CN101226094A - 一种用于六维力传感器标定装置的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，该方法设定六维力传感器标定装置中的标准单维力传感器、第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶和第四千斤顶对分别六维力传感器施加载荷，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载。加载时，加载帽与加载板刚性接触，通过标准单维力传感器测量实际加载力的大小。在对六维力传感器各个受力状态分别进行加载后，得到六维力传感器加载矩阵和对应的六维力传感器输出矩阵，对加载矩阵和输出矩阵进行解耦计算，得到耦合矩阵，即完成对六维力传感器的标定。本发明提供一种使用简单、操作方便、标定精度高的标定方法，适用于大量程、大尺寸六维力传感器的标定和测试。
Description
技术领域 本发明涉及自动化领域，特别涉及传感器领域中的一种适用于大量程、大尺寸六维力传感器标定装置的标定方法。
背景技术 六维力传感器能够同时检测三维空间的全力信息，即三维力信息(Fx、Fy、Fz)和三维力矩信息(Mx、My、Mz)，主要应用在力及力/位置控制场合，如轮廓跟踪、精密装配、双手协调、试验系统中的六维力信息检测等，尤其是在航空机器人、宇宙空间站对接仿真、火箭发动机推力测试等领域，大量程六维力传感器发挥了极其重要的作用。
传感器的测量精度是评定传感器最重要的性能指标之一，其误差包括随机误差和系统误差。对于六维力传感器来说，其随机误差主要是由内部信号处理电路、量化误差、外界干扰等因素引起；系统误差则主要是由标定系统的标定精度所决定，六维力传感器由于其本身机械结构的复杂性，以及传感器在制造、粘贴应变片等加工工艺环节存在误差，传感器的各输入输出通道之间存在相互耦合的问题，需要通过标定确定各个方向输入输出的耦合关系，计算其耦合矩阵，并通过解耦补偿各维之间耦合带来的影响。因此传感器标定装置的设计和标定方法的研究至关重要，其标定精度将直接影响其使用时的测量精度。
六维力传感器的标定就是通过对六维力传感器施加空间坐标系中独立的力/力矩，或是线性无关的多个力/力矩，读取六维力传感器在各种状态下标定时的输出，计算得到耦合矩阵。根据实际应用需求，六维力传感器的标定分为静态标定和动态标定，静态标定主要用于检测传感器的静态性能指标，如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等；动态标定主要用于检测传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。
目前六维力传感器静态标定所采用的加载方式主要有测力环式和砝码式两种。其中测力环式加载采用顶杆方式，由测力环读出加载力值，这种加载允许有较大的加载力，但读数精度较低，高精度的测力环则价格昂贵。砝码式标定是采用等级砝码提供标准加载力，直接用等级砝码作为基准，力值精度较高，在中、小量程六维力传感器的标定中使用比较普遍，但是不适合大量程六维力传感器的标定。
对于大量程六维力传感器的标定装置来说，由于空间尺寸大，要保证足够的标定精度，除了存在材料处理、加工精度保证等方面的困难外，如何实现对各维力/力矩分量的独立加载也是一个棘手的问题。
在现有技术中有多种结构的传感器标定测试装置，专利号为CN1715856的“无级升降式六维力传感器标定装置”和专利号为CN100337105C的“并联六维力传感器标定装置”等，经检索查新，其中专利号为CN100337105C的专利是最接近的专利技术。它具体公开了一种并联六维力传感器标定装置，包括长短框组成的龙门式支撑框架、加载减速机、标准单向力传感器、加载坐标十字架、标定装置固定平台、载荷传递绳索和滑轮组，标定装置采用大速比减速机来施加载荷，采用龙门式结构作支撑框架。
现有技术中的标定装置及标定方法存在着不足之处，其一，标定装置通过调整载荷传递绳索与水平面之间的角度来改变施加载荷的方向，在体积较大或者绳索较长时，调整载荷传递绳索与水平面之间的角度很难保证足够的精度，从而使施加的载荷具有较大的方向误差，将直接影响标定精度；其二，标定装置中采用滑轮来施加载荷，而滑轮具有摩擦力，此摩擦力会造成比较大的加载误差，从而影响标定精度；其三，标定装置中对六维力传感器施加的是复合力/力矩，无法实现对各维力/力矩分量的独立加载。
发明内容 本发明的目的是：避免上述现有技术中六维力传感器标定测试装置及标定方法的不足之处，提供一种使用简单、操作方便、标定精度高的标定方法，适用于大量程、大尺寸六维力传感器的标定和测试。
本发明的技术方案是：
一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，特别是：设定标准单维力传感器和第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶、第四千斤顶对分别六维力传感器进行加载，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载，加载时，标准单维力传感器前面的加载帽与加载板上的侧面加载孔或正面加载孔刚性接触，通过标准单维力传感器测量实际加载力的大小，该方法是按以下步骤完成的：
