CN106644253B - 用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置 - Google Patents

用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，所述方法包括在三维力传感器的三个方向加载恒定重量，分别测量并记录传感器三个通道的输出电压，得到解耦矩阵方程；通过解耦矩阵方程求出各方向的实际受力，并采用力信号的自适应惯性滤波方法，对干扰信号进行滤波处理，从而得到实时有效的接触力信号；再通过信号放大器转换进入运动控制器，完成解耦与滤波处理。本发明还提供了实现该方法的装置，该装置的控制部分包括的PC主机、嵌入式控制器、端子板、信号放大器、三维力传感器、伺服驱动器和三坐标驱动及传动机构，该装置的机械部分包括安装在工作台架上三坐标驱动及传动机构的x轴、y轴、z轴三个方向运动机构和传感器装夹架、加工工具。

Description

用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置
技术领域
本发明属于机器人加工应用技术领域，涉及一种力传感器的解耦标定及滤波方法，具体涉及一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法与装置。
背景技术
在力控制磨削中，经常用三维力传感器作为测量接触力的方法，由于三维力传感器没有检测力矩的通道，只能在固定点受力，即如果三维力传感器的受力点发生改变，则必须重新进行标定，否则由于力矩产生的输出电压误差就会叠加到各轴的测量力上，从而导致三个轴的测量值都不准确，因此，在使用电阻应变式三维力传感器之前，需要对受力点的解耦矩阵进行标定。力传感器在使用的过程中不可避免的要受到外部干扰的影响，在实时力反馈控制中，如果直接用输出信号进行反馈，会导致系统振荡甚至不稳定，所以需要对力信号进行滤波，在实时系统中，滤波过程既要去掉大部分噪声又要计算简单容易实现。
发明内容
本发明为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，该方法计算简单、易于控制、通用性强。
本发明所提供的技术方案是，一种用于恒力磨削的三维力传感器 解耦标定及滤波方法，该方法包括以下步骤：
1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；
2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程就能求出各方向的实际受力；
3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；
4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；
5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理。
进一步地，所述步骤1具体包括：
步骤11)、在三维力传感器的受力点附近的三个方向悬挂已知重量的砝码，分别测量三个通道的输出电压，得到矩阵方程：
其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；
步骤12)、根据步骤11)的矩阵方程，求解出解耦矩阵C＝V-1·F， 并将该矩阵用于三维力传感器的测量中。
进一步地，所述步骤4具体包括：
步骤41)、由于步骤12)所述的三维传感器信号中有噪声的影响，采用自适应惯性滤波策略进行滤波处理，其中滤波参数调整策略为：
其中，s1和s2表示连续两次采样信号的变化方向，Δ表示滤波系数的调整速度，M表示信号变化阀值；
步骤42)、根据步骤41)的滤波参数调整方法，得到的惯性滤波为：
y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)
其中，α(k)表示k时刻的滤波系数，y(k)和y(k-1)分别表示当前时刻和上一时刻的滤波值，x(k)表示当前时刻的采样值。
本发明还提供了实现所述用于恒力控制磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的装置，所述装置包括控制部分和机械部分；其中控制部分有：PC主机、嵌入式控制器、端子板、信号放大器、三维力传感器、伺服驱动器和三坐标驱动及传动机构，其中机械部分主要包括：工作台架、x轴方向运动机构、y轴方向运动机构、z轴方向运动机构、传感器装夹架、加工工具；
