CN110546474A - 力/扭矩传感器温度补偿 - Google Patents

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Abstract

在得出应变计输出之前，机器人力/扭矩传感器上的应变计被单独地温度补偿，以估测传感器上的力和扭矩负载。热传感器被安装靠近每个应变计，并且在已知负载和温度下，获得初始应变计和热传感器输出。力/扭矩传感器随后经历升温，并且再次获得应变计和热传感器输出。这些应变计和热传感器输出被处理，以诸如通过使用最小平方算法而计算对于温度补偿等式的系数。每个应变计输出使用温度补偿等式而被补偿，并且随后组合应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。

Description

力/扭矩传感器温度补偿
技术领域
本发明总体上涉及用于机器人应用的力/扭矩传感器，并且特别地涉及机器人力/扭矩传感器上的应变计的热补偿。
背景技术
机器人技术是工业、医学、科学和其它应用中不断发展和日渐重要的领域。在其中机器臂或附接到其的工具接触工件的许多情况下，必须密切监测所施加的力和/或扭矩。因此，力/扭矩传感器是许多机器人系统的重要部件。
一种传统类型的力/扭矩传感器使用应变计，以测量连接两个机械部件—一个连接到机器臂，并且另一个连接到机器人工具（或到工具的机械联接）—的小梁的变形。例如，在本领域中称为工具适配器板（TAP）的中心“枢纽”连接到工具。围绕TAP环状地布置并且从TAP间隔开的另一主体连接到机器人臂，所述另一主体在本领域中称为安装适配器板（MAP）。MAP和TAP通过多个相对薄（并且因此可机械变形）的梁连接到彼此，所述梁围绕TAP径向布置—在一些情况下类似于车轮的辐条。分别附接到TAP和MAP的物体之间的相对力或扭矩试图相对于TAP移动MAP，而导致梁中的至少一些的略微变形或弯曲。
粘附到每个梁的一些或所有表面的应变计产生电信号，所述电信号与由梁经历的变形成比例。通过得出应变计输出的大小，并且记录应变计的位置，可量化梁的应变，并且可估测TAP与MAP之间引起的力和扭矩。数个应变计类型、用于使应变计位于梁表面上的各种配置、使应变计相互连接的不同拓扑和校正其输出的不同方法在本领域中是已知的。
机器人力/扭矩传感器中的主要误差来源是由于热漂移而因此导致的不准确性。热漂移来源包括环境温度变化、环境温度梯度和自热。对于硅应变计，由于温度变化而因此导致的输出电压中的变化可为由于所引起的应力而因此导致的输出电压变化的大小的若干倍—与应力传感器相比，装置可被考虑成更好的温度传感器。在半桥拓扑中连接应变计可补偿温度效应（但仅如果应变计是良好匹配的，并且仅如果其被放置成精确地与彼此相对）。此外，除了影响应变计输出之外，机器人力-扭矩传感器中的温度变化可引起由于结构元件的不相等膨胀/压缩而因此导致的机械应力，传感器可将所述机械应力解释成所施加的负载或力。理解和补偿温度误差对于机器人力/扭矩传感器设计和操作是主要挑战。
本文件的背景技术部段被提供，以将本发明的实施例放置在技术性和操作性上下文中，以帮助本领域技术人员理解所述实施例的范围和应用。除非被明确地识别如此，否则本文的陈述不仅仅通过将其包括在背景技术部段中而被承认为现有技术。
发明内容
以下呈现了本公开的简化概括，以便为本领域技术人员提供基本理解。此概括不是本公开的广泛概述，并且不旨在识别本发明的实施例的关键/重要元素或描述本发明的范围。本概括的唯一目的是以简化的形式作为稍后呈现的更详细描述的前奏而呈现本文公开的一些构思。
根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，机器人力/扭矩传感器上的应变计在得出应变计输出之前被单独地温度补偿，以估测传感器上的力和扭矩负载。热传感器靠近每个应变计被安装，并且在已知负载和温度下获得初始应变计和热传感器输出。力/扭矩传感器随后经历升温，并且再次获得应变计和热传感器输出。这些应变计和热传感器输出被处理，以诸如通过使用最小平方算法而对于温度补偿等式计算系数。每个应变计输出使用温度补偿等式而被补偿，并且随后组合应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。
一个实施例涉及操作机器人力/扭矩传感器的温度补偿方法。机器人力/扭矩传感器包括工具适配器板（TAP）和安装适配器板（MAP），所述工具适配器板（TAP）是操作性的，以连接到第一物体，所述安装适配器板（MAP）是操作性的，以连接到第二物体。力/扭矩传感器是操作性的，以测量第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。在已知负载和温度下，获得粘附到连接MAP和TAP的构件的应变计和测量MAP和TAP的温度的热传感器的初始输出。在传感器经历温度变化之后，获得应变计和热传感器输出。基于初始输出和温度变化之后的输出，计算对于每个应变计温度补偿等式的系数。使用温度补偿等式而补偿每个应变计输出。组合所有应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。
另一实施例涉及温度补偿机器人力/扭矩传感器。机器人力/扭矩传感器包括：工具适配器板（TAP），是操作性的，以连接到第一物体；安装适配器板（MAP），是操作性的，以连接到第二物体；一个或多个可变形梁，将TAP连接到MAP；至少一个应变计，粘附到每个梁的至少一侧，应变计是操作性的，以将梁的一侧的表面上由梁的变形导致的拉伸和压缩力转变成电信号；第一热传感器，粘附到TAP；第二热传感器，粘附到MAP；以及测量电路，是操作性的，以响应于来自所有应变计的电信号和来自所有热传感器的温度输出而测量第一与第二物体之间的力和扭矩的温度补偿方向和大小。
附图说明
现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中，示出了本发明的实施例。然而，不应将本发明视为限制于本文阐述的实施例。相反地，这些实施例被提供，使得本公开将是透彻和完整的，并且将使本发明的范围充分传达到本领域技术人员。贯穿全文，相同数字指代相同元件。