先将六维力传感器标定装置安装好，并检测第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶与底座的垂直度，第四千斤顶与千斤顶固定支座的垂直度；
设定重力校准六维力传感器的标定坐标系；
设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定，并记录数据；
设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定，并记录数据；
计算六维力传感器的加载矩阵和传感器输出矩阵；
根据公式，计算六维力传感器的耦合矩阵；
检测六维力传感器的耦合矩阵是否符合要求，如果不符合要求，需要重新对六维力传感器进行标定，否则标定结束。
作为对现有技术的进一步改进，设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定，按照以下步骤完成的：将连接有六维力传感器和加载板的转接板从安装在传感器固定支座上，使六维力传感器标定坐标系的Y轴水平向上，设定重力校准六维力传感器标定坐标系的X轴或者Y轴，对六维力传感器进行清零，设定第一千斤顶对六维力传感器施加不同的载荷，并记录六维力传感器的输出数据，设定第二千斤顶对六维力传感器施加不同的载荷，并记录六维力传感器的输出数据，设定第三千斤顶对六维力传感器施加不同的载荷，并记录六维力传感器的输出数据，将连接有六维力传感器和加载板的转接板从传感器固定支座上取下，逆时针转动90度，再将连接有六维力传感器和加载板的转接板从安装在传感器固定支座上，按照上述步骤对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定，直至完成对Fx、Fy、Mz的加载标定；
设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定，按照以下步骤完成的：将连接有六维力传感器和加载板的转接板从安装在传感器固定支座上，使六维力传感器标定坐标系的Y轴水平向上，设定重力校准六维力传感器标定坐标系的Y轴，对六维力传感器进行清零，从千斤顶固定支座上的第一组千斤顶固定孔、第二组千斤顶固定孔、第三组千斤顶固定孔、第四组千斤顶固定孔和第五组千斤顶固定孔中选择一组固定孔，将第四千斤顶安装在选择的一组固定孔上，对六维力传感器施加载荷，并记录六维力传感器的输出数据，再将第四千斤顶从千斤顶固定支座上取下，按照上述步骤对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定，直至完成对Fz、Mx、My的加载标定；
先设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定，后设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定；或者先设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定，后设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定，这两种加载标定没有先后次序。
相对于现有技术CN100337105C，本发明的有益效果是：
其一，本发明中设定标准单维力传感器和千斤顶对大量程六维力传感器进行加载标定，不仅简单方便，容易控制，而且能够实现力的准确传递，施加的力/力矩数值由标准力传感器测量得到，精度比较高；
其二，利用本发明的标定装置和标定方法能够对六维力传感器的各维力/力矩分量进行独立加载，或者复合加载，加载过程简单，操作简便，计算耦合矩阵方便、快捷；
其三，本发明通过对力的三要素(力的作用点位置、力的方向和力的大小)的控制来保证施加的各维力/力矩分量的准确度，从而保证了标定精度，提高六维力传感器使用时的测量精度。
附图说明
图1为本发明的标定方法流程图。
图2为六维力传感器标定装置的立体结构示意图。
图3为六维力传感器标定装置的俯视图。
图4为六维力传感器标定装置中千斤顶固定支座的左视图。
图5为六维力传感器标定装置中转接板、六维力传感器和加载板的连接示意图。
图6为六维力传感器标定装置中加载板的正视图及俯视图。
图7为六维力传感器标定装置中千斤顶的剖面图。
图8为六维力传感器标定装置中底座的俯视图。
图9为本发明中施加力+Fx的标定示意图。
图10为本发明中施加力+Fy的标定示意图。
图11为本发明中施加力-Fz的标定示意图。
图12为本发明中施加力+Fx和力矩+Mz的标定示意图。
图13为本发明中施加力+Fx和力矩-Mz的标定示意图。
图14为本发明中施加力+Fy和力矩+Mz的标定示意图。
图15为本发明中施加力+Fy和力矩-Mz的标定示意图。
图16为本发明中施加力-Fz和力矩+Mx的标定示意图。
图17为本发明中施加力-Fz和力矩-Mx的标定示意图。
图18为本发明中施加力-Fz和力矩+My的标定示意图。
图19为本发明中施加力-和力矩-My的标定示意图。
图20为本发明中对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定的流程图。
