CN105716772A - 一种六轴力/力矩传感器及其在零点处去零漂整定方法 - Google Patents

一种六轴力/力矩传感器及其在零点处去零漂整定方法 Download PDF

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Abstract

一种六轴力/力矩传感器及其在零点处去零漂整定方法，用于对作用于六轴弹性体上的力/力矩进行采集，包括六路调理放大电路；所述调理放大电路，包括运算放大器、电压基准源，数字可编程电位计和数模转换器，数字可编程电位计和数模转换器设定在运算放大器的负输入端。本发明专利信号调理电路具有较高的精度，识别电压精度达到0.002V；电路结构紧凑，尺寸小巧；可以在10℃～35℃范围内具有极高的线性度。

Description

一种六轴力/力矩传感器及其在零点处去零漂整定方法
技术领域
本发明涉及一种传感器，特别是涉及一种六轴力/力矩传感器及其在零点处去零漂整定方法。
背景技术
多维力传感器发展至今，基于应变电阻式测量原理且多种结构的弹性体得到了很大的发展，应用也非常广泛。工业机器人在打磨过程中，需要实时检测抛光面的作用力反馈，通过六轴力/力矩传感器进行力/力矩采集，对采集到的压电信号进行转换和计算，计算出施加在弹性体表面的力、力矩大小，用以实现较高的抛光打磨工艺。在行业应用中，对力/力矩传感器的产品需求具有功能相同、量程多样性的特点，同时在不同量程下具有不同的精度。因此从工程实用角度来讲，在弹性体设计，应变片贴装，高精密电路统一的情况下，需要软件标定算法具有自适应的特点，以此来满足六轴力/力矩测量设备产品系列化，实用化的要求。
发明内容
本发明的目的，是提供一种六轴力/力矩传感器，并对六轴力/力矩传感器在零点处进行去零漂整定。
采用的技术方案是：
一种六轴力/力矩传感器，用于对作用于六轴弹性体上的力/力矩进行采集，包括六路调理放大电路。
所述调理放大电路，包括运算放大器、电压基准源，数字可编程电位计和数模转换器，其特征在于：
数字可编程电位计和数模转换器设定在运算放大器的负输入端，其中：
数字可编程电位计的A1脚接运算放大器的负输入端。电压基准源经电阻R2与可编程电位计的B1脚连接，并经电容C2接地。数模转换器的AO1脚经电阻R1与电阻R2连接，同时与数字可编程电位计的B1脚及电容C2连接。数字可编程电位计和数模转换器的信号输出端Tx脚经SPI总线与微控制器的Rx接口连接，微控制器的信号输出端Tx通过SPI总线分别与数字可编程电位计和数模转换器的信号输入端Rx连接。运算放大器的正输入端接电阻R3的一端，同时经电容C1接地，电阻R3的另一端接电压输入端。
六轴弹性体力/力矩的检测方法，包括下述步骤：其中使用的硬件包括本发明的六轴力/力矩传感器。
将弹性体水平摆放在试验台上，在x,y,z轴三个方向上均不受力，既弹性体保持空载状态。传感器电路上电，信号线连接正确，微处理器对数字可编程电位计及DA芯片设置初始值，然后通过自动记录六通道所采集的空载电压ΔUi,i=1~6，基于当前量程要求，理论计算每通道目标电压UiMax,i=1~6。然后依据迭代公式调整DA芯片对应第一通道输出，数字电位计对应第一通道输出，再次采集第一通道空载电压，将结果与对应通道目标电压作比较，如果误差较大，将比较误差再次代入迭代公式，计算出新的DA输出值和数字电位计值，通过微处理器更新DA和数字电位计输出，再次采集空载电压，进行比较，如此往复，直到空载电压与目标电压在允许误差范围内，第一通道标定完毕。再次进行第二通道的标定，当六通道全部标定完毕，微控制器发送报文至人机界面，操作人员通过观测人机界面，结束标定过程。
本发明采用的数字可编程电位计，电阻电容和数模转换器，电压基准源。数字可编程电位计选用共采用三个芯片，每个芯片支持两路电位计数字编程，数模转换器采用八通道16bit芯片。既在六路电压信号的调理放大电路当中，共计三个可编程数字电位计和一个数模转换器，一个基准源，六个运算放大器。
由于本发明将数字可编程电位计和数模转换器设计在运放放大器的负输入端，通过修改可编程电位计和数模转换器，实现了对输入信号的偏移和放大调整，构建了硬件调理电路的在线软调谐基础。
本发明采用的微控制器对一个数模转换器和三个数字可编程电位计的控制采用SPI(SerialPeripheralInterface)板级总线通信方案，且共用一条总线，采用总线分时复用的机制。
由于微控制器对三个可编程数字电位计采用级联设计方案，降低了微控制器使用资源，且末位芯片输出反馈至微控制器，构建了硬件电路的闭合自诊断功能。
对六轴弹性体的力/力矩检测方法，采用上述的六轴力/力矩传感器，（六轴弹性体）通过在弹性体三个梁上粘贴应变片，在时间作用力后，所粘贴的应变片在阻值上会发生变化，随即通过桥式电路转换成弱电压信号Ui(i=1~6)，12个应变片共产生六路电压信号,六路电压信号经过六路调理放大电路。通过六轴力/力矩传感器采集六通道的电压信号，计算出数字可编程电位计和数模转换器当前输出，并通过微控制器将输出写入数字可编程电位计和数模转换器，对调理电路实现了软调整，然后再次进行电压采样，进行新一轮计算并输出，直至将输入信号映射到期望电压值上。
微控制器对调理后的六路电压信号进行采集，同时应用自适应的标定算法，对数字电位计和数模转换器进行编程固化，实现了软件自动的调理电路标定。
所述算法程序流程如下：
上电后，对POT和DA上电写入初始值，基于量程计算理论目标值，然后采集输入电压信号，同理论目标值作比较，并将比较结果代入迭代公式，重新计算POT和DA值，更新后再次采集电压信号，直到电压信号同目标电压值在允许误差范围内。
本发明具有如下优点：
1信号调理电路具有较高的精度，识别电压精度达到0.002V;
2电路结构紧凑，尺寸小巧。
3可以在10℃～35℃范围内具有极高的线性度。
保护要点：
1高精密的调理电路设计，实现了弱信号处理的高分辨率，信号识别精度达到0.002V。
2在信号调理电路中引入了可编程电位计和可编程数模转换器，实现了硬件电路的软调谐特性。
3多量程自适应的迭代收敛算法，紧密结合了硬件电路的精巧设计。
4实现了温度自补偿特性，保证温度在10℃～35℃变化范围内，线性度不变。
附图说明
图1为六轴力/力矩传感器调理放大电路原理图。
图2为自整定算法流程图。
具体实施方式
一种六轴力/力矩传感器，用于对作用于六轴弹性体上的力/力矩进行采集，包括六路调理放大电路。
所述调理放大电路，包括运算放大器1、电压基准源2，数字可编程电位计3和数模转换器4，其特征在于：
数字可编程电位计3和数模转换器4设定在运算放大器1的负输入端，其中：
数字可编程电位计3的A1脚接运算放大器1的负输入端。电压基准源2经电阻R2与可编程电位计3的B1脚连接，并经电容C2接地。数模转换器4的AO1脚经电阻R1与电阻R2连接，同时与数字可编程电位计3的B1脚及电容C2连接。数字可编程电位计3和数模转换器4的信号输出端Tx脚经SPI总线与微控制器5的Rx接口连接，微控制器5的信号输出端Tx通过SPI总线分别与数字可编程电位计3和数模转换器4的信号输入端Rx连接。运算放大器1的正输入端接电阻R3的一端，同时经电容C1接地，电阻R3的另一端接电压输入端。
六轴弹性体力/力矩的检测方法，包括下述步骤：其中使用的硬件包括本发明的六轴力/力矩传感器。
将弹性体水平摆放在试验台上，在x,y,z轴三个方向上均不受力，既弹性体保持空载状态。六轴力/力矩传感器电路上电，信号线连接正确，微处理器对数字电位计及DA芯片设置初始值，然后通过自动记录六通道所采集的空载电压ΔUi,i=1~6，基于当前量程要求，理论计算每通道目标电压UiMax,i=1~6。然后依据迭代公式调整DA芯片对应第一通道输出，数字电位计对应第一通道输出，再次采集第一通道空载电压，将结果与对应通道目标电压作比较，如果误差较大，将比较误差再次代入迭代公式，计算出新的DA输出值和数字电位计值，通过微处理器更新DA和数字电位计输出，再次采集空载电压，进行比较，如此往复，直到空载电压与目标电压在允许误差范围内，第一通道标定完毕。再次进行第二通道的标定，当六通道全部标定完毕，微控制器发送报文至人机界面，操作人员通过观测人机界面，结束标定过程。

