第期传感器技术
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六维力力矩传感器干扰及其标定方法
陈雄标姚英学袁哲俊
哈尔滨工业大学
摘要论述六维力力矩传感器的典型结构及其特点并从理论上分析了传感器
产生干扰的原因在建立标定矩阵新概念的基础上提出了一种传感器的白动标定的
方法其具有简单快捷准确并能完全消除加载力误差影响等特点
关键词六维力力矩传感器干扰标定矩阵
一
一
、一
、一
前言
六维力力矩传感器是诸多传感器的一
种将它装在机器人操作手的腕部可用来
检测机器人操作手与外部环境相互接触或抓
放工件所承受的力和力矩的大小和方向为
机器人控制提供力传感信息它是机器人高
收稿口期一一质量控制和智能化不可缺少的重要传感元
件从传感器的六个力分量获取方式分
类可以大致将六维力力矩传感器分为两
大类即直接输出型和间接输出型它们各
有其特点由于传感器设计制造上的原
因使得传感器的输出信号与实际六维力向
量的分力之间存在相互锅合作用即传感器
的相互干扰这种干扰非常复杂难以从理
传感器技术年
论上进行分析和解藕消除通常采用实验方
法进行标定
本文在论述直接输出型和间接输出型六
维力力矩传感器的各自特点的基础上分
析传感器产生相互干扰的原因在建立标
定矩阵新概念的基础上提出了一种简单的
传感器自动标定的方法智能研究所设计的六维力力矩
传感器弹性体采用十字梁结构图
山》由横向一轴向排列成十字架形
应变计
彝计
典型六维力力矩传感器结构
直接输出型直接输出型六维力力矩传感器输出
量的六个分量直接由应变桥或根据结构常
数通过简单的计算获取计算机原理是在
力学分析的基础上设计出无藕合作用的弹
性体其典型代表是由美国公司年设计的一种积木式结构川该弹性休由
个弹性元和个连接块组合而成每个弹性
元上粘贴片应变计并连接成一个应变桥个应变桥提供路检测信号然后根
据这路检测信号和有关结构常数计算出
个独立力分量
这种积木式弹性体结构简单组合方
便但它的休积庞大非整体式构件会引起
大的滞后因此没有得到进一步推广使
用间接输出型
间接输出型有两种典型结构一种是竖
梁结构另一种是横梁结构还有一些比较
复杂的结构可视为这两种结构的改进和组
之、曰图是典型的竖梁结构它是美国
实验室研制的六维力力矩
传感器由三根竖直的应变梁和上下两个轮
缘组成三根梁在轮缘上按均匀排列
应变梁上粘贴应变计以组成检测电桥该结
构的特点是横向一轴向效应好而竖向
轴向效应差横梁结构的典型代表是斯坦福大学人工应变计
之一图间接输出型六维力力矩传感器结构
呈轮辐状的根棱柱形应变梁与中心块和
外轮缘组成每根梁的个侧面粘贴一应变
计相对两个应变计连接成半桥式检测电
桥六维力力矩传感器的特点是
对称性好同时兼顾了横向和竖向的应变计
效果是一种较为合理的结构但它存在径向
效应和标定矩阵的为近似解之不足
上述两种结构无论是竖梁形还是横梁
形它们的共同特点是应变桥的输出信号儿
乎与每一个力力矩分量有关即力信号与应
变桥的输出信号存在祸合作用此即为六维
力力矩传感器的干扰
传感器干扰的原因分析引起传感器各分力之间相互干扰的原因
很多归纳总结主要有以下儿个方面的原因
传感器的设计
传感器的设计主要包括弹性体变形筋结
构的选取结构尺寸的确定以及应变计粘贴位
置的确定一个正确的传感器的设计应基本
能从原理上消除各分力之间的干扰
应变计应变计给传感器带来的干扰主要包括应
变计的性能应变计的形状尺寸以及应变计
粘贴位置的误差六维力力矩传感器所选取的应变计一般都为单应力方向的拉压或剪切应变计但第期陈雄标等六维力力矩传感器干扰及其标定方法
由于应变计制造误差使得应变计本身就带
有力相互干扰的因素
另外应变计的粘贴位置的确定一般为一中
心线或一对称面从这一点上来说应变计应
制造得尽可能小但由于应变计的形状尺寸
及粘贴工艺不可避免地带来传感器力的相
互干扰
传感器的制造