图21为本发明中对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定的流程图。
具体实施方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明的标定方法流程图。本发明设定标准单维力传感器6和第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3、第四千斤顶Q4对分别六维力传感器3进行加载，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载，加力时，标准单维力传感器6前面的加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15或正面加载孔17刚性接触，通过标准单维力传感器6测量实际加载力的大小。具体标定过程如下：
首先将六维力传感器3准备好，开始进行标定(步骤100)，将六维力传感器标定装置安装好(步骤110)，并检查第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3与底座9的垂直度，第四千斤顶Q4与千斤顶固定支座8的垂直度，设定重力校准六维力传感器3的标定坐标系(步骤120)；
设定第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3对六维力传感器3的Fx、Fy、Mz进行加载标定(步骤130)，并记录对Fx、Fy、Mz方向进行加载时六维力传感器3输出的数据(步骤140)，检测Fx、Fy、Mz是否都加载完毕了(步骤150)？
如果没有，则转到步骤130进行循环，否则设定第四千斤顶Q4对六维力传感器3的Fz、Mx、My进行加载标定(步骤160)，并记录对Fz、Mx、My方向进行加载时六维力传感器3输出的数据(步骤170)，检测Fz、Mx、My是否都加载完毕了(步骤180)？
如果没有，则转到步骤160进行循环，否则计算六维力传感器3的加载矩阵和传感器输出矩阵(步骤190)，根据公式，计算六维力传感器3的耦合矩阵(步骤200)；
再对六维力传感器3的耦合矩阵进行检验(步骤210)，检测耦合矩阵是否符合要求(步骤220)，如果不符合要求，需要重新对六维力传感器3进行标定，返回步骤120进行循环，否则标定结束(步骤230)。
图2为六维力传感器标定装置的立体结构示意图。其中：1是传感器固定支座；2是转接板；3是六维力传感器；4是加载板；5是加载帽；6是标准单维力传感器；7是千斤顶；8是千斤顶固定支座；9是底座；10是千斤顶定位销；11是支座固定压块；12是传感器安装孔；13是千斤顶固定压块；14是六角螺栓；15是侧面加载孔；16是加载板传感器安装孔；17是正面加载孔；18是转接板安装孔；19是转接板传感器安装孔；Q1是第一千斤顶；Q2是第二千斤顶；Q3是第三千斤顶；Q4是第四千斤顶；Z1是第一支座导轨；Z2是第二支座导轨；G1是第一千斤顶安装导轨；G2是第二千斤顶安装导轨；G3是第三千斤顶安装导轨；K1是第一组千斤顶固定孔；K2是第二组千斤顶固定孔；K3是第三组千斤顶固定孔；K4是第四组千斤顶固定孔；K5是第五组千斤顶固定孔。
六维力传感器3左边通过一组转接板传感器安装孔19安装在转接板2上，转接板2通过一组转接板安装孔18安装在传感器固定支座1上，六维力传感器3右边通过一组传感器安装孔12和一组加载板传感器安装孔16与加载板4刚性连接，加载板4上置有上、下、左、右四组侧面加载孔15、一组正面加载板传感器安装孔16和一组正面加载孔17。
加载板4的下方置有三个千斤顶，分别为第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2和第三千斤顶Q3，第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2和第三千斤顶Q3的上面分别与标准单维力传感器6刚性连接，标准单维力传感器6的前面置有加载帽5，第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2和第三千斤顶Q3均安装在底座9的千斤顶安装导轨上。
第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3上方的对面是第四千斤顶Q4，第四千斤顶Q4左边与标准单维力传感器6、加载帽5刚性连接，右边通过千斤顶安装孔7安装在千斤顶固定支座8上，千斤顶固定支座8上的千斤顶定位销10对第四千斤顶Q4进行定位；
底座9上置有三组平行的千斤顶安装导轨，分别为第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3，每组千斤顶安装导轨均由两根平行的导轨组成，其中第一千斤顶Q1安装在第一千斤顶安装导轨G1上，第二千斤顶Q2安装在第二千斤顶安装导轨G2上，第三千斤顶Q3安装在第三千斤顶安装导轨G3上。