图1是表面安装热敏电阻的一种安装方法的截面图。
图2是四分之一电桥传感器拓扑测量的示意性电路图。
图3是电桥电路中的电压和电流的示意性电路图。
图4是从电桥电流测量计算的对于半桥电路拓扑的最坏情况最小/最大温度误差的图表。
图5描绘了机器人力/扭矩传感器上的热传感器放置。
图6是未补偿力和扭矩读数的图表。
图7是在温度补偿之后图5的力和扭矩读数的图表。
图8A–8C是在各种加热和负载条件下不使用温度补偿（8A）、无应力应变计输出补偿（8B）和每个应变计温度补偿（8C）的对于机器人力/扭矩传感器的力/扭矩解的图表。
图9是机器人力/扭矩传感器的截面透视图，示出了无应变构件或温度补偿应变计的安装。
图10是操作机器人力/扭矩传感器的方法的流程图。
具体实施方式
为了简洁性和说明性目的，本发明通过主要参考其示例性实施例而描述。在以下描述中，阐述了数个具体细节，以便于提供本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员将显而易见的是，可实施本发明，而不限于这些具体细节。在此描述中，未详细描述众所周知的方法和结构，以免不必要地模糊本发明。
热误差来源。
本领域中已知的是，温度漂移是机器人力/扭矩传感器中的主要不准确性来源。本发明人已识别出四种主要温度误差来源。
第一，硅应变计的使用引入了热误差。与金属箔应变计相比，硅应变计由于其高敏感性而因此是优选的。然而，其展现了显著更差的温度性能。硅应变计中存在两种主要温度效应—应变计电阻温度系数（TCR）和应变计应变计因子温度系数（TCGF）。TCR随着硅应变计的电阻随其温度改变而出现。在一些应变计中，与电阻由于满量程传感器负载而因此改变相比，电阻可在0-50℃温度摆动上改变更多。许多此温度变化可通过在半桥配置中布线应变计而消除；然而，总是存在影响性能的一些不匹配。TCGF随着硅应变计的应变计因子（也称为敏感性或增益）随温度显著改变而出现。
第二，用于温度研究和补偿的特定力/扭矩传感器设计易受金属的不相等膨胀和收缩影响。由传感器设计导致的最显著误差是在Z轴线上由换能器的主体与MAP或TAP之间的不同膨胀比或MAP与TAP之间的温度梯度导致的力输出。其它机械问题可附加地促进热误差，但此力输出是迄今为止最严重的。
第三，横跨应变计电桥的温度梯度将导致例如半桥电路中的每个应变计在不同温度下。这将由于硅应变计的大温度系数而因此导致显著电桥输出。此问题在四分之一电桥拓扑中被大大缓解。
最后，电子设备可引入随温度的偏移误差；随温度的增益误差；以及看起来像温度误差的低频噪声。集成到传感器中的电子设备还将导致显著量的自热，所述自热导致或加剧上述温度误差。
根据本发明的实施例，热传感器粘附到力/扭矩传感器，以便允许应变计输出的温度补偿。总体上，术语“热传感器”将被宽泛地解释。
热传感器类型。
在一个实施例中，热传感器可包括应变计，所述应变计与用于测量机械力的应变计具有相同的类型和尺寸，所述应变计粘附到力/扭矩传感器的无应力构件。如本文使用的，此类热传感器称为“无应力应变计”或“热应变计”。相反地，粘附到力/扭矩传感器的可变形梁的应变计—其输出用于测量施加到传感器的力和扭矩—在本文称为“测量应变计”或简单地称为“应变计”。
如背景技术中提到的，特别地，已知硅应变计的输出随温度广泛变化，而独立于采用应变计以测量的机械应变。使用无应力应变计作为热传感器的优点包括可重复和实质上线性的热响应。附加地，无应力应变计可与测量应变计利用相同的安装过程，并且将模仿测量应变计的自热特征。对于此方法的缺点是，当然，无应力应变计对于应变敏感。因此，其应粘附到力/扭矩传感器的构件或元件，所述构件或元件不受到由测量应变计所粘附到的元件遭遇的力和扭矩的应力。这意味着无应力应变计通常不可位于靠近测量应变计，并且因此其温度输出可不准确反映测量应变计温度。此外，甚至当粘附到无应力构件时，随着无应力应变计所粘附到的元件响应于温度中的变化而膨胀或收缩，无应力应变计可经历应变。因此，具有传感器温度中的广泛快速变化的应用可减少无应力应变计作为热传感器的使用。
热传感器的另一可能实施方式是热电偶—两个不同导体的接合，所述接合由于热电效应而因此在所述导体之间产生取决于温度的电压。热电偶可非常小，并且容易安装（不要求电绝缘）。其具有非常宽的温度操作范围和非常快的响应时间。另一方面，热电偶具有相对低的分辨率、准确性和可重复性。如与电阻温度传感器相比，诸如在接口板上要求更多电路系统，以读取热电偶。由于其低分辨率，因此热电偶作为热传感器在力/扭矩传感器上的使用将负面影响所得出的力/扭矩传感器分辨率。因此，其对于此应用不是良好的选择。
电阻温度检测器（RTD）是热传感器，通常包括围绕陶瓷或玻璃芯缠绕的纯材料（例如，铂、镍或铜）细线。RTD具有准确的电阻/温度关系，可利用所述电阻/温度关系，以测量温度。其响应是非常线性的，具有优异的可重复性和准确性。在宽泛温度范围上操作的情况下，可使用非常简单的数学方法，以获得线性读数。RTD具有相对小的信号输出，并且总体上比其它类型的热传感器（诸如，热敏电阻）更大和更贵。此外，RTD可对于应变敏感，这在试图监测测量应变计的温度或测量应变计附近的温度的情况下产生问题。RTD可特别是适合于范围-20℃到+60℃之外的应用中。否则，低分辨率和潜在应变敏感性使得其不适合用作力/扭矩传感器上的热传感器。
热敏电阻是电阻高度取决于温度的电阻类型。热敏电阻具有非常高的温度敏感性以及对于振动或应力的低敏感性。这些特征连同良好的可重复性和准确性以及在廉价小包装中的广泛可获得性使得热敏电阻是用于力/扭矩传感器上的热传感器的总体上良好的选择。热敏电阻确实具有指数电阻特征，这要求大量数学处理或查找表，以使其读数线性化。另外，其可对于非常宽的温度范围过于敏感。整体上，热敏电阻的高分辨率确保的是，温度补偿将不负面影响所得出的力/扭矩分辨率，使得其至少在适中温度范围（例如，-20℃到+60℃）上对于力/扭矩传感器的温度补偿是良好的选择。
