栓头部之间。

一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定方法，包括如下步骤。

步骤1，对x方向作用力的标定，包括如下步骤：

步骤11，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在同一高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心。

步骤12，安装正方体受力块：将正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端。机械臂动作，将正方形受力块伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触。此时，需使六维力传感器的x轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合。

步骤13，标定x正向作用力：通过控制第一施力装置，对正方体受力块施加多组作用力，记录第一施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x正向作用力的标定。其中，第一施力装置对正方体受力块施加多组作用力的方法为：向第一施力装置中的第一电极板和第二电极板间施加设定的电压，由于压电效应，两极板间的若干压电陶瓷片将产生设定的x正向位移，且位移量与电压大小相关。由于第一施力装置中的施力头与正方体受力块相接触，故而，x正向位移将转化为对正方体受力块施加的x正向作用力，且x正向作用力的数值与电压大小相关。第一施力装置中单轴拉压力传感器对施加的x正向作用力进行实时检测并反馈，通过控制电压的大小就能调整x正向作用力的大小值。

步骤14，标定x负向作用力：第一施力装置复位，通过控制第二施力装置，对正方体受力块施加多组x负向作用力，记录第二施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x负向作用力的标定。

步骤2，对y方向作用力的标定，包括如下步骤：

步骤21，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，转动机械臂，使得六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合，且六维力传感器的y轴方向与第一施力装置的轴向平行。

步骤22，标定y向作用力：采用与步骤13和步骤14相同的方法，通过控制第一施力装置，实现y正向作用力的标定。通过控制第二施力装置，从而实现y负向作用力的标定。

步骤3，对z方向作用力的标定：第一施力装置和第二施力装置均复位，在六维力传感器的z轴方向与第三施力装置轴向重合的情况下，控制第三施力装置对正方体受力块施加多组z方向作用力，记录第三施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，由此实现z向作用力的标定。

还包括如下步骤：

步骤4，对x方向作用力矩的标定，包括如下步骤：

步骤41，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在不同高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心。

步骤42，安装正方体受力块：按照步骤12的方法，进行正方体受力块的安装。此时，需使六维力传感器的y轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合。

步骤43，标定x正向作用力矩：控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x正向作用力矩的标定。其中，数值相等的多组作用力，是指施加多组作用力，而在每组作用力中，第一施力装置和第二施力装置所施加的作用力数值大小相等。

步骤44，标定x负向作用力矩：第一施力装置和第二施力装置复位，六维力传感器绕z轴旋转180°或交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置。再次控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录并比较两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x负向作用力矩的标定。

步骤5，对y方向作用力矩的标定，包括如下步骤：

步骤51，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，转动机械臂，使得六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合，且六维力传感器的x轴方向与第一施力装置的轴向平行。

步骤52，标定y向作用力矩：采用与步骤43的方法，实现y正向作用力矩的标定。采用步骤44的方法，实现y负向作用力矩的标定。

步骤6，对z方向作用力矩的标定，包括如下步骤：

步骤61，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，转动机械臂，使得六维力传感器的z轴方向与第一施力装置、第二施力装置、第三施力装置的轴线所在平面垂直，且六维力传感器的x轴或y轴方向与第三施力装置的轴向重合。

步骤62，标定z正向作用力矩：控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录并比较两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现z正向作用力矩的标定。

步骤63，标定z负向作用力矩：z正向作用力矩标定完成后，第一施力装置和第二施力装置复位，六维力传感器绕z轴旋转180°或交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置。再次控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录并比较两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现z负向作用力矩的标定。

步骤11中，第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置b处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置b处。安装位置b和安装位置b的轴线位于同一高度。

步骤41中，第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置a处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置c处。安装位置a的轴线高度高于安装位置c的轴线高度。

步骤44中，当采用交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置进行x负向作用力矩标定时，具体交换方法为：将第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置c处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置a处。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用压电陶瓷和高精度的单轴拉压力传感器产生标准作用力，实现失重环境下的在轨标定，并且具有力值大、力源稳定等优点。

2、本发明结构简洁、体积较小，适用于空间站狭小的环境。

附图说明

图1为本发明中施力装置的立体图。

图2为本发明中施力装置的正视图。

图3为本发明一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置的整体结构图。

图4为本发明的在轨标定装置对x向、y向或z向作用力进行标定时的姿态示意图。

图5为本发明的在轨标定装置对x向、y向作用力矩进行标定时的姿态示意图。

图6为本发明的在轨标定装置对z向作用力矩进行标定时的姿态示意图。

其中有：

1.施力头。2.单轴拉压力传感器。3.上支撑板。4.下支撑板。5.连接孔。6.第一电极板。7.压电陶瓷片。8.螺栓。9.预紧弹簧。10.螺母。11.第二电极板。12.第一施力装置。13.第二施力装置。14.第三施力装置。15.固定支架。16.安装位置a。17.安装位置b。18.安装位置c。19.安装位置a。20.安装位置b。21.安装位置c。22.正方形受力块。23.六维力传感器。24.机械臂。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图3至图6所示，一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定装置，包括固定支架15、三个施力装置和正方形受力块22。