设定标准单维力传感器6和第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3、第四千斤顶Q4对分别六维力传感器3进行加载，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载。加力时，标准单维力传感器6前面的加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15或正面加载孔17刚性接触，通过标准单维力传感器6测量实际加载力的大小。
图3为六维力传感器标定装置的俯视图。底座9上置有两组平行的支座安装导轨，分别为第一支座安装导轨Z1和第二支座安装导轨Z2，每组支座安装导轨由平行的两根导轨组成，传感器固定支座1通过支座固定压块11和六角螺栓14安装在底座9的第一支座安装导轨Z1上，第一支座安装导轨Z1两根平行导轨之间的距离由传感器固定支座1的厚度决定，千斤顶固定支座8通过支座固定压块11和六角螺栓14安装在底座9的第二支座安装导轨Z2上，第二支座安装导轨Z2两根平行导轨之间的距离由千斤顶固定支座8的厚度决定。
底座9上还置有三组平行的千斤顶安装导轨，分别为第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3，每组千斤顶安装导轨均由两根平行的导轨组成，其中第一千斤顶Q1安装在第一千斤顶安装导轨G1上，第二千斤顶Q2安装在第二千斤顶安装导轨G2上，第三千斤顶Q3安装在第三千斤顶安装导轨G3上。
图4为六维力传感器标定装置中千斤顶固定支座8的左视图。千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，当六维力传感器3的Y轴正方向垂直向上，当第四千斤顶Q4安装在第五组千斤顶固定孔K5时，对六维力传感器3施加的是力-Fz；当第四千斤顶Q4安装在第一组千斤顶固定孔K1时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩-Mx；当第四千斤顶Q4安装在第二组千斤顶固定孔K2时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩+My；当第四千斤顶Q4安装在第三组千斤顶固定孔K3时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩+Mx；当第四千斤顶Q4安装在第四组千斤顶固定孔K4时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩-My。
图5为六维力传感器标定装置中转接板2、六维力传感器3和加载板4的连接示意图。先将六维力传感器3通过一组转接板传感器安装孔19安装在转接板2上，再将转接板2通过一组转接板安装孔18安装在传感器固定支座1上，最后将加载板4通过一组加载板传感器安装孔16和一组传感器安装孔12安装在六维力传感器3上。加载板4上置有四组侧面加载孔15、一组加载板传感器安装孔16和一组正面加载孔17。转接板2上的转接板安装孔18、转接板传感器安装孔19、六维力传感器3上的传感器安装孔12、加载板传感器安装孔16以及侧面加载孔15、正面加载孔17在机械设计和加工中需要保证足够的孔的位置精度和孔的垂直度。
图6为六维力传感器标定装置中加载板的正视图及俯视图。图5中的坐标系是六维力传感器的标定坐标系，按照右手螺旋法则定义。加载板4上置有上、下、左、右四组侧面加载孔15，侧面加载孔15每组有三个孔，一组正面加载孔17置于加载板4的正面上，一组正面加载孔17有五个孔，侧面加载孔15和正面加载孔17均为半球形的，或是平面的加载位置，侧面加载孔15和正面加载孔17在机械加工中要保证足够的孔的位置精度和孔的垂直度。第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2和第三千斤顶Q3的中心位置正对着侧面加载孔15的三个孔。千斤顶固定支座8上的第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5的中心位置分别对应于加载板4上的五个正面加载孔17。
图7为六维力传感器标定装置中千斤顶的剖面图。本发明中有四个千斤顶，分别为第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3和第四千斤顶Q4，千斤顶的前面分别与标准单维力传感器6刚性连接，标准单维力传感器6的前面置有加载帽5，千斤顶上置有千斤顶安装孔7。
加载帽5是半球形的，加载帽5的材料是铝合金，或是钢，或是铜。标准单维力传感器6是精度为0.05％F.S、或0.02％F.S、或0.01％F.S的单维拉/压力传感器，标准单维力传感器6的量程是1吨，或是5吨，或是10吨，或是16吨，或是20吨。
千斤顶是手动千斤顶，或是液压千斤顶，或是电动千斤顶，其量程是5吨，或是10吨，或是16吨，或是20吨。第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2和第三千斤顶Q3在设计、加工和安装时需要保证与底座9的垂直度，第四千斤顶Q4在设计、加工和安装时需要保证与千斤顶固定支座8的垂直度。
图8为六维力传感器标定装置中底座的俯视图。底座9上置有两组平行的支座安装导轨，分别为第一支座安装导轨Z1和第二支座安装导轨Z2，每组支座安装导轨由平行的两根导轨组成，第一支座安装导轨Z1两根平行导轨之间的距离由传感器固定支座1的厚度决定，第二支座安装导轨Z2两根平行导轨之间的距离由千斤顶固定支座8的厚度决定。
