・988・ 计算机测量与控制.2003.11(12)　

ComputerMeasurement&Control　软件天地

收稿日期:2003-02-22。基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(863-512-9804-02)作者简介:张晓辉(1973-)女,黑龙江省人,博士生,主要从事六维力传感器、虚拟现实技术在机器人中的应用等方面的研究。

文章编号:1671-4598(2003)12-0988-02 中图分类号:TP24 文献标识码:B

六维力传感器静态标定系统软件设计

张晓辉(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛　066004)

摘要:介绍了新型Stewart并联结构六维力传感器的静态标定系统组成及标定步骤,重点进行了静态标定软件的设计。以机器人手指用六维力传感器为例进行了实验,对实验结果的分析表明了该软件的正确性及实用性。关键词:六维力传感器;静态标定系统;标定软件

DesignofStaticCalibrationSoftwareforofSix-dimensionForceSensorZHANGXiao-hui(TheCollegeofAutomationEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao　066004,China)Abstract:Thestaticcalibrationsystemconstitutionandcalibrationprocessofsix-dimensionforcesensorbasedonStew-artparallelstructureareinlroduced.Thedesignofstaticcalibrationsoftwareispresented.Theexperimentalresearchonsix-dimensionforcesensorinrobotfingerisprovidedasanexample.Theresultshowsthatthedesignofsoftwareisaccurate.Keywords:six-dimensionforcesensor;staticcalibrationsystem;calibrationsoftware

1　引言力传感器的作用是测量机器人的终端执行器与外界环境接触时受力的大小,六维力传感器可以测量笛卡儿坐标系中沿坐标轴的三个力分量和绕坐标轴的三个力矩分量。由于设计原理和制造加工误差,以及六维力传感器本身力敏元件结构的复杂性等因素的影响,使得传感器的实际静态特性和理论计算值之间存在一定的误差,因此为获得传感器真实的静态特性,通常采用实验的方法来进行标定,其标定精度将直接影响传感器使用时的测量精度[1,2]。此文是针对基于Stewart并联结构的新型六维力传感器[3]而进行的静态标定系统及标定软件的设计。

图1　六维力传感器静态标定系统2　静态标定系统结构及标定过程规划六维力传感器静态标定系统的整体结构如图1所示,主要包括静态标定台、六维力传感器、测量电路及信号放大装置、数据采集卡、计算机以及标定软件等几部分。在进行标定工作时,传感器的下平台与标定台的底座相连,传感器的上平台与加载帽固连,标定过程中采用拉力方式,对六维力传感器施加某个方向上的力或力矩。六维力传感器上6个连杆的应变值通过每个连杆上的测量电桥线性反应出来,这些微弱的电压信号经过放大电路变为可采样的大量

程电压值,经AD采样后输入计算机,由标定软件滤波处理、保存,并求取标定矩阵。该研究中的静态标定部分采用加载点大于6且各个力分量分别加载的方法,以获得最准确的标定矩阵,具体步骤如下:(1)将传感器各个力分量按其满量程分为等间隔的点;(2)每个力分量的加载过程按照由小到大顺序逐渐一点一点地实施,并由计算机记录下每个加载点的传感器输出电压和加载力数据;(3)当某个力分量加载到最大值后,再按由大到小的顺序逐渐减下来,同时由计算机记录数据;(4)按(2)、(3)两步的方法,取每个力分量的反方向再加载一遍;(5)按(2)、(3)、(4)三步的方法,将力传感器的6个分量加载过程全部完成;(6)检查记录数据是否有误,计算标定矩阵;(7)分析传感器系统的精度指标。实现上述标定过程的工作流程如图2所示。由上面对标定过程的分析可知,在整个标定系统中,标定软件应该完成记录、计算、分析等功能,是标定系统中重要组成部分。

3　静态标定软件设计为实现上述标定任务和步骤的要求,设计了六维力传感器标定软件。软件包括三大部分,第一部分实现标定过程的数据曲线显示、滤波和自动记录,称为数据记录模块;第二部分利用标定过程中记录的数据进行标定矩阵的最小二乘计算和精度计算,称为标定计算模块;第三部分实现传感器的实时测量,主要功能是完成标定第12期张晓辉:六维力传感器静态标定系统软件设计・989・　图2　静态标定过程流程图图3　静态标定软件中的数据记录模块矩阵的正确性检验,称为测量模块。整个软件采用VisualC++6.0,VisualBaisc6.0和Matlab混合编制[4],用VisualC++编制程序主框架,其中需要显示采样数据曲线和直方图的部分采用VisualBasic编制成ActiveX控件形式,并嵌入到VisualC++整体程序中;充分利用Matlab软件强大的矩阵计算功能完成标定计算模块的编制。3.1　数据记录模块的设计根据该模块所需完成的功能而设计的程序操作窗体