固定支架呈倒置的“π”型，包括一块横板和垂直设置在横板上的两块竖板。两块竖板与横板之间形成纵截面呈u型的标定腔。

两块竖板分别为左侧竖板和右侧竖板，每块竖板上均优选设置有至少两个高度不同的施力装置安装位置，其中，两块竖板上的施力装置安装位置至少有一组位于同一高度。

本实施例中，每块竖板上均优选设置有三个高度不同的施力装置安装位置。

位于左侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置a19、安装位置b20和安装位置c21。安装位置a、安装位置b和安装位置c优选位于同一垂直线。

位于右侧竖板上的三个施力装置安装位置从上至下分别为安装位置a16、安装位置b17和安装位置c18。安装位置a、安装位置b和安装位置c优选位于另一垂直线。

安装位置a、安装位置b和安装位置c与安装位置a、安装位置b和安装位置c的高度一一对应。如安装位置a与安装位置a的轴线等高，以此类推。

三个施力装置分别为第一施力装置12、第二施力装置13和第三施力装置14，且均位于标定腔内。第一施力装置和第二施力装置分别按照在两块竖板相向的一侧，且在对应竖板上的高度位置能够调整。第三施力装置安装在横板的上表面中心。

如图1和图2所示，每个施力装置均包括施力头1、单轴拉压力传感器2、力源组件和紧固组件。

如图2所示，力源组件包括从上至下依次同轴设置的上支撑板3、第二电极板11、压电陶瓷片7、第一电极板6和下支撑板4。

下支撑板4的外圆周边缘均布有若干个连接孔5，用于与固定支架进行安装固定。

上支撑板通过紧固组件安装在下支撑板上，并将第二电极板、压电陶瓷片和第一电极板弹性压紧在上支撑板和下支撑板之间。

紧固组件优选包括螺栓8、螺母10和预紧弹簧9。螺栓的杆部从上至下依次穿过预紧弹簧、上支撑板和下支撑板后，采用螺母紧固。下支撑板与螺栓的杆部螺纹连接，上支撑板与螺栓的杆部滑动连接，预紧弹簧位于上支撑板和螺栓头部之间。

单轴拉压力传感器安装在上支撑板顶部中心，单轴拉压力传感器的精度高于待标定六维力传感器的精度。单轴拉压力传感器的精度需比带标定六维力传感器的预期精度高一个数量级。具体来说，若六维力传感器的预期精度为3%，则单轴拉压力传感器的精度需高于0.3%。

施力头安装在单轴拉压力传感器顶部中心，且优选呈半球形。

如图4至图6所示，正方形受力块安装在待标定的六维力传感器23顶部，六维力传感器安装在机械臂24末端。正方形受力块能在机械臂的带动下，伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触。

一种空间站机械臂六维力传感器高精度小型化在轨标定方法，包括如下步骤。

步骤1，对x方向作用力(fx)的标定，包括如下步骤：

步骤11，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在同一高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心。本实施例中，第一施力装置优选安装在左侧竖板的安装位置b处，第二施力装置优选安装在右侧竖板的安装位置b处；安装位置b和安装位置b的轴线位于同一高度。当然作为替换，也可以安装在安装位置a和安装位置a或者安装位置c和安装位置c处。

步骤12，安装正方体受力块：将正方形受力块安装在待标定的六维力传感器顶部，六维力传感器安装在机械臂末端。机械臂动作，将正方形受力块伸入标定腔内，并与三个施力装置中的三个施力头相接触。此时，需使六维力传感器的x轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合，如图4所示。

步骤13，标定x正向作用力：通过控制第一施力装置，对正方体受力块施加多组作用力，记录并比较第一施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x正向作用力的标定。

上述第一施力装置对正方体受力块施加多组作用力的方法为：向第一施力装置中的第一电极板和第二电极板间施加设定的电压，由于压电效应，两极板间的若干压电陶瓷片将产生设定的x正向位移，且位移量与电压大小相关。由于第一施力装置中的施力头与正方体受力块相接触，故而，x正向位移将将转化为对正方体受力块施加的x正向作用力，且x正向作用力的数值与电压大小相关。第一施力装置中单轴拉压力传感器对施加的x正向作用力进行实时检测并反馈，通过控制电压的大小就能调整x正向作用力的大小值。