底座9上还置有三组平行的千斤顶安装导轨，分别为第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3，每组千斤顶安装导轨均由两根平行的导轨组成。第一千斤顶安装导轨G1的两根平行导轨之间的距离由第一千斤顶Q1安装孔之间的距离决定，第二千斤顶安装导轨G2的两根平行导轨之间的距离由第二千斤顶Q2安装孔之间的距离决定，第三千斤顶安装导轨G3的两根平行导轨之间的距离由第三千斤顶Q3安装孔之间的距离决定，千斤顶在千斤顶安装导轨上能够沿着导轨滑动。
底座9上的第一支座安装导轨Z1与第二支座安装导轨Z2之间是平行的，第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3之间是互相平行的，第一支座安装导轨Z1和第二支座安装导轨Z2与第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3之间是垂直排列的，第一支座安装导轨Z1和第二支座安装导轨Z2与第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3在机械设计和加工中要保证足够的平行度和垂直度，传感器固定支座1在机械设计、加工和安装中与底座9要保证足够的垂直度，千斤顶固定支座8在机械设计、加工和安装中与底座9要保证足够的垂直度。
图9为本发明中施加力+Fx的标定示意图。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使标定坐标系Y轴正方向水平向左，第二千斤顶Q2上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第二千斤顶Q2进行加力，此时加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15刚性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力+Fx。
图10为本发明中施加力+Fy的标定示意图。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使标定坐标系Y轴正方向垂直向上，第二千斤顶Q2上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第二千斤顶Q2进行加力，此时加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15刚性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力+Fy。
图11为本发明中施加力-Fz的标定示意图。千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使Y轴正方向垂直向上，把第四千斤顶Q4安装在第五组千斤顶固定孔K5，第四千斤顶Q4上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第四千斤顶Q4进行加力，此时加载帽5与加载板4上的正面加载孔17性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力-Fz。
图12为本发明中施加力+Fx和力矩+Mz的标定示意图。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使标定坐标系Y轴正方向水平向左，第一千斤顶Q1上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第一千斤顶Q1进行加力，此时加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15刚性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力+Fx和力矩+Mz。
图13为本发明中施加力+Fx和力矩-Mz的标定示意图。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使标定坐标系Y轴正方向水平向左，第三千斤顶Q3上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第三千斤顶Q3进行加力，此时加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15刚性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力+Fx和力矩-Mz。
图14为本发明中施加力+Fy和力矩+Mz的标定示意图。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使标定坐标系Y轴正方向垂直向上，第一千斤顶Q1上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第一千斤顶Q1进行加力，此时加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15刚性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力+Fy和力矩+Mz。
