CN101936797A - 一种六维力传感器标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

一种六维力传感器标定装置及其标定方法。该装置包括标定工作台、带两个滑轮轴的支架、分别在两个滑轮轴上的平行滑轮和高端滑轮、和绕过该滑轮的载荷施加绳。在标定工作台上固定安装有标定调节板，通过预紧螺钉与该标定调节板连接的传感器预紧板、与该传感器预紧板固定连接的载荷定位板，待标定六维力传感器以预紧状态被夹持安装在标定调节板和传感器预紧板之间。载荷定位板有五个或三个均位于同一水平面上的，呈十字形或L形的载荷施力点。本发明具有结构相对简单、紧凑，成本低，通用性较好，且操作简单的优点；最突出的优点是，除能够对六维力传感器进行静态标定之外，仅需进行一下简单的操作变化，就能够在本发明装置中对其进行动态标定。

Description

一种六维力传感器标定装置及其标定方法

技术领域

本发明涉及对六维力传感器进行标定的装置和标定方法。

背景技术

六维力传感器是指能够获取三维力信息(Fx，Fy，Fz)或者三维力矩信息(Mx，My，Mz)的力传感器。六维力传感器的应用范围已经越来越广泛，如：机器人、制造业、医学、体育比赛、航空航天等。力传感器的测量精度是衡量传感器的重要指标，传感器生产出来之后必须对其进行标定。公告号CN100337105C、名称为《并联六维力传感器标定装置》就是对六维力传感器进行标定的装置之一，该发明的确提供了一种较好的标定装置。然而，由于该装置仅是对并联的六维力传感器进行标定的，故该装置还不具有对单个六维力传感器进行标定的通用性。公告号为CN100529703C、名称为《六维力传感器标定装置》克服了上述标定装置不具有通用性的缺陷，能够对单个的六维力传感器进行标定。然而，后者针对的仅是大量程(最小量程也有1吨)六维力传感器，故其结构较复杂。另外，上述两种标定装置，均需配用标准单向力传感器(或标准单维力传感器)，且均还只能对六维力传感器进行静态标定；在对六维力传感器进行动态标定时，还不得不借助于其他标定装置。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种结构相对简单、通用性较好，能够进行静态标定和动态标定的六维力传感器标定装置。

本发明的第二目的是提供一种运用实现第一发明目的之装置来对六维力传感器进行静态标定和动态标定的方法。

实现所述第一目的之技术方案是这样一种六维力传感器标定装置，与现有技术相同的方面是，该装置包括标定工作台、位于该标定工作台一侧并与该标定工作台连为一个整体的带滑轮轴的支架、在该支架滑轮轴上的滑轮、和绕过该滑轮的载荷施加绳。其改进之处是，在标定工作台上固定安装有带预紧螺钉孔的标定调节板，在该标定调节板上依次安装有通过预紧螺钉与该标定调节板连接的传感器预紧板、与该传感器预紧板固定连接的载荷定位板，待标定六维力传感器以预紧状态被夹持安装在标定调节板和传感器预紧板之间。载荷定位板有五个均位于同一水平面上的，呈十字形的载荷施力点，位于十字中心的中心载荷施力点在标定六维力传感器的传感器轴线上，其余四个十字端载荷施力点与该中心载荷施力点之间的距离b相等；所述滑轮有平行滑轮和高端滑轮各一个，所述载荷施加绳有两条，它们的一端连接在需要施力时的载荷施力点上，另一端分别绕过平行滑轮和高端滑轮后与标准砝码连接；绕过平行滑轮的载荷施加绳是呈水平状态的平行载荷施加绳，其水平段与该平行滑轮的切点与中心载荷施力点和两个相对的十字端载荷施力点均位于同一直线上，其水平段与该平行滑轮的切点到该中心载荷施力点的距离B是最近的两个载荷施力点之间距离b的六～十二倍；绕过高端滑轮的载荷施加绳是呈向上倾斜状态的高端载荷施加绳，其倾斜段与高端滑轮的切点和其平行载荷施加绳与其平行滑轮的切点在同一条垂直线上，其倾斜段在平行载荷施加绳的水平段与其平行滑轮的切点和中心载荷施力点所在的竖起平面上的投影的倾斜角θ不小于35°。

实现所述第二目的之技术方案是这样一种六维力传感器的标定方法，与现有技术相同的方面是，该方法是利用传感器的输出关系式来进行标定的，其关系式为，U＝G·F；式中，U为传感器的输出电压矩阵，G为传感器的标定矩阵，F为传感器的输入矩阵。其改进之处是，该方法是运用实现第一发明目的之六维力传感器标定装置来进行标定的方法，包括如下步骤：

