CN108731875B - 一种六维力传感器标定装置及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六维力传感器标定装置及其标定方法，该装置通过将六维力传感器装载在标定加载板与标定台底座之间，并采用至少一个力加载装置对标定加载板施加压力，能够实现对六维力传感器进行标定；以加压装置作为加载力源，一方面加载力大，适用于对大载荷的六维力传感器进行加载标定；另一方面，加压装置也能够实现六维力的连续线性加载；另外，该装置只需设置两个力加载装置，并通过调整加载力的方向，即可实现各维力和力矩分量单独加载标定和六维力分量混合加载，有效减少了加载力源的数量，降低结构的复杂性。该装置结构简单，方便拆卸组合，能够灵活的对六维力传感器进行标定。

Description

一种六维力传感器标定装置及其标定方法

技术领域

本发明属于传感器标定技术领域，具体涉及一种六维力传感器标定装置及其标定方法。

背景技术

六维力传感器可以同时测量空间内三维力和三维力矩信息，在国防科技、汽车电子、机械加工等各个领域有着广泛的应用。在航空航天领域，六维力传感器可用于飞行模拟器风洞试验，也可用于测量直升机的旋翼升力。六维力传感器加工好后，需要对传感器进行标定，确定传感器的输入与输出之间的关系，标定加载装置的精度对传感器的测量精度有直接影响，因此研究标定加载精度高的标定装置具有很大的应用前景。

目前国内六维力传感器的标定加载装置主要有砝码式、龙门式、测力环式、Stewart平台式等。

专利CN102749168B公开了一种砝码式无耦合六维力传感器的组合式标定装置,采用杠杆原理和滑轮组控制施加标定加载力的方向，实现各个方向单维力的单独标定,由于采用砝码作为加载力源，标定加载力的量程较小，同时不能实现连续加载，仅适用于中小量程的六维力传感器的标定。专利CN1727861A公开了一种龙门式支撑六维力传感器标定装置,它采用滑轮升降式加载绳索连接加载减速机，通过调节滑轮位置可实现对六维力传感器的广义加载标定,但加载绳索与水平面之间的角度和待标定传感器之间的相对位置难以保证足够的精度,从而影响标定精度。公开号CN104280187A的专利申请公开了一种基于Stewart平台的六维力传感器标定装置，采用六个电动推缸作为加载力源。它可以实现空间任意六维力加载，标定装置与待标定传感器进行一次装夹即可进行试验，具有结构紧凑的优点，但是在任意六维力加载时，必须六个电动推缸一起动作，所需电动推缸较多，布局困难，同步控制复杂。

综上所述,现有的六维力传感器标定装置尚存在标定加载力范围较小，标定力和力矩精度不高、所需加载力源较多而标定加载装置结构复杂的问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种六维力传感器标定装置，该标定装置仅通过两个加载力源即可实现各维力和力矩分量单独加载和六维力分量混合加载，同时满足较大范围的标定加载力和力矩的需求。

技术方案：本发明所述的一种六维力传感器标定装置，包括标定台底座、标定加载板以及至少一个力加载装置，所述标定加载板位于所述标定台底座的上方，标定加载板与标定台底座之间形成六维力传感器的置放空间；所述力加载装置包括加压装置、用以固定加压装置的固定装置、连接件以及标准单维力传感器，所述加压装置的执行端通过所述连接件可拆卸的连接于所述标准单维力传感器的受力端，加压装置用以对标准单维力传感器施加压力或拉力；所述标定加载板在围绕标定加载板的中心轴线的同心圆周上设置有与所述力加载装置连接的加载块，所述加载块连接在标准单维力传感器的另一端用以将力加载装置加载的力沿着标准单维力传感器的中心轴线的方向传递到标定加载板上。

有益效果：本发明通过设置标定台底座与标定加载板，且两者之间形成六维力传感器的置放空间，采用至少一个力加载装置对标定加载板加载不同方向的力，可以实现对六维力传感器进行标定；同时，以加压装置作为加载力源，加载力大，从而适用于对大载荷的六维力传感器进行加载标定；并且，通过线性调节加压装置施加的力，能够实现六维力的连续线性加载。该装置仅需要通过设置两个力加载装置，并调整加载力的方向，即可实现各维力和力矩分量单独加载标定和六维力分量混合加载，有效减少了加载力源的数量，降低结构的复杂性。该装置结构简单，方便拆卸组合，能够灵活的对六维力传感器进行标定。