图15为本发明中施加力+Fy和力矩-Mz的标定示意图。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使标定坐标系Y轴正方向垂直向上，第三千斤顶Q3上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第三千斤顶Q3进行加力，此时加载帽5与加载板4上的侧面加载孔15刚性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力+Fy和力矩-Mz。
图16为本发明中施加力-Fz和力矩+Mx的标定示意图。千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使Y轴正方向垂直向上，把第四千斤顶Q4安装在第三组千斤顶固定孔K3上，第四千斤顶Q4上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第四千斤顶Q4进行加力，此时加载帽5与加载板4上的正面加载孔17性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力-Fz和力矩+Mx。
图17为本发明中施加力-Fz和力矩-Mx的标定示意图。千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使Y轴正方向垂直向上，把第四千斤顶Q4安装在第一组千斤顶固定孔K1上，第四千斤顶Q4上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第四千斤顶Q4进行加力，此时加载帽5与加载板4上的正面加载孔17性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力-Fz和力矩-Mx。
图18为本发明中施加力-Fz和力矩+My的标定示意图。千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使Y轴正方向垂直向上，把第四千斤顶Q4安装在第二组千斤顶固定孔K2上，第四千斤顶Q4上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第四千斤顶Q4进行加力，此时加载帽5与加载板4上的正面加载孔17性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力-Fz和力矩+My。
图19为本发明中施加力-Fz和力矩-My的标定示意图。千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2安装在传感器固定支座1上，使Y轴正方向垂直向上，把第四千斤顶Q4安装在第四组千斤顶固定孔K4上，第四千斤顶Q4上安装有加载帽5和标准单维力传感器6，设定第四千斤顶Q4进行加力，此时加载帽5与加载板4上的正面加载孔17性接触，标准单维力传感器6测量实际加载力的大小，对六维力传感器3施加力-Fz和力矩-My。
图20为本发明中对六维力传感器3的Fx、Fy、Mz进行加载标定的流程图。设定第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3对六维力传感器3的Fx、Fy、Mz开始进行加载标定(步骤300)，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2从安装在传感器固定支座1上(步骤310)，使六维力传感器3标定坐标系的Y轴水平向上，设定重力校准六维力传感器3标定坐标系的X轴或者Y轴(步骤320)；
从第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3中选择一个千斤顶来对六维力传感器3进行施加载荷(步骤330)，对六维力传感器3进行清零(步骤340)，设定选择的千斤顶对六维力传感器3施加不同的载荷(步骤350)，并记录六维力传感器3的输出数据(步骤360)，检测载荷是否施加完毕(步骤370)？
如果没有，则返回步骤350进行循环，否则检测三个千斤顶是否都施加载荷了(步骤380)？如果没有，则返回步骤330进行循环，否则检测是否将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2转动了三次(步骤390)？
如果没有，则将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2从传感器固定支座1上取下(步骤400)，逆时针转动90度(步骤410)，再返回步骤310进行循环，否则完成对Fx、Fy、Mz的加载标定(步骤420)。
图21为本发明中对六维力传感器3的Fz、Mx、My进行加载标定的流程图。设定第四千斤顶Q4对六维力传感器3的Fz、Mx、My开始进行加载标定(步骤500)，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2从安装在传感器固定支座1上(步骤510)，设定重力校准六维力传感器3标定坐标系的X轴或者Y轴(步骤520)；