如图3所示。整个窗口可分为4部分:(1)曲线显示。其功能是实时观察传感器的工作情况,传感器出现异常时可及时发现。它显示的6条曲线为当前AD采样得到的传感器6个电桥的输出电压,单位为mV。每条曲线由400个采样点数据组成,每个通道的数据曲线用不同的颜色表示,以示区别。(2)数据显示。其功能是显示采样数据经过数字滤波后的电压值,单位为mV。该6个数据将被保存起来用于标定矩阵的计算。(3)加载数据区。其功能是人工输入加载数据,每加载一次这些数据需相应修改一次。它们与6路桥压一起被保存在一个数据文件Signal.log中。(4)功能选择区。在标定以前由于各种干扰因素的存在,通常传感器的6路电压输出信号不为0,需要将当前的状态置为0状态,该功能由“清零”按钮实现。“采样”按钮负责将“加载数据区”内的输入数据和采样得到的6路电压值保存到文件中。同时设定了“坐标值选择”功能,它可任意修改曲线显示区的显示满量程。3.2　标定计算模块和实时测量模块的设计标定计算模块没有专门的操作界面,直接利用Mat-lab提供的命令窗口显示标定运算结果。程序工作流程图如图4所示。

图4　标定计算模块流程图实时测量模块的主要作用是用于检验静态标定矩阵的正确性,它包括电压实时测量和力实时测量两种工作方式。电压测量方式可以不需要标定矩阵,可用直方图显示当前传感器的6路输出电压值。力测量方式下,可用直方图显示传感器受到的广义六维力,它利用上述静态标定的矩阵解耦运算得出当前施加在传感器上的力,因此可方便检验标定矩阵的精度等特性。(下转第992页)　・992・计算机测量与控制　第11卷个程序的执行按同一流程方向来进行。在测试程序中应用这种技术,其形式上称之为“混合代码”,因为功能测试和诊断子程序被融合在一起。结构化测试程序中的诊断子程序基本上与那些在非结构化测试程序中所见的诊断子程序相类似。因此,结构化测试程序也具有了所有非结构化测试程序的缺点。计算机程序设计的最新发展是面向目标的编程。如图2所示,其基本思路是将与不同的目标或功能相关联的代码分离为不同的单元,再由不同单元之间的合作完成工作。对于具备诊断功能的测试程序来说,检测和诊断分析是作为不同目标对待的。从外观上来看,方框中的测试目标放置在左边,中间是利用故障知识库表示的诊断体。面向目标的方法是易于维护且可修改的,而在早期的测试程序中不会具备这方面的特点。诊断信息统一管理以便于观察故障知识库。在故障知识库中,可以观察测试和故障之间的相互关系,与故障模式进行比较并予以修正。功能测试顺序的变化对诊断过程没有很大影响。在与某些失效模式(是/否/部分)范围相关的测试中的变化,通过该测试的故障知识库中列的变化来反映。所有的变化都直接转入诊断,没有含糊不明的软件结构。在面向目标的方法中,不需要重复测试。根据当前正在被测试器件的状态,可将相同的测试作为功能测试或诊断测试的一部分来使用。去除重复测试,可极大地简化维修,减少开发费用,改善运行时的效果。

图3　无诊断流程图的诊断过程(下转第1003页)

(上接第989页)4　实验研究该课题研究过程中利用上述标定系统,对六维机器人腕力传感器、六维机器人手指用传感器等类型传感器进行了静态标定研究,现以机器人手指用传感器为例,对理论计算值和标定矩阵进行比较分析。根据传感器的设计参数,采用与标定过程相同的坐标系,即坐标系建立在上平台的几何中心处,利用一阶静力影响系数矩阵计算式可以计算出传感器力敏元件的一阶静力影响系数矩阵为G=0.1548-0.30960.15480.1548-0.30960.15480.26810.000-0.26810.26810.000-0.26810.95090.95090.95090.95090.95090.9509-0.0830-0.7023-0.61930.61930.70230.0830-0.76300.30960.45360.45360.3096-0.76300.2287-0.22870.2287-0.22870.2287-0.2287由上式可计算出,力分量的三个奇异值分别为0.5362、0.5362和2.3291,则力的各向同性度LF为0.23022;力矩分量的三个奇异值分别为1.3294、1.3294和0.5602,则力矩的各向同性度LM为0.4214。根据标定过程记录的数据,利用最小二乘法可得该六维力传感器的标定矩阵为G标定=0.0178-0.03530.01650.0175-0.03060.01560.02970.0012-0.03050.02880.0015-0.02890.08430.09820.08600.08660.07520.0875-0.0007-0.0646-0.06220.06340.05830.0025-0.07540.03320.03730.03410.0282-0.07480.0232-0.02220.0239-0.02290.0209-0.0218同样从标定矩阵可计算出力的3个奇异值分别为0.0575、0.0590和0.2080,则力的各向同性度为0.2764;标定矩阵的三个力矩奇异值分别为0.1281、0.1217和0.0550,则力矩的各向同性度为0.4294,计算结果都与理论计算值比较接近。综上所述,通过该标定系统得到的静态标定矩阵和理论设计值是非常接近的,说明标定方案和标定系统的设计是切实可行的。