CN103616128A - 六维力传感器标定装置及其加载单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种六维力传感器标定装置及其加载单元，该加载单元包括：伺服电机，用于根据控制指令在其输出轴输出旋转运动；传动机构，输入端与所述伺服电机的输出轴连接，用于将所述伺服电机输出的旋转运动转化为直线运动；标准力传感器，设于所述传动机构的输出端，用于检测所述伺服电机所加载荷；拉杆，第一端和所述标准力传感器连接，第二端伸入一套筒内部并沿着所述套筒的长度方向延伸；弹簧，位于所述套筒内，并套设于所述拉杆上，所述弹簧的第一端限定在所述套筒第一端内部，所述拉杆的第二端与所述弹簧的第二端连接。本发明可以对六维力传感器的每个分量进行精确标定，也可以通过组合加载准确计算出六维力传感器各个维度之间的耦合关系。

Description

六维力传感器标定装置及其加载单元

技术领域

本发明属于传感器标定技术领域，具体而言，本发明特别涉及一种大量程的六维力传感器标定装置及其加载单元。

背景技术

六维力传感器可以同时检测物体在三维空间中各个方向上所受的力和力矩的状况，从而确定该物体的受力状态。由于六维力传感器具有测力信息丰富、测量精度高的特点，使其广泛应用于机器人、生物医学、汽车制造、航空航天等领域。近年来，随着上述领域内各项技术的飞速发展，大量程六维力传感器的使用量也迅速增加，对传感器的精度要求也越来越高。

传感器标定装置是检验传感器性能的重要仪器，任何传感器只有经过标定才能正常使用，经过标定得到的传感器精度是传感器的重要性能指标之一。对于六维力传感器而言，由于受电阻应变计的原理所限，传感器六个分量的输出之间会有相互影响，所以设计一种能同时对六个分量进行任意组合加载的标定装置对确定六维力传感器的耦合关系非常重要，直接影响六维力传感器的测量精度。

目前，行业内普遍使用的六维力标定装置主要采用滑轮导向，砝码加载的方式。这种加载方式具有精度高的特点，但受人力加载所限，仅适用于小量程的六维力传感器。

在现有的各种六维力传感器标定装置中，公开号为CN100337105和公开号为CN101226095的两项专利及专利申请公开两种标定装置。分析二者及其他标定装置发现，目前的标定装置存在多处不足之处：

a）现有的标定装置多数通过滑轮调整载荷传递绳索与水平面之间的角度来改变载荷施加的方向，中间环节过多，角度的测量误差及滑轮与绳索之间的摩擦力都会影响加载精度。

b）部分标定装置采用测力环加载或者千斤顶加载，这两种加载方式对被测传感器施加的是压向载荷，在压头部位由于摩擦力的存在会产生不可测量的侧向力，影响测量精度。

c）在标定大量程六维力传感器时，现有的标定装置采用大速比减速机或者千斤顶手动进行加载，这两种方式加载的载荷不够稳定，且均不能现同时对六个分量实施任意组合的同时加载。受加载方式的限值，这两种方式卸载时只能一次性卸载到零点，无法进行回程的卸载标定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种六维力传感器标定装置及其加载单元，以解决现有技术存在的加载精度有待提高、不易实现任意组合加载的问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种用于六维力传感器标定装置的加载单元，其技术方案为：

一种用于六维力传感器标定装置的加载单元，其包括：伺服电机，用于根据控制指令在其输出轴输出旋转运动；传动机构，输入端与所述伺服电机的输出轴连接，用于将所述伺服电机输出的旋转运动转化为直线运动；标准力传感器，设于所述传动机构的输出端，用于检测所述伺服电机所加载荷；拉杆，第一端和所述标准力传感器连接，第二端伸入一套筒内部并沿着所述套筒的长度方向延伸；弹簧，位于所述套筒内，并套设于所述拉杆上，所述弹簧的第一端限定在所述套筒第一端内部，所述拉杆的第二端与所述弹簧的第二端连接。