从千斤顶固定支座8上的第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5中选择一组固定孔(步骤530)，对六维力传感器3进行清零(步骤540)，将第四千斤顶Q4安装在选择的一组固定孔上，对六维力传感器3施加载荷(步骤550)，并记录六维力传感器3的输出数据(步骤560)，检测载荷施加完毕了吗(步骤570)？
如果没有，则返回步骤550进行循环，否则检测五组千斤顶固定孔是否都安装过第四千斤顶Q4，并对六维力传感器3施加载荷了(步骤580)？如果没有，则将第四千斤顶Q4从千斤顶固定支座8上取下(步骤590)，返回步骤530进行循环，否则结束对六维力传感器3Fz、Mx、My的加载标定(步骤600)。
实施例：
将六维力传感器标定装置的底座9安放在平坦的地面上，设定水平仪对底座9的水平面进行校准，确保底座9处于水平状态。将加载帽5安装在标准单维力传感器6上，标准单维力传感器6安装在千斤顶上，将第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3通过千斤顶安装孔7、千斤顶固定压块13和六角螺栓14分别安装在底座9上的第一千斤顶安装导轨G1、第二千斤顶安装导轨G2和第三千斤顶安装导轨G3上。再将六维力传感器3通过转接板传感器19安装孔安装在转接板2上，将加载板4通过加载板传感器安装孔16和传感器安装孔12安装在六维力传感器3上，将转接板2通过转接板安装孔18安装在传感器固定支座1上。通过支座固定压块11和六角螺栓14将传感器固定支座1安装在底座9的第一支座安装导轨Z1上。再将安装有加载帽5和标准单维力传感器6的第四千斤顶Q4通过千斤顶安装孔7安装在千斤顶固定支座8的第一组千斤顶固定孔K1上。把千斤顶固定支座8通过支座固定压块11和六角螺栓14安装在底座9的第二支座安装导轨Z2上。上述安装完成后，检查标定装置中的每个零配件，确保每个零配件安装准确、牢靠，六维力传感器标定装置安装完毕，就能够对六维力传感器进行标定。
在六维力传感器标定装置的安装过程中，需要保证传感器固定支座1与底座9的垂直度，千斤顶固定支座8与底座9的垂直度，第一千斤顶Q1、第二千斤顶Q2、第三千斤顶Q3与底座9的垂直度，第四千斤顶Q4与千斤顶固定支座8的垂直度，也需要保证转接板2、六维力传感器3以及加载板4与传感器固定支座1之间的平行度。六维力传感器标定装置通过机械设计、加工和安装的精度来保证标定时加载力作用点的位置和方向的准确，实现力的准确传递，提高标定精度。
设定六维力传感器标定装置对六维力传感器3进行标定时，首先根据六维力传感器3的量程来确定标定点的数量和标定点之间的间隔，一般采用等间隔进行标定，对六维力传感器3的各个通道依次施加载荷。六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，当Y轴正方向垂直向上时，设定第一千斤顶Q1对六维力传感器3施加力+Fy和力矩+Mz，设定第二千斤顶Q2对六维力传感器3施加力+Fy，设定第三千斤顶Q3对六维力传感器3施加力+Fy和力矩-Mz，将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2从传感器固定支座1上取下，逆时针转动90度，重新安装上去，此时标定坐标系Y轴正方向水平向左，设定第一千斤顶Q1对六维力传感器3施加力+Fx和力矩+Mz，设定第二千斤顶Q2对六维力传感器3施加力+Fx，设定第三千斤顶Q3对六维力传感器3施加力+Fx和力矩-Mz，再将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2从传感器固定支座1上取下，逆时针转动90度，再重新安装上去，此时标定坐标系Y轴正方向垂直向下，设定第一千斤顶Q1对六维力传感器3施加力-Fy和力矩+Mz，设定第二千斤顶Q2对六维力传感器3施加力-Fy，设定第三千斤顶Q3对六维力传感器3施加力-Fy和力矩-Mz，再将连接有六维力传感器3和加载板4的转接板2从传感器固定支座1上取下，逆时针转动90度，再重新安装上去，此时标定坐标系Y轴正方向水平向右，设定第一千斤顶Q1对六维力传感器3施加力-Fx和力矩+Mz，设定第二千斤顶Q2对六维力传感器3施加力-Fx，设定第三千斤顶Q3对六维力传感器3施加力-Fx和力矩-Mz。
千斤顶固定支座8上置有五组千斤顶固定孔，分别为第一组千斤顶固定孔K1、第二组千斤顶固定孔K2、第三组千斤顶固定孔K3、第四组千斤顶固定孔K4和第五组千斤顶固定孔K5，六维力传感器3在标定过程中，按照标定坐标系的定义，当Y轴正方向垂直向上时，当第四千斤顶Q4安装在第一组千斤顶固定孔K1时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩-Mx；当第四千斤顶Q4安装在第二组千斤顶固定孔K2时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩+My；当第四千斤顶Q4安装在第三组千斤顶固定孔K3时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩+Mx；当第四千斤顶Q4安装在第四组千斤顶固定孔K4时，对六维力传感器3施加的是力-Fz和力矩-My；当第四千斤顶Q4安装在第五组千斤顶固定孔K5时，对六维力传感器3施加的是力-Fz。
