CN112692830B - 三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手，传感器系统包括：三维弹性应变感知元件和复应变测量元件；三维弹性应变感知元件为柱状或管状结构，三维弹性应变感知元件其中一端固定，多个复应变测量元件集成设置于三维弹性应变感知元件的固定端一侧；在三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据复应变测量元件的测量值确定三维弹性应变感知元件的自由端的位移量。通过本发明的技术方案，提高了传感器系统的响应速度，在低成本情况下提高了位移测量的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统、一种基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法和一种机械手。
背景技术
近年来，随着国民经济的发展，工业自动化需求越来越高，机械手的使用也越来越普及，不但可以实现安全操作，同时也可以提高产品质量、提高生产效率、降低劳动强度、还可以避免人工送料、取料时因疲劳往往送料、取料不准等。为实现机械手对物品的准确抓取，机械手必须动态响应快，定位精度好。位置检测系统是实现工业机械手精确定位的装置，它的主要作用是实时检测机械手执行机构的具体位置并将机械手的位置信息实时反馈给控制系统，而控制系统根据反馈回来的机械手位置与给定机械手位置进行比较，及时的修正机械手的位置，实现精确定位。其中，位移量是最基本、最主要的几何量，高精度的位移测量技术对高精度机械手的发展起到关键作用。
角位移测量在各种测量和自动控制系统中的作用十分重要，应用极其广泛。现代测量方法与设备众多，原理各异，但最终的目标都是能够以低成本、高稳定性，重复性好、精度合适地实现角度的测量。许多应用还要求在动态下多自由度同步测量，比如高速焊接机械手和自动换刀及夹具的机械手臂的腕关节等。
传统的机械手位移测量多是通过多个单自由度高精度位移测量传感器组合来实现，测量系统结构较复杂、成本高，在传感器串联安装时易引入多轴累积误差等，难以满足精密位移测量及定位的需求。
目前国内外在高度柔性的机器人闭环位置测量控制上广泛使用的旋转绝对编码器即每个一维角位移关节都配置一个转动编码器。机械手末端的位置由来自各编码器的信号计算而定。这种测量方法传感器本身分辨率可以做到较高，但易形成链式累积误差并忽略了惯性引起的机械手臂变形，在终端位置闭环控制中造成精度下降。另外因单台机器人上用量大，成本也较高。同时，从多个角位移传感器计算机械手末端位置运算量大，降低机械手反应速度和计算成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手，通过设置于三维弹性应变感知元件固定端的复应变测量元件的测量值，根据应变状态与位移量之间存在的唯一确定关系，经预先建立的数学模型实时转换得到三维弹性应变感知元件的自由端位移量，提高了传感器系统的响应速度，克服了材料特性对传感器灵敏度、精度和分辨率的影响，在低成本情况下提高了位移测量的精确度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，包括：三维弹性应变感知元件和复应变测量元件；所述三维弹性应变感知元件为柱状或管状结构，所述三维弹性应变感知元件其中一端固定，多个所述复应变测量元件集成设置于所述三维弹性应变感知元件的固定端一侧；在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的测量值确定所述三维弹性应变感知元件的自由端的位移量。
在上述技术方案中，优选地，基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统还包括应变测量放大电路，所述应变测量放大电路与所述复应变测量元件相连接，所述应变测量放大电路用于将所述复应变测量元件的检测量转换并放大为可识别数字量信号。
在上述技术方案中，优选地，所述复应变测量元件包括MEMS主动应变片、复合压电陶瓷主动应变片和被动式电阻薄膜应变片。
在上述技术方案中，优选地，所述复应变测量元件在所述三维弹性应变感知元件上的分布和位置经优化后构成静定或过静定结构。
在上述技术方案中，优选地，所述三维弹性应变感知元件套设于一中心转轴上，所述三维弹性应变感知元件设置于机械手的关节内部，所述机械手运动时其关节带动所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动。
在上述技术方案中，优选地，所述三维弹性应变感知元件采用低阻尼高弹性的低模量橡胶材料制成，所述三维弹性应变感知元件的横截面为圆形、矩形、六边形或圆环形。
本发明还提出一种基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，应用于上述技术方案中任一项所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，包括：基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到复应变测量元件的应变矢量与三维弹性应变感知元件的自由端位移量之间对应关系的传递函数第一矩阵；根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值与应变测量放大电路的输出值，联合标定得到应变电测第二矩阵；在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于所述传递函数第一矩阵和所述应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到所述三维弹性应变感知元件的自由端发生的位移量。