另一可能的热传感器是有源传感器集成电路，诸如，Texas Instruments LMT70A。此传感器提供了高度准确和线性的温度输出以及高分辨率。然而，其必须被安装在印刷电路板上，并且要求相当严格的电源电压范围。在其中PCB的要求不产生问题的应用中，有源传感器提供良好的结果，并且除去了使热传感器线性化的需要。
在一些应用中，远程红外（IR）传感器可提供准确温度读数，而不要求物理接触，并且因此不要求手动布线。一个示例是Texas Instruments TMP006 IR热电堆无接触温度传感器。然而，由于IR观测角度而因此可难以测量具体点温度。附加地，测量分辨率可对于力/扭矩传感器应用中的温度补偿是不充分的。一些措施可增加IR热传感器的适合性，诸如，利用模仿黑体的材料涂覆力/扭矩传感器主体中的至少一些。
热传感器的安装。
温度传感器可以各种方式被安装到力/扭矩传感器。有线温度传感器可使用传热带或环氧树脂而被安装到传感器主体。表面安装温度传感器可使用间隔件或在凹槽内而被安装到传感器主体。
有线温度传感器可使用传热带而被安装到力/扭矩传感器主体。一种适合的带是1/2-5-8810（从明尼苏达州梅普尔伍德的3M公司可获得）。带可被放置在其中待安装温度传感器的F/T传感器主体上，并且随后，有线传感器可被按压到带中，使得其被保持就位。传热带允许温度传感器追踪F/T传感器主体的温度；因为不存在固化时间，所以易于安装温度传感器；并且其减少了温度传感器经历的来自负载的应变量。在安装传感器之后，可添加保护涂层（诸如，硅酮RTV（室温硬化）），以保护传感器和线。
类似于传热带的使用，温度传感器可使用环氧树脂而被安装到F/T传感器主体。环氧树脂可对于高振动环境提供更稳固的连接，但其代价是增加安装时间，并且增加在负载期间施加到温度传感器的应变。如果温度传感器具有未绝缘的线，则可为必要的是，在温度传感器可被安装之前，施加环氧树脂绝缘层。
降低温度传感器安装成本的一种方法是，在PCB（印刷电路板）上使用表面安装温度传感器，以测量F/T传感器主体的温度。这可通过将表面安装温度传感器安装在PCB（其被安装到F/T传感器主体）的底部上而实现，使得温度传感器面向F/T传感器主体。间隔件（诸如，PCB材料）可用于在温度传感器PCB与F/T传感器主体之间产生间隙，温度传感器将安置在所述间隙内。热带（thermal tape）或糊剂可被安装在此腔室中，以允许温度传感器测量F/T传感器主体温度，并且允许一些公差叠加，使得温度传感器不需要物理接触F/T传感器主体。图1描绘了此安装方法的示例。
作为使用PCB材料产生腔室的可选例，凹槽可被铣削到其中安装温度传感器的F/T传感器主体中。
温度误差类别。
所监测的温度误差可分类成三个类别。第一是随温度的应变计偏倚变化。这解释了应变计TCR和电子设备偏移漂移。这还可解释当不存在温度梯度时适配器板的不相等膨胀率。第二是随温度的增益变化。这解释了应变计TCGF、电子设备激发电压温度系数和电子设备增益温度系数。最后的类别是MAP到TAP温度梯度。这解释了来自从传感器的MAP到传感器的TAP的温度梯度的机械表现。
本发明人已研发出模仿与电子设备相关的温度误差的模拟前端设计。由于模拟电子设备比温度传感器稳定得多，因此这允许本发明人集中于力/扭矩传感器本身的温度补偿。本发明人发现的是，随温度的偏倚变化和随温度的增益变化两者可被建模成线性曲线。线性模型的准确性由所监测的力/扭矩传感器而变化。然而，在所有F/T传感器之中，更准确的数学模型是二次曲线。本发明人还发现的是，MAP到TAP温度梯度与F/T传感器的Z轴线力输出具有大致线性关系，其中，温度梯度稳定，并且MAP与TAP之间的温差相对小。
温度补偿—无应变应变计。
使用无应变热传感器进行温度补偿的两种方法是偏倚补偿和增益补偿。
偏倚补偿—在四分之一电桥温度传感器拓扑中，无应变应变计将展现与负载感测应变计大部分相同的温度表现。可通过从负载感测应变计电压中减去无应变应变计电压而有效地温度补偿四分之一电桥中的负载感测应变计。此减法可在软件中执行，或直接通过微分输入DAQ或ADC执行。这有效地产生了伪半桥电路，所述伪半桥电路允许所实施的四分之一电桥F/T传感器具有可接受的温度性能。图2描绘了代表性电路，其中，R1-R3是固定电桥完成电阻，SG0和SG1是负载感测应变计，并且SGU是无应变应变计（用于温度感测/补偿）。
增益补偿—硅应变计随温度改变敏感性，因此，增益补偿允许传感器在宽泛温度范围上保持敏感性。敏感性中随温度的此改变在不同应变计之间是相当一致的，并且可使用一些代表性传感器而被合理表征。基本补偿数学方法如下：
此等式中的函数是简单二次拟合。无应变应变计输出参考了其在室温下的输出，以解释所实施的应变计的结合电阻中的变化。使用此方法，因为增益应贯穿于操作范围在等温点处恒定，所以可补偿增益中的变化。
温度补偿—监测测量应变计温度。
可在每个应变计上使用矩阵而补偿温度效应，所述矩阵组合了偏倚和增益二次模型连同MAP到TAP梯度。与所得出的F/T传感器输出相反，补偿应变计通过减少输入到算法的温度传感器数量而简化补偿模型。简单的补偿模型要求更少温度特征，使得其比复杂模型更便宜和更一致。
用于温度补偿应变计读数的等式是：
其中，Gn是对于应变计n的应变计读数，Tn是应变计的温度，Tmap是MAP的温度，以及Ttap是TAP的温度。下述表1将补偿等式系数映射到所述补偿等式系数作用在其上的项：
表1：温度补偿等式系数。
所得出的已补偿应变计读数随后乘以标准6x6校准矩阵，而导致6轴线F/T传感器读数。尽管可能将所有温度数据输入到力/扭矩矩阵中，但此方法是计算复杂的。更优化的方法是温度补偿每个单独应变计，随后得出温度补偿应变计读数，以获得力/扭矩值。
在一个实施例中，使用最小平方算法而计算补偿矩阵。最小平方算法可被给定来自表征测试的整个数据集，或其可被给定仅来自浸泡（soak）点的具体读数；任一方法产生可比较结果。获得良好结果的一个要求是估测对于最小平方算法的正确预期应变计读数集。每个测试要求一个数据点（其中，传感器被热均衡在22℃下），以得知在不同温度下对于该测试应读取哪个应变计。贯穿于测试，还应将恒定负载施加到传感器。这对于每个表征测试允许到传感器的任意负载。可能在22℃下通过使用已负载和未负载温度摆动推算应变计值而计算预期应变计读数。在一些力/扭矩传感器的情况下，如果测试不可在22℃下浸泡，则这可为有用的。对于示例，参看附录A，其包括温度补偿系数的全部热传感器数据和计算。
