CN108284456A - 基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法 - Google Patents

Abstract

基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，涉及传感器测量其载荷所受外力的载荷重力补偿方法。为了解决载荷的重力使传感器测力存在较大误差的问题。本发明首先在机器人的机械手初始位置，测得六维力传感器坐标系下的力与力矩；然后调整机器人的机械手的位置，使得六维力传感器坐标系的y轴与重力方向平行且反向，六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩；基于力与力矩关系计算载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置；在机器人完成作业任务的过程中，通过六维力传感器测得实际的力并计算力矩，基于载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置，对六维力传感器测得的数据进行校正。本发明用于传感器测力的载荷重力补偿。

Description

基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法

技术领域

本发明涉及一种传感器测力的补偿方法，具体涉及一种传感器测力的重力补偿方法。

背景技术

在航空航天以及工业生产、装配领域，经常会利用机器人进行部件装配或搬运等操作，在利用机器人进行上述作业时，需要测量机器人末端所夹持的负载所受的外力，以保证作业过程的准确性与安全性。

目前，测量外力大部分的解决办法是在受力点放置力传感器，点对点的测力，问题在于只能测量单一位置单一方向的力，对于测量可能来自任意方向、任意大小作用在末端载荷任意部位的力，不可能在受力物体上遍布传感器，这是无法实现的。对于这种测量任意受力点、任意方向、任意大小的力时，需要在载荷的夹持部位放置六维力传感器，通过六个力信息换算得到物体所受外力大小。这里存在一个问题，六维力传感器在测力的时候，测量的是物体所受外力和物体自身重力的矢量和，尤其是当物体自身重力较大时，单从六维力传感器的测量数据中，无法得到物体所受的真实外力。

发明内容

本发明为了解决六维力传感器的测量数据中存在载荷的重力影响造成传感器测力数据存在较大误差的问题。

基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、在机器人的机械手初始位置(机械手末端连接六维力传感器，传感器末端连接载荷)，六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩：F_x0、F_y0、F_z0、M_x0、M_y0、M_z0；

F_x0、F_y0、F_z0分别为初始位置对应测得的力在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；M_x0、M_y0、M_z0分别为初始位置对应测得的力矩在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；

步骤2、调整机器人的机械手的位置，使得六维力传感器坐标系的y轴与重力方向平行且反向；六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩：F_x00、F_y00、F_z00、M_x00、M_y00、M_z00；此时，F_x00＝F_z00＝0，F_y00＝-G，M_y00＝0；

F_x00、F_y00、F_z00分别为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；

M_x00、M_y00、M_z00分别为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力矩在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；

步骤3、计算载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)；

基于步骤1和步骤2中的力与力矩，根据力与力矩的关系得到：

在此之前载荷都没有受到外力。

步骤4、重力补偿：

在机器人进行作业任务的过程中，机械手在任意位置，通过六维力传感器测得F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z；

载荷的重力在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量分别为F_x′、F_y′、F_z′如下：

F_x′＝Gcos(φ)

F_y′＝Gcos(θ)

F_z′＝Gcos(ψ)

其中，φ、θ、ψ分别为重力与六维力传感器坐标系x、y、z轴的夹角；

基于F_x′、F_y′、F_z′以及载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)，根据力与力矩的关系计算得到载荷的重力力矩在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量M_x′、M_y′、M_z′；

对六维力传感器测得的数据进行校正得到：

从而完成对传感器测力的重力补偿。

进一步地，步骤3中所述的力与力矩的关系如下：

M_x″＝F_z″×y_c″-F_y″×z_c″

M_y″＝F_x″×z_c″-F_z″×x_c″

M_z″＝F_y″×x_c″-F_x″×y_c″

F_x″、F_y″、F_z″分别为立体坐标系三个坐标轴上的力；M_x″、M_y″、M_z″分别为立体坐标系三个坐标轴上的力矩；(x_c″,y_c″,z_c″)分别为力的重心在立体坐标系的位置坐标。

进一步地，步骤4所述的根据力与力矩的关系与步骤3中所述的力与力矩的关系相同。

进一步地，步骤4所述的根据力与力矩的关系计算得到载荷的重力力矩在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量M_x′、M_y′、M_z′具体如下

