一种基于imu的带自重补偿的力和力矩传感器
技术领域
1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于imu的带自重补偿的力和力矩传感器。
背景技术：2.多轴力和力矩传感器广泛应用于机器人操控、自动化产业及实验中，多轴力矩传感器是一种能够测量多个自由度上的线性力和力矩的器件，可观测6个自由度，但现有的多轴力矩传感器的结构普遍较为复杂，制造成本较高，且不能对其自身重力进行补偿，导致测量精度较低，用户体验度较差。
技术实现要素：3.本实用新型的目的是提供一种基于imu的带自重补偿的力和力矩传感器，该传感器结构简单、组装方便，可实现6个自由度的线性力和力矩的测量，测量方便，同时，还可补偿传感器因在运动过程中其自身重力的影响带来的误差，进而提高测量精度，且可在动态环境下使用，实用性强。
4.为实现上述目的，采用以下技术方案：
5.一种基于imu的带自重补偿的力和力矩传感器，包括固定座，以及安装于固定座内的安装座；所述安装座的上方和底部还均设有一第一pcb板，且每一第一pcb板上还均安装一第一imu传感器；所述固定座内还设有第二pcb板，第二pcb板位于安装座的下方，且第二pcb板上还安装有参考imu传感器。
6.进一步地，所述安装座包括水平布置于固定座内的中间平板，中间平板的顶部和底部还均设有一镜像结构体，且两镜像结构体以中间平板为中心面镜像对称布置；其中一所述第一pcb板固定布置于中间平板的底部，另一所述第一pcb板布置于中间平板的上方。
7.进一步地，所述镜像结构体包括布置于中间平板上并与其一体式连接的若干弹性支撑梁，以及布置于若干弹性支撑梁上并与其一体式连接的固定圈；所述固定圈、若干弹性支撑梁与中间平板之间围成一第一容腔，其中一所述第一pcb板位于第一容腔内。
8.进一步地，所述若干弹性支撑梁在中间平板周向上间隔布置于其表面边缘，且每一弹性支撑梁的一端与中间平板一体式连接，弹性支撑梁的另一端向固定圈方向弯曲延伸布置并与其连接。
9.进一步地，每一镜像结构体的弹性支撑梁的数量设置为四个，四个弹性支撑梁等间距的布置于中间平板的表面边缘。
10.进一步地，所述固定座包括底座，以及与底座可拆卸式连接的顶盖；所述第二pcb板布置于底座内，位于安装座上方的所述第一pcb板布置于顶盖内。
11.采用上述方案，本实用新型的有益效果是：
12.该传感器结构简单、组装方便，可实现6个自由度的线性力和力矩的测量，测量方便，同时，还可补偿传感器因在运动过程中其自身重力的影响带来的误差，进而提高测量精
度，且可在动态环境下使用，实用性强。
附图说明
13.图1为本实用新型的爆炸图；
14.图2为本实用新型的安装座的正视图；
15.图3为本实用新型的安装座省却固定圈的立体图；
16.图4为本实用新型的弹性支撑梁的布局示意图；
17.图5为本实用新型的弹性支撑梁的结构示意图；
18.其中，附图标识说明：
19.1—底座；
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2—安装座；
20.3—第一pcb板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4—第一imu传感器；
21.5—第二pcb板；
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6—参考imu传感器；
22.7—顶盖；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
21—中间平板；
23.22—弹性支撑梁；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
23—固定圈。
具体实施方式
24.以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
25.参照图1至5所示，本实用新型提供一种基于imu的带自重补偿的力和力矩传感器，包括固定座，以及安装于固定座内的安装座2；所述安装座2的上方和底部还均设有一第一pcb板3，且每一第一pcb板3上还均安装一第一imu传感器4；所述固定座内还设有第二pcb板5，第二pcb板5位于安装座2的下方，且第二pcb板5上还安装有参考imu传感器6。
26.其中，所述安装座2包括水平布置于固定座内的中间平板21，中间平板21的顶部和底部还均设有一镜像结构体，且两镜像结构体以中间平板21为中心面镜像对称布置；其中一所述第一pcb板3固定布置于中间平板21的底部，另一所述第一pcb板3布置于中间平板21的上方；所述镜像结构体包括布置于中间平板21上并与其一体式连接的若干弹性支撑梁22，以及布置于若干弹性支撑梁22上并与其一体式连接的固定圈23；所述固定圈23、若干弹性支撑梁22与中间平板21之间围成一第一容腔，其中一所述第一pcb板3位于第一容腔内。