优选地，在上述加载单元中，还包括：第一关节轴承，连接于所述标准力传感器和拉杆的第一端之间；第二关节轴承，连接于所述套筒的第二端，用于和六维力传感器标定装置的加载件连接。

优选地，在上述加载单元中，还包括：推力球轴承，设于所述拉杆和弹簧的第二杆，所述拉杆的第二端通过所述推力球轴承与所述弹簧的第二端连接，以减少摩擦。

优选地，在上述加载单元中，所述传动机构为丝杠减速机，所述伺服电机输出的旋转运动由所述丝杠减速机转换为丝杠沿坐标系的直线运动。

为了解决上述问题，本发明提供一种用于六维力传感器标定装置，其技术方案为：

一种六维力传感器标定装置，包括用于对六维力传感器的六个维度施加载荷的加载单元、用于固定六维力传感器的转接组件，其中，所述加载单元为上述任一所述的加载单元，所述加载单元的所述套筒第二端与所述转接组件连接；所述加载单元为十八个，其中，各通过一个所述加载单元控制六维力传感器的Fx、Fy、Fz三个方向的正、负向加载，各通过两个所述加载单元控制六维力传感器的Mx、My、Mz三个方向的正、负向加载。

优选地，在上述六维力传感器标定装置中，所述转接组件包括加载板、转接板，所述加载板和转接板分别用于和六维力传感器的两端固定，所述加载板与所述加载单元的所述套筒第二端相连。

优选地，在上述六维力传感器标定装置中，还包括：标定台面，呈箱形结构；所述转接组件位于所述标定台面内部，十八个所述加载单元设于所述标定台面的六个侧面。

优选地，在上述六维力传感器标定装置中，所述转接组件还包括不同高度的增高盘，以适应不同尺寸的六维力传感器的需要，从而保证所述加载板的加载平面与所述加载单元的中心线重合。

优选地，在上述六维力传感器标定装置中，所述标定台面包括四根支撑杆、四块侧板和平板状的上台面和下台面，所述上台面和下台面通过四根竖直的所述支撑杆组成一框架，四块所述侧板通过螺钉固定在所述支撑杆上，所述加载单元固定于所述侧板上。

优选地，在上述六维力传感器标定装置中，还包括底座，所述底座包括框架结构和可调整底脚，所述可调整底脚设于所述框架结构的下端，所述标定台面固定于所述底座上方。

与现有六维力标定装置相比，本发明具有以下有益效果：

加载单元利用弹簧作为储能元件，使加载单元不论在进程加载还是回程卸载中均可以准确地施加所需要的载荷。在加、卸载过程中，只需通过计算机精确地控制伺服电机的停止位置，即可以使弹簧在某个变形状态保持静止，从而保证所施加载荷的稳定。

标定装置使用十八个加载单元，可以同时对六维力传感器的六个维度实现任意的组合加载，加载方向与坐标系方向一致，避免采用滑轮、千斤顶等装置存在的误差所带来的不利影响。

附图说明

图1为本发明的标定装置实施例的整体结构示意图；

图2为图1所示实施例的加载单元的结构示意图；

图3为应用图1所示实施例时的六维力加载示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图所示，本发明的标定装置实施例主要包括标定台面、转接组件、底座和十八个图2所示的加载单元。

详言之，在本实施例中，如图1和图2所示，加载单元包括伺服电机1、丝杠减速机2、标准力传感器3、弹簧4、拉杆5、套筒6、推力球轴承7和两个杆端关节轴承8。其中，伺服电机1用螺钉固定在丝杠减速机2的后座上。标准力传感器3用螺钉固定在丝杠减速机2的丝杠端部的法兰盘上。拉杆5在套筒6内依次穿过推力球轴承7、弹簧4后通过一关节轴承8与标准力传感器3的中心孔相连。