①根据待标定六维力传感器的量程，从零到满量程平均分成若干级来对应选择不同重量的标准砝码；测量该待标定六维力传感器的高度，根据所述平行载荷施加绳的水平段应当水平的要求，选择相应厚度的标定调节板并固定在其标定工作台上；

②以待标定六维力传感器的传感器轴线与中心载荷施力点重叠的状态，把该待标定六维力传感器夹持安装在标定调节板和传感器预紧板之间预紧，然后把载荷定位板固定连接在该传感器预紧板之上；

③将待标定六维力传感器的接线柱与多路电荷放大器相连，然后再将多路电荷放大器与示波器连接，并实测此时的高端载荷施加绳的倾斜角θ；

④获取三维力和三维力矩的输出电压和静态施加载荷

a、由标准砝码通过平行载荷施加绳给中心载荷施力点加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，以及此时的X方向力的静态施加载荷Fx，其值为Fx＝f；其中，f为各级标准砝码的重量；

b、将标定调节板旋转90°安装，依然由标准砝码通过平行载荷施加绳给中心载荷施力点加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，以及此时的Y方向力的静态施加载荷Fy，其值为Fy＝f；

c、由标准砝码通过高端载荷施加绳给中心载荷施力点加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，以及此时的Z方向力的静态施加载荷Fz，其值为Fz＝-f×sinθ；

e、由标准砝码通过高端载荷施加绳，给中心载荷施力点与平行载荷施加绳和其平行滑轮的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，以及此时的X方向力矩的静态施加载荷Mx，其值为 $\mathrm{Mx}=\frac{\mathrm{Bbtg\θf}}{\sqrt{B^2+b^2+B^2{\mathrm{tg}}^2\mathrm{\θ}}};$

f、将标定调节板旋转90°安装，依然由标准砝码通过高端载荷施加绳，给中心载荷施力点与平行载荷施加绳和其平行滑轮的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，以及此时的Y方向力矩的静态施加载荷My，其值为

f、由标准砝码通过平行载荷施加绳，给中心载荷施力点与平行载荷施加绳和其平行滑轮的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，以及此时的Z方向力矩的静态施加载荷Mz，其值为 $\mathrm{Mz}=\frac{\mathrm{Bbf}}{\sqrt{B^2+b^2}};$

⑤以步骤④各次记录的待标定六维力传感器六个方向对应的输出电压，构建该待标定六维力传感器的输出电压矩阵U；以步骤④各次记录的静态施加载荷，构建该待标定六维力传感器的输入矩阵F；再根据传感器输出关系式U＝G·F，即得出待标定六维力传感器的标定矩阵G。

从方案中可以看出，与公告号CN100337105C、名称为《并联六维力传感器标定装置》相比较，本发明解决了能对单个六维力传感器进行标定的技术问题，与公告号为CN100529703C、名称为《六维力传感器标定装置》相比较，本发明仅需选择、更换不同厚度的标定调节板，根据量程选择不同标准砝码，就能够对绝大多数六维力传感器进行标定。与这些现有技术相比较，由于本发明不需采用格外的标准单向力传感器(或标准单维力传感器)和其他结构，故具有结构相对简单、紧凑，成本低，通用性较好，且操作简单的优点；最突出的优点是，除能够对六维力传感器进行静态标定之外，本发明还为对其进行动态标定创造了条件。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明结构示意(轴侧)图

图2——连接了高端载荷施加绳的图1的A-A向剖视图(部分未剖)

图3——图2中I区域的局部放大图

图4——连接了平行载荷施加绳的图1的A-A向剖视图(部分未剖)

图5——图3的A向放大图(仅绘制出了载荷定位台)