所述三坐标驱动及传动机构分别由x轴、y轴、z轴三个方向运动机构组成，x轴方向运动机构固定在工作台架上，y轴方向运动机构固定在x轴方向运动机构的滚珠滑块上，z轴方向运动机构固定在y轴方 向运动机构的滚珠滑块上，三个方向运动机构分别通过各自伺服电机连接的滚珠丝杠，驱动各自滚珠丝杠上安装的滚珠滑块移动；与所述z轴滚珠滑块连接固定的传感器装夹架上，装有三维力传感器；三维力传感器的测力面与末端为球形的加工工具连接。
所述控制部分的三维力传感器与信号放大器通过信号导线与连接，信号放大器通过串口与PC主机连接，信号放大器输出数字量力信号到PC主机，在PC主机上进行显示和记录实时测量的力信号；将记录的力信号利用三维力传感器解耦标定算法的步骤1，计算出解耦矩阵，并利用步骤4的自适应惯性滤波算法，得到滤波之后的测量力信号。
本发明所述的解耦标定及滤波方法能简单有效的实现对三维力的解耦标定及精确滤波，避免了由于三维力传感器的耦合效应或噪声导致测量不准确的现象，从而实现在恒力控制中对接触力信号的精确及有效的测量。
附图说明
图1为本发明的实现用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的装置示意图；
图2为本发明的控制系统示意图；
图3为本发明的三维力传感器在不同受力点的示意图；
图4为本发明的三维力传感器解耦标定效果图；
图5为本发明的自适应惯性滤波结果图。
图中：1.PC主机，2.嵌入式控制器，3.端子板，4.信号放大器，5. 三维力传感器，6.伺服驱动器，7.三坐标驱动及传动机构，8.工作台架，9.x轴方向运动机构，10.y轴方向运动机构，11.z轴方向运动机构，12.传感器装夹架，13.加工工具，14.滚珠滑块，15.伺服电机，16.滚珠丝杠。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，
本发明用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，该方法包括以下步骤：
1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；
2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程求出各方向的实际受力；
3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；
4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；
5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理。
本发明步骤1)具体包括：
步骤11)、在三维力传感器的受力点附近的三个方向悬挂已知重量的砝码，分别测量三个通道的输出电压，得到矩阵方程：
其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；
步骤12)、根据步骤11)的矩阵方程，求解出解耦矩阵C＝V-1·F，并将该矩阵用于三维力传感器的测量中。
本发明步骤4)具体包括：
步骤41)、由于步骤12)所述的三维传感器信号中有噪声的影响，采用自适应惯性滤波策略进行滤波处理，其中滤波参数调整策略为：
其中，s1和s2表示连续两次采样信号的变化方向，Δ表示滤波系数的调整速度，M表示信号变化阀值。
步骤42)、根据步骤41)的滤波参数调整方法，得到的惯性滤波为：
y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)
其中，α(k)表示k时刻的滤波系数，y(k)和y(k-1)分别表示当前时刻和上一时刻的滤波值，x(k)表示当前时刻的采样值。
本发明用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的装 置，如图1和图2所示，该装置包括控制部分和机械部分；其中控制部分有：PC主机1、嵌入式控制器2、端子板3、信号放大器4、三维力传感器5、伺服驱动器6和三坐标驱动及传动机构7，其中机械部分包括：工作台架8、x轴方向运动机构9、y轴方向运动机构10、z轴方向运动机构11、传感器装夹架12、加工工具13；
本发明三坐标驱动及传动机构7分别由x轴、y轴、z轴三个方向运动机构组成，x轴方向运动机构9固定在工作台架8上，y轴方向运动机构10固定在x轴方向运动机构9的滚珠滑块14上，z轴方向运动机构11固定在y轴方向运动机构10的滚珠滑块14上，三个方向运动机构分别通过各自伺服电机15连接的滚珠丝杠16，驱动各自滚珠丝杠16上安装的滚珠滑块14移动；于所述z轴滚珠滑块14连接固定的传感器装夹架12上，装有三维力传感器5，三维力传感器5的测力面与末端为球形的加工工具13连接；本发明控制部分的三维力传感器5与信号放大器4通过信号导线与连接，信号放大器4通过串口与PC主机1连接，信号放大器4输出数字量力信号到PC主机1，在PC主机1上进行显示和记录实时测量的力信号；将记录的力信号利用三维力传感器解耦标定算法的步骤1，计算出解耦矩阵，并利用步骤4的自适应惯性滤波算法，得到滤波之后的测量力信号。