27.所述若干弹性支撑梁22在中间平板21周向上间隔布置于其表面边缘，且每一弹性支撑梁22的一端与中间平板21一体式连接，弹性支撑梁22的另一端向固定圈23方向弯曲延伸布置并与其连接；每一镜像结构体的弹性支撑梁22的数量设置为四个，四个弹性支撑梁22等间距的布置于中间平板21的表面边缘；所述固定座包括底座1，以及与底座1可拆卸式连接的顶盖7；所述第二pcb板5布置于底座1内，位于安装座2上方的所述第一pcb板3布置于顶盖7内。
28.本实用新型工作原理：
29.继续参照图1至5所示，本实施例中，该传感器包含了三个imu传感器(九轴imu传感器)，每个imu传感器均包含一个六轴加速度传感器与一个三轴角速度传感器，该传感器的力和力矩信息是基于上面的三个imu传感器的输出值计算得出，此外，该传感器可利用imu传感器对其在运动中因自身重力带来的误差进行自我补偿，具体地：
30.如图1所示，该传感器的安装座2分上下两层结构(镜像对称)，四个弹性支撑梁22
(沿着z轴方向上下变形)均匀等间隔布置于中间平板21的外圆上，即相邻两个弹性支撑梁22之间的夹角为90
°
；弹性支撑梁22起点线与弹性支撑梁22终点线之间的圆弧的弧度为45
°
，因此，弹性支撑梁22起点线与弹性支撑梁22终点线之间的圆弧长度由外部圆形结构的半径决定；参照图3至5所示，弹性支撑梁22一端与中间平板21连接的一端的高度大于其宽度的一半(h>w/2)，而弹性支撑梁22倾斜的长度l是与弹性支撑梁22结构对应的45弧度之间的关系确定的。
31.位于上层的第一imu传感器4布置于顶盖7内，可用于测量上层结构的角位移量，位于下层的第一imu传感器4布置于中间平板21的底部，可用于测量下层结构的角位移量，结合上下两层结构，即可实现六轴力和力矩的测量，其六轴力和力矩的计算公式为：
[0032][0033]
其中θ
ux
，θ
uy
和θ
uz
为上层结构中的第一imu传感器4相对参考imu传感器6的角位移，其计算公式如下：
[0034]
θ
ux
＝θ
x_ref
‑
θ
x1
，
[0035]
θ
uy
＝θ
y_ref
‑
θ
y1
，
[0036]
θ
uz
＝θ
z_ref
‑
θ
z1
，
[0037]
θ
x_ref
，θ
y_ref
和θ
z_ref
为参考imu传感器6的输出值，θ
x1
，θ
y1
和θ
z1
为上层结构的第一imu传感器4的输出值，θ
lx
，θ
ly
和θ
lz
的计算公式如下：
[0038]
θ
lx
＝θ
x_ref
‑
θ
x2
，
[0039]
θ
ly
＝θ
y_ref
‑
θ
y2
，
[0040]
θ
lz
＝θ
z_ref
‑
θ
z2
，
[0041]
其中，θ
x2
，θ
y2
和θ
z2
为下层结构的第一imu传感器4的输出值；d
uz
和d
lz
分别为上层和下层结构的z轴平移量，其可由imu传感器的z轴加速度相当于时间的积分得出，k为6
×
8的校准矩阵，需要利用特定校准步骤得到；为了计算校准矩阵k，不同的六轴力和力矩组合将会被施加于不同的传感器，同时对应的角位移量需要被记录，被成对记录下的角位移值与所施加的力、力矩值可被代入上述公式，然后，利用优化算法(如lavenberg
‑
marquardt算法)即可找到最佳拟合的校准矩阵k。
[0042]
利用参考imu传感器6的数值可以计算该传感器的自重补偿值，针对传感器自重所带来的加速度效应与角位移效应的补偿，需要借助两个补偿矩阵(矩阵a与矩阵b)，此矩阵用于补偿力、力矩的误差：
[0043][0044]
上式中的各个参数可由参考imu传感器6得到，补偿矩阵a为大小为6
×
6的加速度补偿矩阵，补偿矩阵b为大小为6
×
3的角位移补偿矩阵b，补偿矩阵a与补偿矩阵b可由其他的校准方式得到；为了得到补偿矩阵，该传感器被安装于一个可产生不同角位移与六个方向上的加速度的校准装置上，在补偿矩阵的计算过程中，该传感器会在无额外的力、力矩的情况下按照不同的六轴加速度值和角位移值进行移动，运动时，传感器中的imu传感器的输出值会被记录；补偿矩阵a与补偿矩阵b可利用优化算法(lavenberg
‑
marquardt算法)得到，上式中的计算结果a项和b项是传感器在加速度和重力作用下的自重所引起的6轴力、力矩值，即用k项所计算出的力、力矩值减去a项与b项的值，即可得出动态环境下力、力矩传感器所受到力、力矩的真实值。
[0045]
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。