图6——图5的B-B向剖视图

具体实施方式

一、一种六维力传感器标定装置(参考图1、2、3、4、5)，该装置包括标定工作台9、位于该标定工作台9一侧并与该标定工作台9连为一个整体的带滑轮轴的支架4、在该支架4滑轮轴上的滑轮、和绕过该滑轮的载荷施加绳。本发明中，在标定工作台9上固定安装有带预紧螺钉孔的标定调节板8，在该标定调节板8上依次安装有通过预紧螺钉101与该标定调节板8连接的传感器预紧板10、与该传感器预紧板10固定连接的载荷定位板7，待标定六维力传感器11以预紧状态被夹持安装在标定调节板8和传感器预紧板10之间。其中，载荷定位板7(参考图4、5)有五个均位于同一水平面上的，呈十字形的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)，位于十字中心的中心载荷施力点7a在标定六维力传感器11的传感器轴线上，其余四个十字端载荷施力点(7b、7c、7d、7e)与该中心载荷施力点7a之间的距离b相等；所述滑轮有平行滑轮2和高端滑轮1各一个，所述载荷施加绳有两条，它们的一端连接在需要施力时的载荷施力点上，另一端分别绕过平行滑轮2和高端滑轮1后与标准砝码3连接(图1、5用实线和双点划线把这两条载荷施加绳区分开，是表示它们在加载施力时是分别进行的)；绕过平行滑轮2的载荷施加绳是呈水平状态的平行载荷施加绳6，其水平段与该平行滑轮2的切点与中心载荷施力点7a和两个相对的十字端载荷施力点(7b、7d或7c、7e)均位于同一直线上，其水平段与该平行滑轮2的切点到该中心载荷施力点7a的距离B是最近的两个载荷施力点之间距离b的六～十二倍；绕过高端滑轮1的载荷施加绳是呈向上倾斜状态的高端载荷施加绳5，其倾斜段与高端滑轮1的切点和其平行载荷施加绳6与其平行滑轮2的切点在同一条垂直线上，其倾斜段在平行载荷施加绳6的水平段与其平行滑轮2的切点和中心载荷施力点7a所在的竖起平面上的投影的倾斜角θ不小于35°。

本领域技术人员清楚，本发明中提到的“连为一个整体”、“固定安装”和/或“固定连接”等，均可用现有技术中的任何固定结构与方法。在本发明中，采用常用的螺钉固定。由于显见，在附图中仅绘制出了螺钉中心线和/或示意性的螺钉孔。

进一步讲，为了便于加工，并提高标定精度，其载荷施力点的结构也有必要作出相应改进。(参考图6)本具体实施方式中的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)由通过螺纹联接而安装在其载荷定位板7上的带有中心孔的螺钉确定，这些螺钉的中心孔(的轴线)均位于各载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)上，载荷施加绳从螺钉头部插入而穿过中心孔，其穿出端通过一个锁头71夹紧或打一个大于螺钉中心孔的结。

更进一步讲，从运用本发明装置的方法中可知，标定时所用到的十字端载荷施力点只有相邻的两个，因此，与呈十字形的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)相比较，可以少两个相邻的十字端载荷施力点，剩余的载荷施力点(7a、7b、7e)构成L形、并与呈十字形的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)的对应点在位置上重叠(由于显见，构成L形的载荷施力点省略未画)。

显然，如果从操作方便上考虑，采用呈十字形的五个载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)的结构较好；而从节省装置成本的角度考虑，采用构成L形的三个载荷施力点(7a、7b、7e)为宜。

二、一种六维力传感器的标定方法，该方法是利用传感器的输出关系式来进行标定的，其关系式为，U＝G·F；式中，U为传感器的输出电压矩阵，G为传感器的标定矩阵，F为传感器的输入矩阵。本发明的方法是运用本发明的六维力传感器标定装置来进行标定的方法，包括如下步骤：

①根据待标定六维力传感器11的量程，从零到满量程平均分成若干级来对应选择不同重量的标准砝码3；测量该待标定六维力传感器11的高度，根据所述平行载荷施加绳6的水平段应当水平的要求，选择相应厚度的标定调节板8并固定在其标定工作台9上；

本领域技术人员清楚，在传感器标定过程中，从零到满量程平均分成若干级来选择不同标准砝码3施加载荷时，应当根据待标定六维力传感器11的量程大小来选择。通常，量程大的级数多一些，例如16个等级；量程小的级数少一些，例如8个等级。所以，在本具体实施方式中，就不具体指出分出多少级了。

②以待标定六维力传感器11的传感器轴线与中心载荷施力点7a重叠的状态，把该待标定六维力传感器11夹持安装在标定调节板8和传感器预紧板10之间预紧，然后把载荷定位板7固定连接在该传感器预紧板10之上(参考图1、2、3、4)；

特别说明：附图中所绘制的待标定六维力传感器11，是带中心安装孔、且其中心安装孔轴线与传感器轴线重叠的，因此，预紧螺钉101只有一颗，且标定调节板8和传感器预紧板10的结构也与该待标定六维力传感器11的结构相应。显然，对于没有中心安装孔的其他安装结构的待标定六维力传感器来讲，相应的标定调节板8和传感器预紧板10的结构，相应预紧螺钉101的位置与数量也应当作对应改变——由于这些是本领域技术人员已经掌握的最基本常识，故其他安装结构的待标定六维力传感器及其相应结构省略未画