进一步的，为了便于对力加载装置加载的力进行计算，所述单维力传感器的中心轴线与所述标定加载板所在平面的夹角可选取0°、15°、30°、45°和90°中的任一角度。

更具体的，所述标准单维力传感器的中心轴线平行或垂直相交或斜交于所述标定加载板的中心轴线，或者所述标准力传感器的中心轴线沿着所述同心圆周的切线方向延伸。

而本发明所述的一种使用上述六维力传感器标定装置对六维力传感器进行标定的标定方法，采用如下技术方案：

设该六维力传感器标定装置位于三维坐标系中，标定加载板的中心轴线限定三维坐标系的Y轴，三维坐标系的X轴和Z轴在标定加载板所在平面上延伸；

当标定六维力传感器沿X轴正向或者负向的力时，设置一个所述力加载装置，所述标准单维力传感器的中心轴线与所述标定加载板的中心轴线垂直相交；

当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力时，或者当标定六维力传感器沿Z轴正向或者负向力矩时，设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置围绕标定加载板的中心轴线对称，所述标准单维力传感器的中心轴线平行于所述标定加载板的中心轴线；

当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力矩时，设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置围绕标定加载板的中心轴线对称，所述标准单维力传感器的中心轴线沿着所述加载块所在的同心圆周的切线方向延伸。

有益效果：通过本发明所述的标定方法，该装置仅需要通过设置两个力加载装置，并调整加载力的方向，即可实现对六维力传感器的各维力和力矩分量单独加载标定和六维力分量混合加载。该标定方法操作简单，有效减少了加载力源的数量，降低标定装置结构的复杂性。

附图说明

图1是本发明六维力传感器标定装置的结构示意图，其中加载有六维力传感器；

图2是本发明力加载装置的连接件的结构示意图；

图3是本发明的实施例中连接件的接头块的结构剖视图；

图4是图3中接头块沿A向的结构示意图；

图5是本发明的实施例中连接件的圆柱推杆示意图；

图6是本发明的实施例中连接件的端盖结构示意图；

图7是实施例中六维力传感器X正向标定力加载示意图；

图8是实施例中六维力传感器Y负向标定力加载及Z正向标定力矩加载示意图；

图9是实施例中六维力传感器Y正向标定力矩加载示意图；

图10是实施例中六维力传感器任意六维标定力加载示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上方”、“上表面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，一种六维力传感器标定装置，该装置包括标定台底座1、标定加载板2以及至少一个力加载装置3。其中，标定加载板2位于所述标定台底座1的上方。本实施例中，标定加载板2平行于标定台底座1的上表面。标定加载板2与标定台底座1之间形成六维力传感器100的置放空间。

力加载装置包括加压装置3、用于固定加压装置3的固定装置4、标准单维力传感器5和连接件6。固定装置4采用可拆卸的方式安装在标定台底座1上，加压装置3安装在固定装置4上，通过固定装置4将其固定。加压装置3的执行端与标准单维力传感器5的受力端通过连接件6以可拆卸的方式连接。当加压装置3的执行端、连接件6、标准单维力传感器5的受力端连接时，加压装置3能够通过将执行端伸出或收缩对标准单维力传感器5施加压力或者拉力。具体的，加压装置3可以采用液压缸或者气缸，为了能够在加载更大的力的同时保持加载力的连续性，本实施例中选择液压缸作为加压装置3为该标定装置提供加载力源，通过调节液压缸溢流阀的压力，能够实现六维力的连续线性加载。