从电桥电流推导应变计温度。
对于使用半桥或全桥电路拓扑以测量应变计输出的主要原因是消除硅应变计的大温度系数的效应。通过在半桥或全桥电路中布置应变计（其中，应变计从传感器负载接收相等和相对的应变），来自负载的电桥输出电压变化被最大化，同时来自温度变化的电桥输出电压变化被最小化。
使用具有硅应变计的半桥或全桥电路拓扑的一个结果是，在恒定电压激发的情况下，通过电桥的电流随温度变化，同时随负载大致保持恒定。这允许了通过应变计电桥的电流指示温度读数。因此，相同的硅应变计可测量负载和温度两者—因此所推导的温度可用于F/T传感器的温度补偿，如本文描述的。
此方法的一个问题是，可难以布置应变计，使得其实际上经历相等和相对的应变。此应变不匹配导致电桥电流随传感器负载变化，而导致不准确的温度计算。
已发现的是，可能使用电桥输出电压和电桥电流，以计算平均电桥温度，只要：（1）在电桥中存在多于一个应变感测元件（否则，电桥电压和电流将成比例，并且将不提供足够的信息），以及（2）所有应变计具有相同符号温度系数（大温度系数变化使得其更不准确）。
图3描绘了对于一个实施例的电路配置。电桥输出电压和电桥电流的线性和二次组合乘以系数矩阵，以推导对于应变计电桥的平均温度值。对于传感器负载数据和传感器温度数据使用最小平方拟合而推导这些系数。此数学方法可通过除去几项而被简化，以降低表征过程的复杂性，或可添加附加的非线性项，以改善模型的拟合。系数是：
系数 C<sub>0</sub> C<sub>1</sub> C<sub>2</sub> C<sub>3</sub> C<sub>4</sub> C<sub>5</sub> C<sub>6</sub> C<sub>7</sub>
项 V V<sup>2</sup> V<sup>3</sup> I I<sup>2</sup> V*I V*I<sup>2</sup> 1
表2：平均温度系数。
得出平均电桥温度的等式是：
当然，在任何给定实施方式中，系数中的一个或多个可为零，而从等式（3）有效消除对应项。
硅应变计电桥的蒙特卡洛式模拟示出的是，在具有充分校准步骤的情况下，上述模型可计算准确的温度数据。所述模拟产生了不同应变计组合集，其中，初始电阻、结合应力、TCR、TCGF和GF全部在具有正态分布的情况下变化。对于每个应变计组合，应用了若干不同应变和温度组合，并且每个组合对于输入温度具有最小平方拟合。图4的图表和下述统计数据示出了对于每个应变计组合的最大/最小最坏情况温度误差，证明了此模型对于硅应变计表现的良好拟合。
样本数量：2000000
最坏最大温度误差：0.089296
平均最大温度误差：0.033637
标准最大温度误差：0.008338
最坏最小温度误差：-0.075849
平均最小温度误差：-0.027590
标准最小温度误差：0.009062。
因为电压和电流读数在负载与温度变化之间仍显著不同，所以如果半桥中的一个应变计经历来自负载的减小应变或无应变，则此计算仍有效。可在不知道由应变计经历的实际应变的情况下推导补偿系数；仅由应变计经历的温度是重要的。使用应变计作为其自身的温度传感器消除了应变计之间的任何时间延迟以及由F/T传感器测量的温度。使用应变计作为其自身的温度传感器可为廉价的方法，以向F/T传感器添加温度感测或温度补偿，而不添加材料成本。
温度补偿实验。
在各种温度传感器以及各种加热和负载条件下进行了若干实验。
在一个实验中，17个热敏电阻被放置在特定力/扭矩传感器上的各种位置中，如图5中指示的。所研究的F/T传感器是Axia 80 单片集成F/T传感器（从北卡罗莱纳州阿佩克斯的ATI Industrial Automation, Inc.可获得）。Axia 80 F/T传感器仅在连接MAP和TAP的每个梁的上表面上具有应变计，如美国专利申请公开第2017/0205296号（’296申请）中描述的，所述美国专利申请公开转让到本申请的受让人，并且以其全文通过引用并入本文。如图1中指示的，热敏电阻0、1和2被放置成直接邻近应变计。十四个其它热敏电阻被放置在传感器的MAP和TAP部分两者上的各种位置中。具有带圈数字的热敏电阻被放置在顶壁或侧壁上；无圈的热敏电阻数字被放置在TAP裂隙上。
在另一实验中，两个热敏电阻被放置在Nano 25 F/T传感器上（从北卡罗莱纳州阿佩克斯的ATI Industrial Automation, Inc.可获得）。适合的热敏电阻是NXFT15XH103FA2B025（从日本京都市长冈京的Murata Manufacturing Co., Ltd.可获得）。一个热敏电阻粘附到MAP，并且另一个粘附到TAP，因此提供MAP/TAP温度梯度。单独的测量应变计的温度未被测量或补偿。
因为F/T传感器是钢制主体，并且铝板将随着其改变温度而在F/T传感器上赋予负载，所以在具有附接到F/T传感器的相同铝板的情况下执行所有测试。使板保持一致允许了补偿此表现。执行了三个测试：未负载温度摆动、已负载温度摆动和MAP/TAP热梯度。
F/T传感器未负载温度摆动—传感器被放置在温度室的地面上，并且在0℃、22℃和50℃下的3小时浸泡点的情况下通过0-50℃温度摆动运行。
F/T传感器已负载温度摆动—复杂负载被施加到传感器，其导致所有应变计输出中的显著变化。传感器随后在0℃、22℃和50℃下的3小时浸泡点的情况下通过0-50℃温度摆动运行。
利用TAP散热器施加的MAP加热—使用传热带而将大金属板附接到传感器的TAP，并且使用热板而将热量施加到传感器的MAP。热电偶用于确保热板在传感器附近达到50℃，并且TAP散热器确保了TAP保持成比MAP更冷。测试在22℃下开始，以确保在具有TAP散热器的情况下获得室温读数。
上述温度补偿等式应用于每个应变计。
普通最小平方算法使用下述测试数据而用于计算上述补偿系数。普通最小平方算法要求两个数据集，以便计算补偿矩阵：（1）对于每个测试的训练数据，和（2）对于每个测试的输入或所期望的数据。