③将待标定六维力传感器11的接线柱110与多路电荷放大器相连，然后再将多路电荷放大器与示波器连接，并实测此时的高端载荷施加绳5的倾斜角θ(当然是在接好高端载荷施加绳5的情况下进行)；

④获取三维力和三维力矩的输出电压和静态施加载荷

a、由标准砝码3通过平行载荷施加绳6给中心载荷施力点7a加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器11六个方向(即三维力和三维力矩的各三个方向)对应的输出电压，以及此时的X方向力的静态施加载荷Fx，其值为Fx＝f；其中，f为各级标准砝码的重量；

b、将标定调节板8旋转90°安装，依然由标准砝码3通过平行载荷施加绳6给中心载荷施力点7a加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器11六个方向对应的输出电压，以及此时的Y方向力的静态施加载荷Fy，其值为Fy＝f；

c、由标准砝码3通过高端载荷施加绳5给中心载荷施力点7a加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器11六个方向对应的输出电压，以及此时的Z方向力的静态施加载荷Fz，其值为Fz＝-f×sinθ；

e、由标准砝码3通过高端载荷施加绳5，给中心载荷施力点7a与平行载荷施加绳6和其平行滑轮2的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一7b加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器11六个方向对应的输出电压，以及此时的X方向力矩的静态施加载荷Mx，其值为

f、将标定调节板8旋转90°安装，依然由标准砝码3通过高端载荷施加绳5，给中心载荷施力点7a与平行载荷施加绳6和其平行滑轮2的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一7e加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器11六个方向对应的输出电压，以及此时的Y方向力矩的静态施加载荷My，其值为

f、由标准砝码3通过平行载荷施加绳6，给中心载荷施力点7a与平行载荷施加绳6和其平行滑轮2的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一7e加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器11六个方向对应的输出电压，以及此时的Z方向力矩的静态施加载荷Mz，其值为

⑤以步骤④各次记录的待标定六维力传感器11六个方向对应的输出电压，构建该待标定六维力传感器11的输出电压矩阵U；以步骤④各次记录的静态施加载荷(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，构建该待标定六维力传感器11的输入矩阵F；再根据传感器输出关系式U＝G·F，即得出待标定六维力传感器11的标定矩阵G。

在发明内容的有益效果中提到“本发明还为对其进行动态标定创造了条件”，具体是指，本发明采用的是标准砝码加载荷施加绳来对待标定六维力传感器进行加载，本领域技术人员清楚，这种加载方式在获取最终的动态标定数据之前的方法，与上述三维力和三维力矩的静态标定方法完全一样，在示波器中显示的电压值稳定后(也即获取稳定的静态载荷之后)，瞬时剪断载荷施加绳即可。此时刻产生负的阶跃载荷信号，就是施加的动态载荷。通过示波器记录的信号就可以计算出待标定传感器的频率特性。

Claims (4)

1.一种六维力传感器标定装置，该装置包括标定工作台(9)、位于该标定工作台(9)一侧并与该标定工作台(9)连为一个整体的带滑轮轴的支架(4)、在该支架(4)滑轮轴上的滑轮、和绕过该滑轮的载荷施加绳，其特征在于，在所述标定工作台(9)上固定安装有带预紧螺钉孔的标定调节板(8)，在该标定调节板(8)上依次安装有通过预紧螺钉(101)与该标定调节板(8)连接的传感器预紧板(10)、与该传感器预紧板(10)固定连接的载荷定位板(7)，待标定六维力传感器(11)以预紧状态被夹持安装在标定调节板(8)和传感器预紧板(10)之间；所述载荷定位板(7)有五个均位于同一水平面上的，呈十字形的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)，位于十字中心的中心载荷施力点(7a)在所述标定六维力传感器(11)的传感器轴线上，其余四个十字端载荷施力点(7b、7c、7d、7e)与该中心载荷施力点(7a)之间的距离(b)相等；所述滑轮有平行滑轮(2)和高端滑轮(1)各一个，所述载荷施加绳有两条，它们的一端连接在需要施力时的所述载荷施力点上，另一端分别绕过平行滑轮(2)和高端滑轮(1)后与标准砝码(3)连接；绕过平行滑轮(2)的载荷施加绳是呈水平状态的平行载荷施加绳(6)，其水平段与该平行滑轮(2)的切点与所述中心载荷施力点(7a)和两个相对的十字端载荷施力点(7b、7d或7c、7e)均位于同一直线上，其水平段与平行滑轮(2)的切点到中心载荷施力点(7a)的距离(B)是最近的两个载荷施力点之间距离(b)的六～十二倍；绕过高端滑轮(1)的载荷施加绳是呈向上倾斜状态的高端载荷施加绳(5)，其倾斜段与所述高端滑轮(1)的切点和所述平行载荷施加绳(6)与其平行滑轮(2)的切点在同一条垂直线上，其倾斜段在所述平行载荷施加绳(6)的水平段与其平行滑轮(2)的切点和中心载荷施力点(7a)所在的竖起平面上的投影的倾斜角(θ)不小于35°。