为了便于该装置的装配组合，所述连接件6为可拆卸结构，具体的，请一并参阅图2～图6。本实施例中，连接件6包括接头块61、端盖62以及圆柱推杆63。接头块61在其一端设置有与加压装置3的执行端配合连接的第一盲孔61a，盲孔61a具有内螺纹，同时，执行端具有外螺纹，两者通过螺纹配合连接。接头块61的另一端具有与第一盲孔61a同轴的第二盲孔61b，且第二盲孔61b周围设置有若干螺栓孔64，同时端盖62上在相应位置也设置有螺栓孔64，从而接头块61与端盖62能够通过螺栓可拆卸的连接。当接头块61与端盖62两者连接时，第二盲孔61b在两者之间构成收容腔。而所述圆柱推杆63具有圆柱端63a和同轴连接所述圆柱端63a的螺杆63b，所述圆柱端63a置放于所述收容腔内。为了使连接件6的结构稳定，可以设置圆柱端63a的直径和第二盲孔61b的直径一致，圆柱端63a的厚度和收容腔的厚度一致。端盖62上还设置有通孔62a，所述螺杆63b自所述通孔62a贯穿所述端盖62并与所述单维力传感器5螺纹连接。

而更进一步的，为了标定时加压装置3能够对标准单维力传感器5施加更为精确且连续的力，所述加压装置3的执行端、所述连接件6以及所述标准单维力传感器5位于同一轴线上，从而加压装置3用以能够沿着所述标准单维力传感器5的中心轴线的方向对标准单维力传感器5施加压力或拉力。

标定加载板2在围绕标定加载板2的中心轴线的同心圆周上设置有与所述力加载装置连接的加载块7。加载块7连接在标准单维力传感器5的另一端用以将力加载装置加载的力沿着标准单维力传感器5的中心轴线的方向传递到标定加载板2上。为了实现这一目的，加载块7需构造成能够沿直线方向做力的传导的形状，且其传力的方向垂直于加载块7与标准单维力传感器5的连接面，即当加压装置3伸缩施加压力或拉力时，加载块7能够将接收到的来自标准单维力传感器5的力沿着标准单维力传感器5的中心轴线的方向传导。

具体的，所述标定加载板2具有围绕标定加载板2的中心轴线在同心圆周上对称布置的若干个加载螺纹孔21，加载块7通过螺栓连接在所述加载螺纹孔21上。本实施例中，标定加载板2上共设置有八个可以装配加载块7的位置。设该六维力传感器标定装置位于三维坐标系中，以所述标定加载板的中心轴线限定三维坐标系的Y轴，三维坐标系的X轴和Z轴在标定加载板2所在平面上延伸，将其中一个位置设定在X轴上，其他七个位置与标定加载板2中心的连线与X轴的夹角分别为30°，90°，120°，180°，240°，270°，330°。每个位置设置两个加载螺纹孔21，这两个加载螺纹孔21的圆心连线的中点位于以标定加载板2中心为圆心的同心圆上。

而为了实现对六维力传感器100的标定，同时也为了便于调整和计算力源加载的方向和角度，本发明可设置有不同型号的加载块7。这些不同型号的加载块7因为其构造不同，能够将力加载装置施加的力沿着与所述标定加载板2所在平面的夹角为0°、15°、30°、45°和90°中的任一角度传递至标定加载板2上。由于力的传递方向是沿着标准单维力传感器5的中心轴线的方向，所以，所述标准单维力传感器5的中心轴线与标定加载板2所在平面的夹角为0°、15°、30°、45°和90°中的任一角度。

更为具体的是，所述标准单维力传感器5的中心轴线平行或垂直相交或斜交于所述标定加载板2的中心轴线，或者所述标准力传感器5的中心轴线沿着所述加载块7所在的同心圆周的切线方向延伸。根据需要选择性的调整加载力的位置以及方向，从而可以实现六维力的各个分力的单独加载，以及任一六维力的组合加载，实现用标准的广义六维力去标定六维力传感器100。

为了与标准单维力传感器5始终保持同轴，所述加压装置3也的应有不同的倾斜角度，因此，固定装置4的构造或者与加压装置3的连接结构需要根据加压装置3的倾斜角度以及位置的不同而做出变换。本实施例中，可以在标定台底座1上相应的设置多个装配位置，液压固定装置4可以根据需要安装在标定台底座1的不同装配位置上。