加载时，伺服电机1驱动丝杠减速机2旋转，丝杠减速机2的丝杠通过标准力传感器3带动拉杆5向外拉伸。套筒6的另一端通过另一关节轴承8固定在加载板13上（如图1），因此拉杆5与套筒6共同作用对弹簧4产生压缩载荷，从而将拉伸力转化为弹簧4的形变。当伺服电机1停止时，由于弹簧4不产生新的形变，弹簧4对加载板13作用的拉伸力可以稳定地保持在所需要的数值。拉杆5通过推力球轴承7与弹簧4相连，可以避免直接接触导致摩擦产生不可预知的干扰力。

在其他实施例中，也可以由其他结构形式的传动机构代替丝杠减速机，能够将旋转运动转换直线运动即可，例如蜗轮蜗杆机构。

如图1所示，标定台面包括上台面9、下台面10、四根支撑杆11和四块侧板12。上台面9和下台面10通过四根支撑杆11共同组成一个箱型框架，四块侧板12通过螺钉固定在支撑杆11上，形成一箱体结构，上台面9、下台面10和四个侧板12恰好形成标定台面的六个侧面。六个侧面提供了十八个加载单元的安装位置，通过精密加工，可以保证加载单元的丝杠、标准力传感器3、弹簧4、拉杆5、套筒6、推力球轴承7、两个关节轴承8的轴线与加载板13上对应的轴线（图3示出了十八根所述轴线）重合。

如图1、图3所示，转接组件包括加载板13、转接板14和增高盘15。加载板13、转接板14分别和六维力传感器20的两端用螺钉固定。转接板14的另一面用螺钉固定在增高盘15上，增高盘15用螺钉固定在下台面10上。加载板13则通过十八个关节轴承8与十八个加载单元相连。

转接组件将六维力传感器20固定在下台面10上，并通过加载板13提供加载单元对六维力传感器加载的作用点。增高盘15为具有不同高度的多个，不同高度的增高盘15可适应不同六维力传感器20的尺寸，以保证加载板13的加载平面与加载单元的中心线重合，从而使本实施例适用于不同尺寸的六维力传感器20。

如图1所示，底座包括框架结构16和可调整底脚18，可调整底脚18设于框架结构16的下端，可调整底脚18可以通过竖直拧入的螺栓实现，控制螺栓拧入框架结构16的多少可以调整框架结构16的高度。标定台面的下台面10固定于框架结构16上方。位于下台面10上的加载单元处于框架结构16的包围中。

应用本实施例时，六维力传感器20的两面分别与加载板13和转接板14用螺钉连接为一个整体，再通过增高盘15固定于下台面10上。加载板13的四周加工有十八个螺钉孔，分别与十八个加载单元的位于套筒6端部的关节轴承8相连。在标定台面的上台面9、下台面10及四块侧板12上安装十八个图2所示的加载单元，加载单元以标定台面为支撑对六维力传感器20实现加载。加载单元的布置应如图3所示，六维力传感器20的Fx、Fy、Fz三个方向的正、负向加载各通过1个加载单元控制，Mx，My，Mz三个方向的正、负向加载各通过2个加载单元控制。

当需要对某一分量进行标定时，通过计算机控制该分量所对应加载单元中的伺服电机1旋转，丝杠减速机2将旋转运动转换为丝杠沿坐标系的直线运动。如图2所示箭头方向，丝杠所受的载荷沿着加载方向依次穿过标准力传感器3、一关节轴承8、拉杆5、推力球轴承7、弹簧4、套筒6、另一关节轴承8传递到加载板13上，实现对六维力传感器20的加载。所加载荷可通过标准力传感器3测出并反馈到计算机中。当加载到所需载荷时，计算机会自动给伺服电机1发送一个停止指令，使载荷稳定。