2.根据权利要求1所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，所述载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)由通过螺纹联接而安装在载荷定位板(7)上的带有中心孔的螺钉确定，这些螺钉的中心孔均位于各载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)上，所述载荷施加绳从螺钉头部插入而穿过中心孔，其穿出端通过一个锁头(71)夹紧或打一个大于螺钉中心孔的结。

3.根据权利要求1或2所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，所述载荷施力点比呈十字形的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)少两个相邻的十字端载荷施力点，剩余的载荷施力点(7a、7b、7e)构成L形、并与呈十字形的载荷施力点(7a、7b、7c、7d、7e)的对应点在位置上重叠。

4.一种六维力传感器的标定方法，该方法是利用传感器的输出关系式来进行标定的，其关系式为，U＝G·F；式中，U为传感器的输出电压矩阵，G为传感器的标定矩阵，F为传感器的输入矩阵；其特征在于，该方法是运用权利要求1或2所述六维力传感器标定装置、或者运用权利要求3所述六维力传感器标定装置来进行标定的方法，包括如下步骤：

①根据待标定六维力传感器(11)的量程，从零到满量程平均分成若干级来对应选择不同重量的标准砝码(3)；测量该待标定六维力传感器(11)的高度，根据所述平行载荷施加绳(6)的水平段应当水平的要求，选择相应厚度的标定调节板(8)并固定在其标定工作台(9)上；

②以待标定六维力传感器(11)的传感器轴线与所述中心载荷施力点(7a)重叠的状态，把该待标定六维力传感器(11)夹持安装在标定调节板(8)和传感器预紧板(10)之间预紧，然后把所述载荷定位板(7)固定连接在该传感器预紧板(10)之上；

③将待标定六维力传感器(11)的接线柱(110)与多路电荷放大器相连，然后再将多路电荷放大器与示波器连接，并实测此时的高端载荷施加绳(5)的所述倾斜角(θ)；

④获取三维力和三维力矩的输出电压和静态施加载荷

a、由标准砝码(3)通过平行载荷施加绳(6)给中心载荷施力点(7a)加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，以及此时的X方向力的静态施加载荷Fx，其值为Fx＝f；其中，f为各级标准砝码的重量；

b、将标定调节板(8)旋转90°安装，依然由标准砝码(3)通过平行载荷施加绳(6)给中心载荷施力点(7a)加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，以及此时的Y方向力的静态施加载荷Fy，其值为Fy＝f；

c、由标准砝码(3)通过高端载荷施加绳(5)给中心载荷施力点(7a)加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，以及此时的Z方向力的静态施加载荷Fz，其值为Fz＝-f×sinθ；

e、由标准砝码(3)通过高端载荷施加绳(5)，给中心载荷施力点(7a)与平行载荷施加绳(6)和其平行滑轮(2)的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一(7b)加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，以及此时的X方向力矩的静态施加载荷Mx，其值为

f、将标定调节板(8)旋转90°安装，依然由标准砝码(3)通过高端载荷施加绳(5)，给中心载荷施力点(7a)与平行载荷施加绳(6)和其平行滑轮(2)的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一(7e)加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，以及此时的Y方向力矩的静态施加载荷My，其值为 $\mathrm{My}=\frac{\mathrm{Bbtg\θf}}{\sqrt{B^2+b^2+B^2{\mathrm{tg}}^2}\mathrm{\θ}};$

f、由标准砝码(3)通过平行载荷施加绳(6)，给中心载荷施力点(7a)与平行载荷施加绳(6)和其平行滑轮(2)的切点之间连线两侧的十字端载荷施力点之一(7e)加载，其后，记录示波器显示的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，以及此时的Z方向力矩的静态施加载荷Mz，其值为

⑤以步骤④各次记录的待标定六维力传感器(11)六个方向对应的输出电压，构建该待标定六维力传感器(11)的输出电压矩阵U；以步骤④各次记录的静态施加载荷(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz)，构建该待标定六维力传感器(11)的输入矩阵F；再根据传感器输出关系式U＝G·F，即得出待标定六维力传感器(11)的标定矩阵G。

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