应变计和热敏电阻训练数据集从每个测试的浸泡点和具有显著MAP到TAP温度梯度的至少一个样本收集。下述数据是以24位计数。
对于所使用的热敏电阻，使用下述等式和B常数而使热敏电阻读数线性化。注意：DAQ系统向热敏电阻计算引入显著偏移误差，但这不显著影响补偿结果。
其中，对于所使用的具体热敏电阻，B=3380，R0=10 kΩ，T0=298.15 K。
对于每个应变计，计算了对于该应变计的训练数据集。对于温度输入，计算了MAP与TAP温度传感器之间的加权平均值（对于更大的传感器，使用相邻于应变计的温度传感器）。在此情况下，使用了MAP与TAP之间的相等加权。
输入数据集由传感器对于训练数据集中的上述样本中的每个应输出的应变计值组成。在此情况下，应变计应在22℃下输出读数，其中，不存在MAP到TAP热梯度。
补偿矩阵使用最小平方算法以及输入和训练数据集而被计算。最小平方算法将寻找用于补偿模型的系数，所述系数使已补偿输出与输入数据集之间的误差最小化。由于输入数据集是理想传感器数据集（其不具有取决于温度的输出），因此已补偿输出将具有大大降低的温度表现。
使A表示包括对于一个应变计的训练数据集的矩阵，并且使B表示包括对于一个应变计的输入数据集的矩阵。
通过使每个应变计矩阵乘以每个补偿矩阵的转置，已补偿应变计数据从原始应变计读数和补偿矩阵计算。
示例：
G0已补偿 = [-291436 -3.14 9.89 916527 -2882350 .042 1] *
[1.016102 -1653.07 31.89 -0.002649 6.75E-05 1936.48 15565]T
G0已补偿 = -276867
所得出的F/T数据随后使用6x6线性矩阵从已补偿应变计数据计算。
[Fx Fy Fz Tx Ty Tz] = [G0 G1 G2 G3 G4 G5] * (6x6 FT矩阵)T
F/T传感器校准矩阵：
为了验证已补偿F/T传感器的性能，执行了另一温度测试。F/T传感器被安装在温度室中，并且浸泡在0℃、12.5℃、22℃、37.5℃和50℃下。利用此温度补偿方法，使得传感器的温度误差在用于校准的满量程误差的1%内。
校准负载等级：Fxy=125N，Fz=500N，Txyz=3Nm。
对于三个力和扭矩（Fx、Fy、Fz、Tx、Ty、Tx），图6描绘了未补偿结果，并且图7描绘了温度补偿结果。实验示出了Fz漂移性能中的实质改善，还以及Fx、Fy和Ty中的良好改善。特别地，Tz未示出多少改善；然而，Tz在温度补偿之前已低于1% FS误差。
实验结果。
图8A-8C对于一系列测试中的每个描绘了Axia 80力/扭矩传感器的测量应变计输出的不同处理。测试包括未负载温度摆动；已负载温度摆动；以及已负载和未负载MAP到TAP温度梯度两者，其中，热量被施加到MAP和TAP两者。
图8A描绘了在不具有测量应变计输出的温度补偿的情况下的这些测试。对于未负载温度摆动—在图8A的左侧上描绘，在第一条竖直黑线之前—通过0-50℃温度摆动在传感器未负载的情况下记录应变计数据和温度传感器数据。测试包括四个长“浸泡”点—其中，所施加的热量随时间保持—以确保整个传感器达到热平衡。此测试用于校准温度传感器，并且补偿随温度的偏倚变化。
第二图表描绘了已负载温度摆动，其中，传感器在Fz表面上负载有预期产生满量程偏差的负载的大约50%的重物。温度摆动与对于未负载情况的相同（在0-50℃上的四个浸泡点）。总体上，温度可不同，但重要的是，在温度变化之间使用足够的浸泡时间，以确保重物达到与传感器主体相同的温度，并且不是散热器。
图8A的最后两个部段每个描绘了随着热量被施加到传感器的仅一部分的已负载和未负载条件两者。在第三部段中，随着重物被施加到TAP，MAP被加热。第四部段描绘了随着热量被施加到传感器的一侧（例如，施加到TAP）的已负载和未负载条件。
在所有四个测试中（在应变计上使用四分之一电桥拓扑，并且不具有温度补偿），Fz读数是没有用的。传感器输出在其900 N全范围上变化（图表中平坦部分之后的拐点表示所施加热量中的变化）。
图8B描绘了相同的测试条件，其使用以无应变应变计减法的形式的温度补偿而被重复。如上文并入的’296申请中描述的，与被安装在柔性梁上的应变计类似的应变计被安装在传感器的无应力构件上，并且随温度中的变化而监测其输出。’296申请的图8（此处再现为图9）描绘了安装点35，所述安装点35被机器加工到传感器的TAP 12中，以接收应变计，用于执行温度补偿。此无应变应变计的输出用于补偿所得出的力和扭矩，以使随温度的应变计漂移的影响最小化。如图8B指示的，此补偿改善了Fz性能—使其略微有用，但仍严重超出范围，并且随温度还以及加热率中的变化而变化。
图8C再次描绘了这些测试条件，其中，在组合应变计输出之前，上述二次补偿等式被应用到每个应变计，以得出六个力和扭矩。如图8C示出的，在所有测试条件下，Fz力输出被显著稳定化。
温度补偿方法。
图10描绘了操作机器人力/扭矩传感器的温度补偿方法100的步骤。机器人力/扭矩传感器具有工具适配器板（TAP）和安装适配器板（MAP），所述工具适配器板（TAP）是操作性的，以连接到第一物体，所述安装适配器板（MAP）是操作性的，以连接到第二物体。力/扭矩传感器是操作性的，以测量第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。热传感器附接到力/扭矩传感器，而至少测量MAP和TAP温度。安装热传感器的细节附到本文作为附录C。
首先，在已知负载和温度下，获得粘附到连接MAP和TAP的构件的应变计和测量MAP和TAP的温度热传感器的输出（框102）。例如，传感器可在22℃下，其中，未施加负载（或标称负载，诸如，附接到力/扭矩传感器的机器人工具的重量）。机器人力/扭矩传感器随后诸如通过在校准程序中施加热量或通过操作（随着电子设备和类似物变得放热）而经历温度中的变化。在传感器经历温度变化之后，再次获得应变计和热传感器输出（框104）。随着传感器温度和/或负载变化，此步骤可被重复若干次。基于初始应变计/热传感器输出和温度变化之后的相同输出，计算对于每个应变计温度补偿等式的系数（框106）。在一个实施例中，基于最小平方算法计算系数，使初始和后续值与预期输出匹配。随后使用温度补偿等式而温度补偿每个应变计输出（框108）。在一个实施例中，温度补偿等式可为上文参考表1描述的，其对于应变计偏倚和增益温度漂移使用二次项，并且对于MAP-TAP温度梯度使用线性项。在一个实施例中，仅使用MAP-TAP温度梯度（即，其它系数为零）。随后根据已知技术而组合所有应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值（框110）。例如，上文通过引用并入的’296申请描述了此类力/扭矩处理。