然后，在完成对六维力传感器3各个受力状态标定的基础上，六维力传感器3分别得到对应的输出，对各种标定状态进行组合，得到六维力传感器3的加载矩阵F和六维力传感器的输出矩阵V。六维力传感器3的加载矩阵F的秩为6的线性无关矩阵，F的逆矩阵存在，加载矩阵F为：
六维力传感器3的输出矩阵V为：
最后，根据公式
进行计算，得到耦合矩阵C，从而完成对六维力传感器3的标定。
Claims (4)
1.一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，其特征在于设定标准单维力传感器(6)和第一千斤顶(Q1)、第二千斤顶(Q2)、第三千斤顶(Q3)、第四千斤顶(Q4)对分别六维力传感器(3)进行加载，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载，加载时，标准单维力传感器(6)前面的加载帽(5)与加载板(4)上的侧面加载孔(15)或正面加载孔(17)刚性接触，通过标准单维力传感器(6)测量实际加载力的大小，该方法是按以下步骤完成的：
先将六维力传感器标定装置安装好，并检查第一千斤顶(Q1)、第二千斤顶(Q2)、第三千斤顶(Q3)与底座(9)的垂直度，第四千斤顶(Q4)与千斤顶固定支座(8)的垂直度；
设定重力校准六维力传感器(3)的标定坐标系；
设定第一千斤顶(Q1)、第二千斤顶(Q2)、第三千斤顶(Q3)对六维力传感器(3)的Fx、Fy、Mz进行加载标定，并记录数据；
设定第四千斤顶(Q4)对六维力传感器(3)的Fz、Mx、My进行加载标定，并记录数据；
计算六维力传感器(3)的加载矩阵和传感器输出矩阵；
根据公式，计算六维力传感器(3)的耦合矩阵；
检验六维力传感器(3)的耦合矩阵是否符合要求，如果不符合要求，需要重新对六维力传感器(3)进行标定，否则标定结束。
2.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，其特征是：设定第一千斤顶(Q1)、第二千斤顶(Q2)、第三千斤顶(Q3)对六维力传感器(3)的Fx、Fy、Mz进行加载标定，并按照以下步骤完成的：
将连接有六维力传感器(3)和加载板(4)的转接板(2)从安装在传感器固定支座(1)上，使六维力传感器(3)标定坐标系的Y轴水平向上；
设定重力校准六维力传感器(3)标定坐标系的X轴或者Y轴；
对六维力传感器(3)进行清零；
设定第一千斤顶(Q1)对六维力传感器(3)施加不同的载荷，并记录六维力传感器(3)的输出数据；
设定第二千斤顶(Q2)对六维力传感器(3)施加不同的载荷，并记录六维力传感器(3)的输出数据；
设定第三千斤顶(Q3)对六维力传感器(3)施加不同的载荷，并记录六维力传感器(3)的输出数据；
将连接有六维力传感器(3)和加载板(4)的转接板(2)从传感器固定支座(1)上取下，逆时针转动90度；
再将连接有六维力传感器(3)和加载板(4)的转接板(2)从安装在传感器固定支座(1)上，按照上述步骤对六维力传感器(3)的Fx、Fy、Mz进行加载标定，直至完成对Fx、Fy、Mz的加载标定。
3.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，其特征是：设定第四千斤顶(Q4)对六维力传感器(3)的Fz、Mx、My进行加载标定，并按照以下步骤完成的：
将连接有六维力传感器(3)和加载板(4)的转接板(2)从安装在传感器固定支座(1)上，使六维力传感器(3)标定坐标系的Y轴水平向上；
设定重力校准六维力传感器(3)标定坐标系的Y轴；
对六维力传感器(3)进行清零；
从千斤顶固定支座(8)上的第一组千斤顶固定孔(K1)、第二组千斤顶固定孔(K2)、第三组千斤顶固定孔(K3)、第四组千斤顶固定孔(K4)和第五组千斤顶固定孔(K5)中选择一组固定孔；
将第四千斤顶(Q4)安装在选择的一组固定孔上，对六维力传感器(3)施加载荷，并记录六维力传感器(3)的输出数据；
再将第四千斤顶(Q4)从千斤顶固定支座(8)上取下，按照上述步骤对六维力传感器(3)的Fz、Mx、My进行加载标定，直至完成对Fz、Mx、My的加载标定。
4.根据权利要求1所述的一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，其特征是：先设定第一千斤顶(Q1)、第二千斤顶(Q2)、第三千斤顶(Q3)对六维力传感器(3)的Fx、Fy、Mz进行加载标定，后设定第四千斤顶(Q4)对六维力传感器(3)的Fz、Mx、My进行加载标定；或者先设定第四千斤顶(Q4)对六维力传感器(3)的Fz、Mx、My进行加载标定，后设定第一千斤顶(Q1)、第二千斤顶(Q2)、第三千斤顶(Q3)对六维力传感器(3)的Fx、Fy、Mz进行加载标定，这两种加载标定没有先后次序。
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