本发明具有以下有益效果：

在六维力传感器的使用过程中，末端载荷的重力会对测得的末端载荷所受外力准确性产生极大误差。通过本发明对传感器测力进行重力补偿，消除了载荷重力的影响，能够得到机器人机械手所夹持载荷所受的外力的真实情况，补偿后的值与机械手所夹持载荷所受的外力的真实情况的误差几乎为0，从而极大地减小了机械手夹持物体进行作业时存在的误差，进而保证机械手的对接安装、搬运等作业任务。

附图说明

图1为六维力传感器坐标系示意图；

图2为机器人的机械手初始位置，六维力传感器坐标系相对于大地坐标系的位置关系示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：

建立六维力传感器坐标系，其z轴与机器人第六轴轴心共线；六维力传感器坐标系如图1所示；

重力补偿就是将传感器数据在六维力传感器坐标系三个力分量上减去载荷重力在三个坐标轴上的力分量，在三个转矩分量上减去载荷重力在三个坐标轴上的转矩分量，即可完成重力补偿，如式(1)；

M_x′＝F_z′×y_c-F_y′×z_c

M_y′＝F_x′×z_c-F_z′×x_c

M_z′＝F_y′×x_c-F_x′×y_c

其中：F_xx、F_yy、F_zz分别为补偿后的三个坐标轴上的力，即消除了重力影响的三个坐标轴上的力；

M_xx、M_yy、M_zz分别为补偿后的三个坐标轴上的力矩，即消除了重力影响的三个坐标轴上的力矩；

F_x、F_y、F_z分别为补偿前实际测量到的三个坐标轴上的力；

M_x、M_y、M_z分别为补偿前实际测量到的三个坐标轴上的力矩；

F_x′F_y′F_z′分别为载荷重力在三个坐标轴上的分量；

M_x′、M_y′、M_z′分别为载荷重力在三个坐标轴上上产生的力矩；

x_c、y_c、z_c分别为载荷的重心坐标；

六维力传感器可以实际测得的物理量为F_x、F_y、F_z、M_x、M_y和M_z，而F_x′、F_y′、F_z′是由重力投影得到的，M_x′、M_y′、M_z′分别是由F_x′、F_y′、F_z′与重心坐标计算得到的，除了x_c、y_c、z_c的其他信息容易获得，所以本问题的关键在于求取载荷的重心坐标(x_c,y_c,z_c)。

根据立体坐标系中力与力矩的关系，有

F_x″、F_y″、F_z″分别为立体坐标系三个坐标轴上的力；M_x″、M_y″、M_z″分别为立体坐标系三个坐标轴上的力矩；(x_c″,y_c″,z_c″)分别为力的重心在立体坐标系的位置坐标。

公式(2)是力与力矩关系的标准公式，可以利用式(2)来解析载荷的重心位置(将对应物理量的值带入公式(2)对应的物理量参数)，则式(2)中x_c″,y_c″,z_c″为未知量，从数学角度上方程(2)无解。故需要消除一个未知量，所以可以通过标定得到重心位置，进而完成传感器测力重力的补偿。

基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、如图2所示，在机器人的机械手初始位置(任意位置)，六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩：F_x0、F_y0、F_z0、M_x0、M_y0、M_z0；

F_x0为初始位置对应测得的力在六维力传感器坐标系x轴的分量；

F_y0为初始位置对应测得的力在六维力传感器坐标系y轴的分量；

F_z0为初始位置对应测得的力在六维力传感器坐标系z轴的分量；

M_x0为初始位置对应测得的力矩在六维力传感器坐标系x轴的分量；

M_y0为初始位置对应测得的力矩在六维力传感器坐标系y轴的分量；

M_z0为初始位置对应测得的力矩在六维力传感器坐标系z轴的分量；

步骤2、调整机器人的机械手的位置，使得六维力传感器坐标系的y轴与重力方向平行且反向；六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩：F_x00、F_y00、F_z00、M_x00、M_y00、M_z00；此时，F_x00＝F_z00＝0，F_y00＝-G，M_y00＝0；

F_x00为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力在六维力传感器坐标系x轴的分量；

F_y00为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力在六维力传感器坐标系y轴的分量；

F_z00为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力在六维力传感器坐标系z轴的分量；

M_x00为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力矩在六维力传感器坐标系x轴的分量；

M_y00为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力矩在六维力传感器坐标系y轴的分量；

M_z00为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力矩在六维力传感器坐标系z轴的分量；

实际也可以使得六维力传感器坐标系的y轴与重力方向平行且同向，此时对应的F_y00＝G，后面的计算方式相同；

步骤3、计算载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)；

基于步骤1和步骤2中的力与力矩，根据力与力矩关系得到：

步骤4、重力补偿：

在机器人进行作业任务的过程中，机械手在任意位置，通过六维力传感器测得F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z；