方法100可以各种方式被补充。例如，独立于力/扭矩负载，随温度漂移的应变计的偏倚和增益可通过获得应变计的输出而被准确估测，所述应变计粘附到力/扭矩传感器的无应力构件。此类无应力构件应变计在上文通过引用并入的’296申请中描述。
瞬时温度补偿。
根据上文描述的第一实施例的温度补偿在补偿稳定温度梯度（诸如，MAP与TAP之间的梯度）上有效。然而，在瞬时梯度期间，存在显著量的应变计输出变化。可使用更复杂的算法，以补偿瞬时温度梯度。
在基于应变的力/扭矩传感器中，瞬时温度补偿的目标是能够在感测结构中预测任何给定点处的温度。通过成功预测贯穿于感测结构的温度分布，热致应变也可被预测，并且从测量信号中除去，以除去F/T传感器对于所有热梯度的敏感性（无论所述热梯度是稳定状态还是取决于时间的）。
从微分视角（类似于将如何通过使F/T传感器元件分解成许多更小元件而执行有限元分析）观察，F/T传感器的每个元件是热电路的一部分。每个元件还将引起F/T传感器读数中的一些错误信号输出（当该单独元件由于热效应而因此膨胀或收缩时）。如果以矩阵形式观察，则可认为的是，从F/T传感器的上个偏倚点存在温度变化矩阵，其中，对于每个元件记录了温度。所述温度变化矩阵在本文称为温度矩阵。还存在敏感性矩阵，所述敏感性描述了F/T传感器的输出中相对于每个元件温度的变化，所述敏感性矩阵在本文称为温度敏感性矩阵。这些矩阵可被组合如下，如等式（4）表示：
这对于具有横跨其的热梯度的任何基于应变的传感器都有效。尽管贯穿于物理传感器测量每个温度以执行此确切数学方法是不切实际的，但为了以下考虑而设计传感器是切实可行的。
热流借助于绝缘或隔离而被引导，因此其主要效应沿着有限数量的路径产生。如果热流不沿着某些路径被引导，则允许其采取的路径被定线路到感测元件的区域，所述区域具有相关应变计对于温度变化的低敏感性。
传感器可近似为有限数量的元件，其中，每个元件具有恒定的温度和此元件中应变计对于温度的单个敏感性。
通过传感器的热流由热量等式控制：
其中，u是根据位置和时间的温度，t是时间，x是位置，以及阿尔法是材料的热扩散率。或，更简单地在1-D近似中：
对于具有足够小的宽度h的微分元件，等式（6）可被简化成以下（这是对于温度分布的二阶导数的二阶中心近似；相反地，可使用其它近似）：
可看到的是，在稳定状态下，温度相对于位置的二阶导数必须是零（假设无对流、辐射或内部热量生成），这转而意味着温度分布简单地是横跨F/T传感器的热阻的直线。
使用这两个考虑—等式（7）和稳定状态分布—可能在任何时间下在F/T传感器中确定任何任意点处的温度，并且因此补偿由横跨F/T传感器的温差产生的任何错误应变计信号。
在一个实施例中，单个温度传感器定位在F/T传感器的任一端部处。传感器在已知稳定状态条件下是“偏倚”的，使得根据上文描述的稳定状态表现而在此一点处及时知道贯穿于整个F/T传感器的热分布，因为两个温度传感器之间的所有点简单地是两个测量温度之间的线。此偏倚点可用于利用准确的开始温度使n个虚拟温度传感器初始化。由此，由于通过传感器的热流由热量等式（其在运行时间下可近似为等式（7））控制，因此可忽略稳定状态假设。使用等式（7），通过F/T传感器的热量传播可被模拟，并且应与贯穿于F/T传感器的实际温度分布匹配成使得关于F/T传感器的假设是准确的。贯穿于F/T传感器的温度分布随后可在初始偏倚点之后的任何时间下被准确预测，并且用于信号补偿。此等式还可在每个传感器基础上被校准，以解释材料的热扩散率中的变化以及元件的有效长度或由于对流、辐射或内部热量生成而因此导致的所观测到的热量损失或增加。
一旦在任何给定时间下知道贯穿于整个结构的温度分布，则简单的是，根据等式（4）从传感器输出减去由F/T传感器观测到的应变计效应。另外，应变计的温度可由此方法预测，并且可消除应变计表现中由于温度效应而因此导致的任何变化。
热量等式的修改可被容易地获得，所述修改解释了对流、辐射和内部热量生成。在给定了本公开教导的情况下，本领域技术人员可容易地在此补偿方法中利用这些修改，以提供更准确的结果。
可与此方法一起使用任意数量的温度传感器，以表征可不严格地是一维的热量路径，或以提供对于1-D模拟的校正。
尽管此处描述了纯线性等式，但可能利用附加线性项或非线性项的增加而解释杨氏模量、热膨胀系数、热扩散率和任何其它性质中随时间的变化。在给定了本文教导的情况下，此类修改完全是在本领域普通技术人员技术范围内的，而没有过度实验。
根据温度补偿的此实施例，热量等式的近似用于利用有限输入数据集而预测F/T传感器中的总温度分布；除了测量数据之外，后续利用了推导数据，以使用回归技术（诸如，例如，线性最小平方）而校准F/T传感器，使得F/T传感器输出随温度变化保持稳定（无论所述温度变化是稳定状态还是瞬时的）。
温度传感器必须被放置，使得其在温度变化导致F/T传感器的输出中的变化之前观测到温度变化，否则不可消除所有热效应。
作为示例，假设F/T传感器具有两个应变计和三个虚拟温度传感器：
如果Tv0是G0的温度，并且实际温度传感器T2（独立于三个虚拟温度传感器）是G1的温度，则用于两个应变计的补偿等式（2）是：
每个应变计补偿等式中的最后三项表示根据等式（4）减去瞬时效应（注意的是，在用于G0的等式中，项C1Tv0和C7Tv0是多余的）。
因此，解释了瞬时温度的补偿等式（2）的修改版本是：
其中，最后一项Gn-瞬时是从等式（4）推导的用于虚拟温度传感器的补偿项的矩阵。因此，表达等式（8）的另一方法是：
其中，m是由热量等式模型模拟的虚拟温度传感器的数量。
本发明的实施例的优点。