后续第二施力装置以及第三施力装置对正方体受力块施加多组作用力的方法，均同上。

步骤14，标定x负向作用力：第一施力装置复位，也即第一施力装置12仍然固定在安装位置b20，第二施力装置13仍然固定在安装位置b17，保持图4的姿态不变。

然后，通过控制第二施力装置，对正方体受力块施加多组x负向作用力，记录并比较第二施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x负向作用力的标定。

步骤2，对y方向作用力(fy)的标定，包括如下步骤：

步骤21，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，高度位置保持不变。

转动机械臂24，使六维力传感器23绕z轴旋转90度；此时，六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合，且六维力传感器的y轴方向与第一施力装置的轴向平行。

步骤22，标定y向作用力：采用与步骤13和步骤14相同的方法，通过控制第一施力装置，实现y正向作用力的标定。通过控制第二施力装置，从而实现y负向作用力的标定。

步骤3，对z方向作用力的标定：第一施力装置和第二施力装置均复位，优选保持图4的姿态不变，在六维力传感器的z轴方向与第三施力装置轴向重合的情况下，控制第三施力装置对正方体受力块施加多组z方向作用力，记录并比较第三施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，由此实现z向作用力的标定。

上述x、y、z方向作用力的标定顺序，可以根据需要进行调整。

步骤4，对x方向作用力矩(mx)的标定，包括如下步骤：

步骤41，安装施力装置：将第一施力装置和第二施力装置的轴线安装在不同高度，第三施力装置安装在横板的上表面中心。

本实施例中，第一施力装置和第二施力装置的具体优选安装方法为：如图5所示，第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置a处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置c处。安装位置a的轴线高度高于安装位置c的轴线高度。

步骤42，安装正方体受力块：按照步骤12的方法，进行正方体受力块的安装。此时，需使六维力传感器的y轴方向与第一施力装置的轴向平行，六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合。

步骤43，标定x正向作用力矩：控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x正向作用力矩的标定。其中，数值相等的多组作用力，是指施加多组作用力，而在每组作用力中，第一施力装置和第二施力装置所施加的作用力数值大小相等。

由于两个施力装置施加大小相同的力，因此用其中一个施力装置中单轴拉压力传感器的数据乘以两个施力头沿z轴方向的距离，就得到力矩。

步骤44，标定x负向作用力矩：第一施力装置和第二施力装置复位，六维力传感器绕z轴旋转180°或交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置。

当采用交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置进行x负向作用力矩标定时，具体优选交换方法为：将第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置c处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置a处。

再次控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录并比较两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现x负向作用力矩的标定。

步骤5，对y方向作用力矩的标定，包括如下步骤：

步骤51，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，机械臂绕六维力传感器的z轴进行90°转动，使得六维力传感器的z轴方向与第三施力装置的轴向重合，且六维力传感器的x轴方向与第一施力装置的轴向平行。调整后的位姿也如图5所示，第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置a处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置c处。

步骤52，标定y向作用力矩：采用与步骤43的方法，实现y正向作用力矩的标定。采用步骤44的方法，实现y负向作用力矩的标定。

步骤6，对z方向作用力矩的标定，包括如下步骤：

步骤61，调整正方体受力块的受力方向：第一施力装置和第二施力装置均复位，此时，第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置a处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置c处。机械臂绕六维力学传感器的x轴或y轴转动90°，使得六维力传感器的z轴方向与第一施力装置、第二施力装置、第三施力装置的轴线所在平面相垂直，且六维力传感器的x轴或y轴方向与第三施力装置的轴向相重合。

步骤62，标定z正向作用力矩：控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录并比较两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现z正向作用力矩的标定。

步骤63，标定z负向作用力矩：z正向作用力矩标定完成后，第一施力装置和第二施力装置复位，六维力传感器绕z轴旋转180°或交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置。

当采用交换第一施力装置和第二施力装置的高度位置进行z负向作用力矩标定时，具体优选交换方法为：将第一施力装置安装在左侧竖板的安装位置c处，第二施力装置安装在右侧竖板的安装位置a处。

再次控制第一施力装置和第二施力装置，同时对正方体受力块施加数值相等的多组作用力，记录并比较两个施力装置中单轴拉压力传感器和六维力传感器的数据，从而实现z负向作用力矩的标定。

上述标定流程只是其中的一种优选方案，可根据需求进行调整。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。