实施例
本发明的装置用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法的工作步骤：
(1)所使用的三维力传感器为A3D46-20kg的力传感器，量程为20kg，其非线性小于±1％F.S.，重复性小于±0.5％F.S.。由于三维力传感器没有能够检测力矩信息的通道，只能在固定点受力，如果受力点改变，必须重新进行标定，否则会产生力耦合使测得的力值不正确，导致机器人误操作。三维力传感器在不同点的受力情况如图3所示，当在P1点受到X方向的力Fx′时，传感器相当于在O点受到fx的力和mx的扭矩。如果在O点单独作用力fx时输出的电压是vo，而在O点同时作用fx和mx时输出的电压是vp。由于三维力传感器没有测量力矩的通道，由mx产生的变形影响到其他通道的输出电压，使得vo≠vp。而利用公式F＝Covp进行计算的时候，由mx导致的输出电压误差就会叠加到各轴的测量力值上，导致三个轴的测量值都不准确。所以根据以上分析可知，在利用三维力传感器进行其他操作之前，必须先进行解耦标定，而在标定过程中需要在不同位置、不同受力点受力，所以采用了如图1所示的装置，该装置可以将三维力传感器移动到任意位置，三维力传感器可以在各个方向受力。
(2)由(1)的分析可知，对三维力传感器的解耦标定需要传感器在多个方向、多个位置受力，所以设计了如图1和图2所示的装置，该装置主要包括控制部分和机械部分；其中控制部分有：PC主机1、嵌入式控制器2、端子板3、信号放大器4、三维力传感器5、伺服驱动器6和三坐标驱动及传动机构7，其中机械部分包括：工作台架8、x轴方向运动机构9、y轴方向运动机构10、z轴方向运动机构11、传感器装夹架12、加工工具13；
本发明的三坐标伺服运动装置的控制部分包括，如图2所示，嵌 入式运动控制器2、用于通信的端子板3、控制x轴、y轴、z轴的伺服驱动器6以及对应的运动控制软件。其中三维力传感器设备还包括与三维力传感器5连接的信号放大器4，三维力传感器5通过信号导线与信号放大器4连接，信号放大器4通过串口与PC主机1连接，信号放大器4输出数字量力信号到PC主机1，在PC主机上进行显示和记录实时测量的力信号。将三个运动模块按照x轴、y轴、z轴依次连接后，将三坐标伺服运动装置整体安装在工作台架8较高的台面上。安装好三坐标伺服运动装置后，需要将工具和传感器安装到三坐标伺服运动装置的末端，安装步骤如下：首先用螺栓将传感器装夹架12的L型板一端固定在z轴滚珠滑块14上，然后将三维力传感器5的非测力面与L型板的另一端连接，并将三维力传感器5的信号输出线与信号放大器4连接，然后将力传感器5的测力面与末端为球形的工具13用内六角螺栓连接。
(3)如图1所示的加工工具13末端作为解耦标定的受力点，在该受力点附近的三个不同方向上分别加载恒定的重量m，等传感器读数稳定后，分别记录三个通道的输出电压值，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量求平均，得到标定矩阵方程：
其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；
求出矩阵方程的解，得到解耦矩阵C＝V-1·F，通过解耦矩阵，只 需测量三个通道的输出电压就能通过上式得到各个方向的作用力。标定过程中，在受力点处，分别于三个受力方向加载21.76N的力，并测量传感器三个通道输出的电压值，求取电压的平均值，得到解耦矩阵：
为了验证该解耦矩阵能否准确测量各轴的力，在X轴与Y轴之间45°的方向加载12N的力，并在6s左右增加到13.5N。结果如图4所示，在0-5s时X和Y轴的理论值是8.49N，7-13s时X和Y轴的理论值是9.55N；图中5-7s之间的波动是在增加重量时引起的振动。稳定状态时，X和Y轴的测量误差不超过±0.5％F.S.，小于厂家的标定误差±1％F.S.。结果表明，三维力传感器通过标定得到的解耦矩阵能够准确测量各轴的力，且具有较高的精度，满足实际应用要求。
(4)力信号中包含测量误差与干扰信号，需要进行滤波处理。设计滤波器时要考虑到力控制系统中实时性的要求，故采用较简单的惯性滤波，即一阶滞后滤波器。惯性滤波器的传递函数是一个时间常数为T的惯性环节，其简化的离散表达式为：y(k)＝αx(k)+(1-α)y(k-1)
其中，惯性滤波系数0≤α≤1；
为了得到较好的滤波效果，采用自适应惯性滤波方法，该方法的表达式为：