传感器的制造给传感器带来的干扰主要
包括制造传感器的材质不均匀和加工误差加之传感器的材质不均匀将导致传感器在各
方向上的机械力学性能的不一致加工误差
造成变形元件尺寸及其分布与设计的不一
致这将改变变形元件的多力变形情况从而
引起各分力之间的相互干扰
各分力之间的相互干扰使得六维力力
矩传感器的性能指标受到明显的影响因此
应设法消除和抑制各分力之间的干扰以便
获取准确的测量结果消除或抑制相互干扰
可以从两方面着手第一是设法消除其产生
的根源其涉及到传感器制造工艺具多问
题往往难以完全解决同时又会大大提高传感器制造成本第二是利用实验方法先对传
感器进行标定然后在实际检测中利用标定
结果来消除传感器力相互间的干扰这方面
工作具有实际意义它既能降低对传感器的
制造工艺要求又能获取精确的测量结果
传感器的标定
标定矩阵
六维力力矩传感器的输人为六个方向
的力或力矩输出为各路电桥信号因此传感
器对应的是一个多输人多输出系统这个系
统从理论上来进行精确状态描述很复杂但
实验结果表明这种系统可以假设为如下线
性系统
一,
其中认矶…哪
为传感器各路电桥输出信号二凡…均
为传感器上六个方向的作用力
为的常数矩阵
当分别取二…时令
凡二锤有可得矩阵第列元素
。,巩任互从上式可以看到叮任句表示第路单位力或力矩引起第路输出信号的大小
当时称之为第路单位力或力矩对
其主路的影响亦即传感器第路的灵敏度
并表示为凡
凡“乓当有时称之为第路单位力或力矩对
其旁路的影响亦即传感器第路对其它各
路的干扰
为了衡量传感器干扰与灵敏度的相对大
小不妨定义一个新元素,二,,旦代人到式中则可得
,“户‘,胆山元素产“厂构成了一个新的
矩阵很明显该矩阵的主对角线元素均为
其余各元素均为小于的纯小数称矩阵
为标定矩阵传感器的标定实际上就是求解标定出标定矩阵从式中可以看到元
素,不含有力乓因而在传感器标定时标
定元素,消除了加载标定力不精确的影响
自动标定系统的组成
下面以一型六维力力矩测力系统
为例来说明传感器自动标定的方法系统的
组成如图所示它由传感器测力仪微型
计算机加载实验台等儿个部分组成
串行接氏一哗型计算机
自动标定系统黯黑传感器技术年
六个输出信号通道
采用本文介绍的自动标定方法对一
型六维力力矩传感器进行标定后得到的标
定矩阵如下
幽姗撇肥将待标定的传感器安装在加载实验台上进行加载传感器六个通道的检测信号经过
由放大和低通滤波电路构成的模拟信号电路
处理后再经过多路转换开关双极性分解和
分辨率提高电路送到单片机转换
通道以单片机为核心的小系统进行采
样信号和数据处理包括消除偏差过载检查
和数字滤波等然后输出数据经一
标准串行接口送至微型计算机标定运算和
标定矩阵求逆在计算机中完成其流程图如
图所示一刀
】一刀一乃
一
一刀一工
匡皿
一遭缨丫
艳竺肥州
「一不二二二型〔进歹研啄卿望望
图上一型六维力力矩传感器吓天寻双加载完毕
等待和接收单片机转送数据
企亚弓
一—甸玉
巨二二二结论六维力力矩传感器干扰与标定问题是
其研究和应用的重要内容木文论述了儿种
典型传感器的结构和相互干扰的原因新建
立的标定矩阵概念清晰一日了然反映出传
感器的相互干扰大小提出的传感器自动标定方法切实可行具有简单快捷准确等优
点
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黄心汉机器人腕力传感器标定矩阵的解电气
自动论袁哲俊主编金属切削实验技术机械工业出
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图自动标定系统控制软件流程图
一型六维力力矩传感器标定结果
一型六维力力矩传感器是笔者近
年研制的一种应变式六维力力矩传感器采
用竖梁结构如图所示其有八根垂直变形
筋变形筋的上下端和水平筋相连应变计分别粘贴在垂直变形筋上每四片应变计连
接成全桥检测电桥共有六个检测电桥组成