本发明的实施例呈现了对于现有技术中已知的机器人力/扭矩传感器的数个优点。通过提供温度补偿，可减轻温度变化的有害效应，诸如，应变计电阻和增益中的变化。在一些实施例中，这使得能够使用硅应变计，如果没有显著的温度引起的误差，则所述硅应变计非常适合于机器人力/扭矩传感器应用。在一些力/扭矩传感器上，仅要求两个热传感器，因为仅补偿MAP-TAP热梯度给出了良好结果。在其它应用中，靠近测量应变计放置的热传感器提供了附加补偿项，而更准确地将热效应从所得出的力/扭矩测量中除去。
当然，本发明可以除了本文具体阐述的方式之外的其它方式执行，而不从本发明的本质特征脱离。本实施例在所有方面中应被考虑为说明性而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等价范围内的所有变化旨在被包括在本文。

Claims (40)

1.操作具有工具适配器板（TAP）和安装适配器板（MAP）的机器人力/扭矩传感器的温度补偿方法，所述工具适配器板(TAP)是操作性的，以连接到第一物体，所述安装适配器板（MAP）是操作性的，以连接到第二物体，所述力/扭矩传感器是操作性的，以测量所述第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小，所述方法包括：
在已知负载和温度下，获得粘附到连接所述MAP和TAP的构件的应变计和测量所述MAP和TAP的温度的热传感器的初始输出；
在所述传感器经历温度变化之后，获得应变计和热传感器输出；
基于所述初始输出和所述温度变化之后的输出，计算对于每个应变计温度补偿等式的系数；
使用所述温度补偿等式而补偿每个应变计输出；以及
组合所有应变计的所述温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述热传感器测量所述机器人力/扭矩传感器的所述MAP与TAP之间的热梯度；以及
所述每个应变计温度补偿等式包括表示所述MAP-TAP热梯度的项。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述MAP-TAP热梯度项是线性的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示每个应变计的温度的项。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述机器人力/扭矩传感器还包括靠近一个或多个应变计的热传感器，以及其中，所述热传感器指示每个应变计的温度。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，应变计连接在半桥或全桥电路拓扑中，以及其中，每个半桥或全桥电路中的应变计的温度从所述电桥电路处的电流和电压的关系推导。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，电桥电路中的应变计的平均温度由以下给定：
其中，V是所述半桥或全桥电路的电压输出，以及
I是通过所述半桥或全桥电路的电流。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的项。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式中表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的所述项是线性的。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式中表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的所述项是二次的。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式是
其中，Gn是所述应变计读数，
Tn是所述应变计的温度，
Tmap是所述MAP的温度，以及
Ttap是所述TAP的温度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述初始输出和所述传感器经历温度变化之后的输出而计算对于每个应变计温度补偿等式的系数包括使用最小平方算法而计算所述系数。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从安装在无应力传感器构件上的应变计和相关热传感器获得输出；以及
独立于负载，使用所述无应力输出，以随温度追踪应变计输出。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述应变计是硅应变计。
15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热传感器是热敏电阻。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式还包括与虚拟温度传感器相关联的项的矩阵，所述项解释瞬时温度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，与虚拟温度传感器相关联的项的所述矩阵包括：
。
18.温度补偿机器人力/扭矩传感器，包括：
工具适配器板(TAP)，是操作性的，以连接到第一物体；
安装适配器板(MAP)，是操作性的，以连接到第二物体；
一个或多个可变形梁，将所述TAP连接到所述MAP；
至少一个应变计，粘附到每个梁的至少一侧，所述应变计是操作性的，以将梁的一侧的表面上由梁的变形导致的拉伸和压缩力转变成电信号；
第一热传感器，粘附到所述TAP；
第二热传感器，粘附到所述MAP；以及
测量电路，是操作性的，以响应于来自所有应变计的电信号和来自所有热传感器的温度输出而测量所述第一与第二物体之间的力和扭矩的温度补偿方向和大小。
19.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，还包括靠近每个应变计粘附的热传感器。