其中，s1和s2表示连续两次采样信号的变化方向，Δ表示滤波系数的调整速度，M表示信号变化阀值。
使用的自适应惯性滤波参数为：初始滤波系数α(0)＝0.2，信号变化阀值M＝0.45，滤波系数的调整速度Δ＝0.25，采样周期为Ts＝0.01。
滤波效果如图5所示，其中上图为滤波信号，下图为滤波系数变化情况。从图中可以看出在0～9s及11～20s的时候，采样信号趋于平稳，α(k)的值在0附近波动，自适应惯性滤波信号也非常平滑，没有产生波动；而在t＝10s左右，采样值朝一个方向出现剧烈变化时，α(k)自动增大，达到α(k)＝0.6左右，滤波值能及时跟踪采样的变化。由图5的结果说明，自适应惯性滤波能够根据实际采样数据调整滤波系数，从而达到灵敏度高且稳定性好的滤波效果。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)根据三维力传感器固定点受力的特点，在受力点附近的三个方向上分别加载恒定的重量，分别测量并记录三个通道的输出电压，为了避免电压矩阵为奇异矩阵，进行多次测量，得到标定矩阵方程；
2)根据步骤1)的标定矩阵方程，求出三维力传感器在该受力点处的解耦矩阵，通过解耦方程求出各方向的实际受力；
3)根据步骤2)求出的解耦矩阵，为了验证该解耦矩阵的有效性，通过在受力点的任意方向施加一个力，对比理论力值与实际测量值，确保实际测量误差满足应用要求；
4)采用力信号的自适应惯性滤波方法，对根据步骤3)得到的力传感器信号中的干扰信号进行滤波处理；
5)根据步骤1)得到的力传感器三个通道的模拟量电压信号，通过信号放大器转换成0～10V的模拟量电压信号，经过端子板的A/D转换模块后，进入运动控制器，并在运动控制器中完成解耦与滤波处理；
所述步骤4)具体包括：
步骤41)、由于三维力传感器测量信号中有噪声的影响，采用自适应惯性滤波策略进行滤波处理，其中滤波参数调整策略为：
其中，s1和s2表示连续两次采样信号的变化方向，△表示滤波系数的调整速度，M表示信号变化阀值；
步骤42)、根据步骤41)的滤波参数调整方法，得到的惯性滤波为：
y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)
其中，α(k)表示k时刻的滤波系数，y(k)和y(k-1)分别表示当前时刻和上一时刻的滤波值，x(k)表示当前时刻的采样值。
2.根据权利要求1所述用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于：所述步骤1)具体包括：
步骤11)、在三维力传感器的受力点附近的三个方向悬挂已知重量的砝码，分别测量三个通道的输出电压，得到矩阵方程：
其中，fx表示X方向加载的力，C是解耦矩阵，vx表示加载力为fx时三个通道的输出电压；
步骤12)、根据步骤11)的矩阵方程，求解出解耦矩阵C＝V-1·F，并将该矩阵用于三维力传感器的测量中。
3.根据权利要求1所述的用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于：实现标定及滤波方法的装置包括控制部分和机械部分；其中控制部分有：PC主机(1)、嵌入式控制器(2)、端子板(3)、信号放大器(4)、三维力传感器(5)、伺服驱动器(6)和三坐标驱动及传动机构(7)，PC主机(1)上加载有自适应惯性滤波算法，其中机械部分包括：工作台架(8)、x轴方向运动机构(9)、y轴方向运动机构(10)、z轴方向运动机构(11)、传感器装夹架(12)、加工工具(13)；
所述三坐标驱动及传动机构(7)分别由x轴、y轴、z轴三个方向运动机构组成，x轴方向运动机构(9)固定在工作台架(8)上，y轴方向运动机构(10)固定在x轴方向运动机构(9)的滚珠滑块(14)上，z轴方向运动机构(11)固定在y轴方向运动机构(10)的滚珠滑块(14)上，三个方向运动机构分别通过各自伺服电机(15)连接的滚珠丝杠(16)，驱动各自滚珠丝杠(16)上安装的滚珠滑块(14)移动；于所述z轴滚珠滑块(14)连接固定的传感器装夹架(12)上，装有三维力传感器(5)，三维力传感器(5)的测力面与末端为球形的加工工具(13)连接。
4.根据权利要求3所述的用于恒力磨削的三维力传感器解耦标定及滤波方法，其特征在于：所述控制部分的三维力传感器(5)与信号放大器(4)通过信号导线与连接，信号放大器(4)通过串口与PC主机(1)连接，信号放大器(4)输出数字量力信号到PC主机(1)，在PC主机(1)上进行显示和记录实时测量的力信号；将记录的力信号利用三维力传感器解耦标定算法的步骤1，计算出解耦矩阵，并利用步骤4的自适应惯性滤波算法，得到滤波之后的测量力信号。
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