在标定时，本发明通过调节加压装置3的压力，使单维力传感器5输出力达到目标值，根据当前加载块7的类型及安装位置，可以计算出当前标定加载板2上的加载力。

下面以标定Stewart平台六维力传感器为例，对本发明的六维力传感器标定装置及其标定的方法做进一步详细说明。

设该六维力传感器标定装置位于三维坐标系中，以所述标定加载板的中心轴线限定三维坐标系的Y轴，三维坐标系的X轴和Z轴在标定加载板2所在平面上延伸。

如图7所示，当标定六维力传感器100沿X轴正向或者负向的力时。将待标定六维力传感器100固定在标定台底座1和标定加载板2之间，此时只需设置一个力加载装置，标定加载板2上对应安装一个加载块7。将力加载装置各个部件连接固定后，所述标准单维力传感器5的中心轴线与所述标定加载板2的中心轴线垂直相交。通过加压装置3的执行端也即液压缸的活塞杆的伸出或缩回带动与标准单维力传感器5相连接的连接件6运动，将力施加给标准单维力传感器5,从而将加压装置3的执行端施加的压或拉力准确的施加于标定加载板2上，完成对六维力传感器100沿X正向或者负向标定力的加载。相应的，沿Z轴正、负向标定力加载,与上述方法相同,通过加压装置3的执行端的伸出与缩回带动与标准单维力传感器5相连接的连接件6运动,完成相应的标定力加载。

如图8所示，当标定六维力传感器100沿Y轴正向或者负向的力时。将待标定六维力传感器100固定在标定台底座1和标定加载板2之间，此时需设置两个力加载装置，所述两个力加载装置围绕标定加载板的中心轴线对称。同样的，需设置两个加载块7，并将两个加载块7一一对应与所述力加载装置连接。将力加载装置各个部件连接固定后，所述标准单维力传感器5的中心轴线平行于所述标定加载板2的中心轴线，即标准单维力传感器5的中心轴线与标定加载板2所在平面的夹角为90°。通过两个加压装置3的执行端同时伸出或同时缩回带动与标准单维力传感器5相连接的连接件6运动,在保证两个加压装置3同时动作同等加载力的前提下，从而将加压装置3的执行端施加的推力或拉力准确的施加于标定加载板2上，完成对六维力传感器100沿Y轴正向或者负向标定力的加载。

再次参阅图8，当标定六维力传感器100沿Z轴正向或负向力矩时，与上述标定装置相同，将待标定六维力传感器100固定在标定台底座1和标定加载板2之间，此时需设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置围绕标定加载板的中心轴线对称。同样的，需设置两个加载块7，并将两个加载块7一一对应与所述力加载装置连接。将力加载装置各个部件连接固定后，所述标准单维力传感器5的中心轴线平行于所述标定加载板2的中心轴线，即标准单维力传感器5的中心轴线与标定加载板2所在平面的夹角为90°。将其中一个加压装置3的执行端伸出，另一个加压装置3的执行端缩回；分别带动标准单维力传感器5运动，使两个加载块7分别受到压力和拉力，其受力大小相同，受力方向相反，从而完成对六维力传感器100沿Z轴正向或者负向标定力矩加载。沿X轴正、负向标定力矩的加载,与上述方法相同,通过两个加压装置3的执行端的伸出与缩回带动与标准单维力传感器5相连接的连接件6运动,完成相应的标定力加载。

如图9所示，当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力矩时，将待标定六维力传感器100固定在标定台底座1和标定加载板2之间，此时需设置两个力加载装置，所述两个力加载装置关于标定加载板2的中心轴线中心对称。同样，在标定加载板2上围绕中心轴线在同心圆周上设置与所述两个力加载装置一一对应连接的两个加载块7。将力加载装置各个部件连接固定后，所述标准单维力传感器5的中心轴线沿着所述加载块7所在的同心圆周的切线方向延伸。通过将两个加压装置3的执行端同步伸出或缩回，在保证两个加压装置3同时动作同等加载力的前提下，带动与标准单维力传感器5相连接的连接件6运动,从而完成对六维力传感器100的沿Y正向或负向标定力矩的加载。

如图10所示，当标定六维力传感器100的任意六维力时，将六维力传感器100固定于标定台底座1和标定加载板2之间，此时只需设置两个力加载装置，同样标定加载板2上一一对应设置有两个加载块7，并且两个所述力加载装置以及两个加载块7对应连接并加载在任意的两个装配位置。本例中，当各部件装配完成后，两个单维力传感器5的中心轴线均斜交于所述标定加载板2的中心轴线，且两个单维力传感器5的中心轴线与标定加载板2的夹角为0°、15°、30°、45°和90°中的任一角度。通过两个加压装置3的执行端的伸出或缩回带动与标准单维力传感器5连接的连接件6运动，从而完成对六维力传感器的六维标定力的加载。相应的，可参考该例，采用多种组合方式对力加载装置的加载方向和加载位置进行选择，从而实现对六维力传感器100的任意六维标定力的加载。