20.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述应变计是硅应变计。
21.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述热传感器是热敏电阻。
22.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，还包括被安装在无应力传感器构件上的应变计和热传感器。
23.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，还包括电路，所述电路是操作性的，以：
在所述力/扭矩传感器经历温度变化之前和之后基于初始应变计和热传感器输出而计算对于每个应变计温度补偿等式的系数；
使用所述温度补偿等式而补偿每个应变计输出；以及
组合所有应变计的所述温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。
24.根据权利要求23所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示所述MAP-TAP热梯度的项。
25.根据权利要求24所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述MAP-TAP热梯度项是线性的。
26.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示每个应变计的温度的项。
27.根据权利要求26所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述机器人力/扭矩传感器还包括靠近一个或多个应变计的热传感器，以及其中，所述热传感器指示每个应变计的温度。
28.根据权利要求26所述的机器人力/扭矩传感器，其中，应变计连接在半桥或全桥电路拓扑中，以及其中，每个半桥或全桥电路中的应变计的温度从所述电桥电路处的电流和电压的关系推导。
29.根据权利要求28所述的机器人力/扭矩传感器，其中，电桥电路中的应变计的平均温度由以下给定：
其中，V是所述半桥或全桥电路的电压输出，以及
I是通过所述半桥或全桥电路的电流。
30.根据权利要求26所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的项。
31.根据权利要求26所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述每个应变计温度补偿等式中的表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的所述项是线性的。
32.根据权利要求26所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述每个应变计温度补偿等式中的表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的所述项是二次的。
33.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述每个应变计温度补偿等式是
其中，Gn是所述应变计读数，
Tn是所述应变计的温度，
Tmap是所述MAP的温度，以及
Ttap是所述TAP的温度。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式还包括与虚拟温度传感器相关联的项的矩阵，所述项解释瞬时温度。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，与虚拟温度传感器相关联的项的所述矩阵包括：
。
36.操作机器人力/扭矩（F/T）传感器的温度补偿方法，所述机器人力/扭矩传感器具有主体，并且是操作的，以测量附接到所述F/T传感器的第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小，所述主体具有粘附到所述主体的多个应变计，所述方法包括：
在第一已知温度下并且在已知所施加的负载的情况下，获得粘附到所述主体的多个热传感器的初始输出；
响应于初始热传感器输出，对于横跨所述F/T传感器主体的温度梯度建模；
在操作期间，通过热量等式对于通过所述F/T传感器主体的热流建模，并且基于所建模的热流推导所述F/T传感器主体上的多个点的温度；
随着负载被施加到所述F/T传感器，获得应变计输出；以及
基于所建模的热流，使用所述F/T传感器主体上的所述多个点的推导温度而对于热效应补偿每个应变计输出；以及
组合所有应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。
37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述热量等式是
其中，
u是根据位置和时间的温度；
t是时间，
x是位置，
h是微分元件的宽度，以及
阿尔法是所述F/T传感器主体的热扩散率。
38.根据权利要求32所述的方法，其中，使用每个相关虚拟热传感器的所述推导温度而对于热效应补偿每个应变计输出包括对于每个应变计计算
其中，Gn是所述应变计读数，
Tn是所述应变计的温度，
Tmap是所述MAP的温度，
Ttap是所述TAP的温度，以及
Gn-瞬时是基于所述建模热流与所述F/T传感器主体上的所述多个点相关联的补偿项的矩阵。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述矩阵Gn-瞬时由以下给定
。
40.根据权利要求32所述的方法，其中，使用每个相关虚拟热传感器的所述推导温度而对于热效应补偿每个应变计输出包括对于每个应变计计算
其中，Gn是所述应变计读数，
Tn是所述应变计的温度，
Tmap是所述MAP的温度，
Ttap是所述TAP的温度，以及
m是由所述热量等式模型模拟的虚拟温度传感器的数量。
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