载荷的重力在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量分别为F_x′、F_y′、F_z′如下：

F_x′＝Gcos(φ)

F_y′＝Gcos(θ)

F_z′＝Gcos(ψ)

其中，φ、θ、ψ分别为重力与六维力传感器坐标系x、y、z轴的夹角；

基于F_x′、F_y′、F_z′以及载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)，根据力与力矩的关系计算得到载荷的重力力矩在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量M_x′、M_y′、M_z′；

M_x′＝F_z′×y_c-F_y′×z_c

M_y′＝F_x′×z_c-F_z′×x_c

M_z′＝F_y′×x_c-F_x′×y_c

对六维力传感器测得的数据进行校正得到：

从而完成对传感器测力重力补偿。

实施例

在实际例子中，通过本发明计算出载荷重力和重心位置，并利用该重力大小和重心位置计算任意姿态的重力分量，结果如表1和表2所示。

表1

表1中，负载重心计算误差进行了两次实际测量，理论值为经过理论计算得到的数据，实际值为经过本发明计算得到的数据。

表2

表2中数据是由本发明实际作业实验得到的，理论值为理论计算得到的数据，重力对力和力矩的影响理论应该为0，但是实际上重力的影响是不能完全消除的，实际值为补偿后得到实际测量数据(本发明对重力的影响进行补偿后能够达到的数据)，误差为理论值和实际值的差值。重力补偿计算误差进行了三次实际测量。负载的重力在1000N左右，三次测量补偿误差在某方向上最大为11.7N，其余多数在1N以下。

Claims (4)

1.基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在机器人的机械手初始位置，六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩：F_x0、F_y0、F_z0、M_x0、M_y0、M_z0；

F_x0、F_y0、F_z0分别为初始位置对应测得的力在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；M_x0、M_y0、M_z0分别为初始位置对应测得的力矩在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；

步骤2、调整机器人的机械手的位置，使得六维力传感器坐标系的y轴与重力方向平行且反向；六维力传感器测得六维力传感器坐标系下的力与力矩：F_x00、F_y00、F_z00、M_x00、M_y00、M_z00；此时，F_x00＝F_z00＝0，F_y00＝-G，M_y00＝0；

F_x00、F_y00、F_z00分别为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；

M_x00、M_y00、M_z00分别为六维力传感器坐标系y轴与重力方向平行时对应测得的力矩在六维力传感器坐标系x轴、y轴、z轴的分量；

步骤3、计算载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)；

基于步骤1和步骤2中的力与力矩，根据力与力矩的关系得到：

步骤4、重力补偿：

在机器人进行作业任务的过程中，机械手在任意位置，通过六维力传感器测得F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z；

载荷的重力在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量分别为F′_x、F′_y、F′_z如下：

F′_x＝Gcos(φ)

F′_y＝Gcos(θ)

F′_z＝Gcos(ψ)

其中，φ、θ、ψ分别为重力与六维力传感器坐标系x、y、z轴的夹角；

基于F′_x、F′_y、F′_z以及载荷的重力重心在六维力传感器坐标系下的位置(x_c,y_c,z_c)，根据力与力矩的关系计算得到载荷的重力力矩在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量M′_x、M′_y、M′_z；

对六维力传感器测得的数据进行校正得到：

从而完成对传感器测力的重力补偿。

2.根据权利要求1所述的基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，其特征在于，步骤3中所述的力与力矩的关系如下：

M″_x＝F″_z×y″_c-F″_y×z″_c

M″_y＝F″_x×z″_c-F″_z×x″_c

M″_z＝F″_y×x″_c-F″_x×y″_c

F″_x、F″_y、F″_z分别为立体坐标系三个坐标轴上的力；M″_x、M″_y、M″_z分别为立体坐标系三个坐标轴上的力矩；(x″_c,y″_c,z″_c)分别为力的重心在立体坐标系的位置坐标。

3.根据权利要求2所述的基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，其特征在于，步骤4所述的根据力与力矩的关系与步骤3中所述的力与力矩的关系相同。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于降维解析的传感器载荷外力测量中的重力补偿方法，其特征在于，步骤4所述的根据力与力矩的关系计算得到载荷的重力力矩在六维力传感器坐标系下的三坐标下的分量M′_x、M′_y、M′_z具体如下：