在上述技术方案中，优选地，基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法还包括：基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到所述复应变测量元件的应变矢量与所述三维弹性应变感知元件的独立位移、扭转角和偏转角之间对应关系的传递函数第三矩阵；在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于所述传递函数第三矩阵和所述应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到所述三维弹性应变感知元件的自由端发生的独立位移、扭转角和偏转角。
在上述技术方案中，优选地，基于弹性力学解析模型或有限元分析为基础得到的所述传递函数第一矩阵或所述传递函数第三矩阵，利用不同横截面上的应力传递函数对所述复应变测量元件所安装位置截面位置的应力进行修正补偿。
本发明还提出一种机械手，所述机械手的关节内部安装如上述技术方案中任一项所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统；所述机械手还包括处理器，所述处理器根据所述三维角位移六自由度传感器系统的测量值，利用如上述技术方案中任一项所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，计算得到所述机械手末端的空间位置和方位。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过设置于三维弹性应变感知元件固定端的复应变测量元件的测量值，根据应变状态与位移量之间存在的唯一确定关系，经预先建立的数学模型实时转换得到三维弹性应变感知元件的自由端位移量，提高了传感器系统的响应速度，克服了材料特性对传感器灵敏度、精度和分辨率的影响，在低成本情况下提高了位移测量的精确度。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统处于零位的测量原理示意图；
图2为本发明一种实施例公开的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统处于非零位的测量原理示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1.三维弹性应变感知元件，2.复应变测量元件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，包括：三维弹性应变感知元件1和复应变测量元件2；三维弹性应变感知元件1为柱状或管状结构，三维弹性应变感知元件1其中一端固定，多个复应变测量元件2集成设置于三维弹性应变感知元件1的固定端一侧；在三维弹性应变感知元件1的自由端发生六自由度运动时，根据复应变测量元件2的测量值确定三维弹性应变感知元件1的自由端的位移量。
在该实施例中，通过设置于三维弹性应变感知元件1固定端的复应变测量元件2的测量值，根据应变状态与位移量之间存在的唯一确定关系，经预先建立的数学模型实时转换得到三维弹性应变感知元件1的自由端位移量，提高了传感器系统的响应速度，克服了材料特性对传感器灵敏度、精度和分辨率的影响，在低成本情况下提高了位移测量的精确度。
具体地，一端固定的三维弹性应变感知元件1内发生多维变形时，其复合应变状态与三维弹性应变感知元件1被驱动的自由端的空间位置和方位之间存在唯一确定的函数关系，将多个复应变测量元件2集成在三维弹性应变感知元件1的表面和内部。
在上述实施例中，优选地，基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统还包括应变测量放大电路，应变测量放大电路与复应变测量元件2相连接，应变测量放大电路用于将复应变测量元件2的检测量转换并放大为可识别数字量信号。
在三维弹性应变感知元件1的自由端发生六自由度运动时，复应变测量元件2的应变矢量测量值经过应变测量放大电路的转换和放大，通过预先构建和标定得到的模型进行转换，得到与应变矢量测量值唯一确定的位移量。该三维角位移测量方法是间接测量，通过解析模型逆向求解的过程，三维弹性应变感知元件1的多向应力同步感知能力是传感器的物理基础，应变和位移之间唯一并确定的相关性是该测量方法的核心。
在上述实施例中，优选地，复应变测量元件2包括MEMS主动应变片、复合压电陶瓷主动应变片和被动式电阻薄膜应变片。进一步地，采用主动应变片可简化后续测量放大电路，但电阻薄膜应变片具有较大的线性范围和良好的温度特性。
在上述实施例中，优选地，复应变测量元件2在三维弹性应变感知元件1上的分布和位置经优化后构成静定或过静定结构，直接或间接测量到该点应变值以获取各主应变值。被测机械手末端位移量与应变电测量具有唯一确定的关系，由矩阵算法解算得出。
具体地，三维弹性应变感知元件1的横截面形状、材料弹性模量的线性度及滞回特性都直接影响到传感器系统的灵敏度、精度、分辨率和使用寿命，因此，需确定三维弹性应变感知元件1的最佳横截面、长度和材料。在具体实施过程中，经固体力学分析、并用材料滞回疲劳试验完成三维弹性应变感知元件1的最佳横截面、长度和材料。不同于现有市场上多数采用高阻尼低模量的人造硅橡胶，本发明采用合适的低阻尼高弹性聚酯物橡胶材料制成，优选采用聚氨酯橡胶。优选地，三维弹性应变感知元件1的横截面为圆形、矩形、六边形或圆环形。
其中，由于高弹性非金属材料通常的滞回特性和蠕变特性引起的位移-应变误差，由实验数据库对材料本构方程和弹性力学模型组成的矩阵中各元素进行实时修正。
在上述实施例中，优选地，三维弹性应变感知元件1套设于一中心转轴上，三维弹性应变感知元件1设置于机械手的关节内部，机械手运动时其关节带动三维弹性应变感知元件1的自由端发生六自由度运动。其中，中心转轴具有很大的扭转刚度/挠曲刚度比，当机械手在中心转轴及六连杆平行结构驱动下进行六自由度运动时，该三维弹性应变感知元件1与之同步变形，从而其上的复应变测量元件2检测到各个自由度的应变。