该装置结构简单，可根据需要选择不同的组合方式，能够灵活的对六维力传感器进行标定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种六维力传感器标定装置，其特征在于，包括标定台底座、标定加载板以及至少一个力加载装置，所述标定加载板位于所述标定台底座的上方，标定加载板与标定台底座之间形成六维力传感器的置放空间；所述力加载装置包括加压装置、用以固定加压装置的固定装置、连接件以及标准单维力传感器，所述加压装置的执行端通过所述连接件可拆卸的连接于所述标准单维力传感器的受力端，加压装置用以对标准单维力传感器施加压力或拉力；所述标定加载板在围绕标定加载板的中心轴线的同心圆周上设置有与所述力加载装置连接的加载块，所述加载块连接在标准单维力传感器的另一端用以将力加载装置加载的力沿着标准单维力传感器的中心轴线的方向传递到标定加载板上；

所述标准单维力传感器的中心轴线与所述标定加载板所在平面的夹角为0°、15°、30°、45°和90°中的任一角度；

所述标准单维力传感器的中心轴线平行或垂直相交或斜交于所述标定加载板的中心轴线，或者所述标准力传感器的中心轴线沿着所述加载块所在的同心圆周的切线方向延伸；

设该六维力传感器标定装置位于三维坐标系中，所述标定加载板的中心轴线限定三维坐标系的Y轴，三维坐标系的X轴和Z轴在标定加载板所在平面上延伸；当标定六维力传感器沿X轴正向或者负向的力时，设置一个所述力加载装置，所述标准单维力传感器的中心轴线与所述标定加载板的中心轴线垂直相交；

当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力时，或者当标定六维力传感器沿Z轴正向或者负向力矩时，设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置围绕标定加载板的中心轴线对称，所述标准单维力传感器的中心轴线平行于所述标定加载板的中心轴线。

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，当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力矩时，设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置关于标定加载板的中心轴线中心对称，所述标准单维力传感器的中心轴线沿着所述加载块所在的同心圆周的切线方向延伸。

3.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，所述加压装置的执行端、所述连接件以及所述标准单维力传感器位于同一轴线上，加压装置用以沿着所述标准单维力传感器的中心轴线的方向对标准单维力传感器施加压力或拉力。

4.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，所述连接件包括接头块、端盖以及圆柱推杆，所述接头块的一端与所述加压装置的执行端连接，接头块的另一端与所述端盖可拆卸连接，且接头块与端盖之间构成收容腔；所述圆柱推杆具有圆柱端和连接所述圆柱端的螺杆，所述圆柱端置放于所述收容腔内，所述螺杆贯穿所述端盖并与所述单维力传感器连接。

5.根据权利要求1~4任一项所述的六维力传感器标定装置，其特征在于，所述六维力传感器为Stewart平台六维力传感器。

6.一种使用如权利要求1~5任一项所述的六维力传感器标定装置的标定方法，其特征在于，设该六维力传感器标定装置位于三维坐标系中，标定加载板的中心轴线限定三维坐标系的Y轴，三维坐标系的X轴和Z轴在标定加载板所在平面上延伸；

当标定六维力传感器沿X轴正向或者负向的力时，设置一个所述力加载装置，所述标准单维力传感器的中心轴线与所述标定加载板的中心轴线垂直相交；

当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力时，或者当标定六维力传感器沿Z轴正向或者负向力矩时，设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置围绕标定加载板的中心轴线对称，所述标准单维力传感器的中心轴线平行于所述标定加载板的中心轴线；

当标定六维力传感器沿Y轴正向或者负向的力矩时，设置两个所述力加载装置，所述两个力加载装置关于标定加载板的中心轴线中心对称，所述标准单维力传感器的中心轴线沿着所述加载块所在的同心圆周的切线方向延伸。

Images