Claims (3)

1.一种六轴力/力矩传感器，用于对作用于六轴弹性体上的力/力矩进行采集，包括六路调理放大电路；
所述调理放大电路，包括运算放大器（1）、电压基准源（2），数字可编程电位计（3）和数模转换器（4），其特征在于：
数字可编程电位计（3）和数模转换器（4）设定在运算放大器（1）的负输入端。
2.根据权利要求1所述的一种六轴力/力矩传感器，其特征在于：所述的数字可编程电位计（3）的A1脚接运算放大器（1）的负输入端；电压基准源（2）经电阻R2与可编程电位计（3）的B1脚连接，并经电容C2接地；数模转换器（4）的AO1脚经电阻R1与电阻R2连接，同时与数字可编程电位计（3）的B1脚及电容C2连接；数字可编程电位计（3）和数模转换器（4）的信号输出端Tx脚经SPI总线与微控制器（5）的Rx接口连接，微控制器（5）的信号输出端Tx通过SPI总线分别与数字可编程电位计（3）和数模转换器（4）的信号输入端Rx连接；运算放大器（1）的正输入端接电阻R3的一端，同时经电容C1接地，电阻R3的另一端接电压输入端。
3.一种六轴弹性体零点处去零漂整定方法，其特征在于包括下述步骤：其中使用的硬件包括六轴力/力矩传感器；
将弹性体水平摆放在试验台上，在x,y,z轴三个方向上均不受力，既弹性体保持空载状态；六轴力/力矩传感器电路上电，信号线连接正确，微处理器对数字电位计及DA芯片设置初始值，然后通过自动记录六通道所采集的空载电压ΔUi,i=1~6，基于当前量程要求，理论计算每通道目标电压UiMax,i=1~6；然后依据迭代公式调整DA芯片对应第一通道输出，数字电位计对应第一通道输出，再次采集第一通道空载电压，将结果与对应通道目标电压作比较，如果误差较大，将比较误差再次代入迭代公式，计算出新的DA输出值和数字电位计值，通过微处理器更新DA和数字电位计输出，再次采集空载电压，进行比较，如此往复，直到空载电压与目标电压在允许误差范围内，第一通道标定完毕；再次进行第二通道的标定，当六通道全部标定完毕，微控制器发送报文至人机界面，操作人员通过观测人机界面，结束标定过程。
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