当需要进行组合加载时，因为六个分量的正、负方向都由独立的加载单元控制，只需根据需要给相应的加载单元发送指令即可。

实际使用中，可根据六维力传感器20的尺寸设计相应的加载板13和增高盘15，以适用于不同尺寸的六维力传感器20。

综上所述，本发明提供一种大量程六维力传感器标定装置，主要包括十八个加载单元、标定台面、转接组件及底座。六维力传感器通过转接组件固定在标定台面上，十八个独立的加载单元可以实现单独或者任意组合对六维力传感器提供Fx、Fy、Fz、Mx，My，Mz六个分量的正、负加载（其中，“+”表示正加载，“-”表示负加载）。加载单元采用伺服电机驱动丝杠减速机的形式，并以高精度的标准力传感器作为电机驱动的反馈检测单元，达到对每个加载载荷的精确控制。通过本发明既可以对六维力传感器的每个分量进行精确标定，也可以通过组合加载准确计算出六维力传感器各个维度之间的耦合关系。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种用于六维力传感器标定装置的加载单元，其特征在于，包括：

伺服电机，用于根据控制指令在其输出轴输出旋转运动；

传动机构，输入端与所述伺服电机的输出轴连接，用于将所述伺服电机输出的旋转运动转化为直线运动；

标准力传感器，设于所述传动机构的输出端，用于检测所述伺服电机所加载荷；

拉杆，第一端和所述标准力传感器连接，第二端伸入一套筒内部并沿着所述套筒的长度方向延伸；

弹簧，位于所述套筒内，并套设于所述拉杆上，所述弹簧的第一端限定在所述套筒第一端内部，所述拉杆的第二端与所述弹簧的第二端连接。

2.根据权利要求1所述的加载单元，其特征在于，还包括：

第一关节轴承，连接于所述标准力传感器和拉杆的第一端之间；

第二关节轴承，连接于所述套筒的第二端，用于和六维力传感器标定装置的加载件连接。

3.根据权利要求1所述的加载单元，其特征在于，还包括：

推力球轴承，设于所述拉杆和弹簧的第二杆，所述拉杆的第二端通过所述推力球轴承与所述弹簧的第二端连接，以减少摩擦。

4.根据权利要求1所述的加载单元，其特征在于，所述传动机构为丝杠减速机，所述伺服电机输出的旋转运动由所述丝杠减速机转换为丝杠沿坐标系的直线运动。

5.一种六维力传感器标定装置，包括用于对六维力传感器的六个维度施加载荷的加载单元、用于固定六维力传感器的转接组件，其特征在于，所述加载单元为权利要求1-4任一所述的加载单元，所述加载单元的所述套筒第二端与所述转接组件连接；

所述加载单元为十八个，其中，各通过一个所述加载单元控制六维力传感器的Fx、Fy、Fz三个方向的正、负向加载，各通过两个所述加载单元控制六维力传感器的Mx、My、Mz三个方向的正、负向加载。

6.根据权利要求5所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，所述转接组件包括加载板、转接板，所述加载板和转接板分别用于和六维力传感器的两端固定，所述加载板与所述加载单元的所述套筒第二端相连。

7.根据权利要求6所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，还包括：

标定台面，呈箱形结构；所述转接组件位于所述标定台面内部，十八个所述加载单元设于所述标定台面的六个侧面。

8.根据权利要求7所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，所述转接组件还包括不同高度的增高盘，以适应不同尺寸的六维力传感器的需要，从而保证所述加载板的加载平面与所述加载单元的中心线重合。

9.根据权利要求7所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，所述标定台面包括四根支撑杆、四块侧板和平板状的上台面和下台面，所述上台面和下台面通过四根竖直的所述支撑杆组成一框架，四块所述侧板通过螺钉固定在所述支撑杆上，所述加载单元固定于所述侧板上。

10.根据权利要求7所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，还包括底座，所述底座包括框架结构和可调整底脚，所述可调整底脚设于所述框架结构的下端，所述标定台面固定于所述底座上方。

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