本发明还提出一种基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，应用于上述实施例中任一项的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，包括：基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到复应变测量元件2的应变矢量与三维弹性应变感知元件1的自由端位移量之间对应关系的传递函数第一矩阵；根据复应变测量元件2的应变矢量检测值与应变测量放大电路的输出值，联合标定得到应变电测第二矩阵；在三维弹性应变感知元件1的自由端发生六自由度运动时，根据复应变测量元件2的应变矢量检测值，基于传递函数第一矩阵和应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到三维弹性应变感知元件1的自由端发生的位移量。
具体地，从弹性力学解析模型或有限元分析可提取出4×4传递函数矩阵TRM1。
其中εx、εy、和εz为三维弹性应变感知元件1固定端近根部任意横截面处的三向正应变，εs为剪应变。矩阵内每行列元素一般是一个多项级数，以修正材料和弹性梁非线性误差。
从传递函数矩阵的逆矩阵[TRM1]-1就可由测得应变矢量ε计算出独立位移x,y,z和扭转角φ。
复应变测量元件2与电桥放大电路联合标定得出应变电测矩阵TRM2。
其中，V为电路输出电压矢量。
通过两个逆矩阵的解可计算得出独立位移量。
在上述实施例中，优选地，基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法还包括：基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到复应变测量元件2的应变矢量与三维弹性应变感知元件1的独立位移、扭转角和偏转角之间对应关系的传递函数第三矩阵；在三维弹性应变感知元件1的自由端发生六自由度运动时，根据复应变测量元件2的应变矢量检测值，基于传递函数第三矩阵和应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到三维弹性应变感知元件1的自由端发生的独立位移、扭转角和偏转角。
具体地，除独立位移量外，三维弹性应变感知元件1末端(B)的另两个非独立变量梁偏转角α和β也可由电压信号向量V经由传递函数矩阵TRM3一同算出：
在上述实施例中，优选地，基于弹性力学解析模型或有限元分析为基础得到的传递函数第一矩阵或传递函数第三矩阵，利用不同横截面上的应力传递函数对复应变测量元件所安装位置截面位置的应力进行修正补偿。
本发明还提出一种机械手，机械手的关节内部安装如上述实施例中任一项提出的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统；机械手还包括处理器，处理器根据三维角位移六自由度传感器系统的测量值，利用如上述实施例中任一项提出的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，计算得到机械手末端的空间位置和方位。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，包括：三维弹性应变感知元件和复应变测量元件；
所述三维弹性应变感知元件为柱状或管状结构，所述三维弹性应变感知元件其中一端固定，多个所述复应变测量元件集成设置于所述三维弹性应变感知元件的固定端一侧；
在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于传递函数第一矩阵和应变电测第二矩阵的逆矩阵，确定所述三维弹性应变感知元件的自由端的位移量；
具体地，基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到所述复应变测量元件的应变矢量与所述三维弹性应变感知元件的自由端位移量之间对应关系的所述传递函数第一矩阵；
根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值与应变测量放大电路的输出值，联合标定得到所述应变电测第二矩阵。
2.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，还包括应变测量放大电路，所述应变测量放大电路与所述复应变测量元件相连接，所述应变测量放大电路用于将所述复应变测量元件的检测量转换并放大为可识别数字量信号。
3.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述复应变测量元件包括MEMS主动应变片、复合压电陶瓷主动应变片和被动式电阻薄膜应变片。
4.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述复应变测量元件在所述三维弹性应变感知元件上的分布和位置经优化后构成静定或过静定结构。
5.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述三维弹性应变感知元件套设于一中心转轴上，所述三维弹性应变感知元件设置于机械手的关节内部，所述机械手运动时其关节带动所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动。
6.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述三维弹性应变感知元件采用低阻尼高弹性的低模量橡胶材料制成，所述三维弹性应变感知元件的横截面为圆形、矩形、六边形或圆环形。
7.一种基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，应用于权利要求1至6中任一项所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，包括：
基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到复应变测量元件的应变矢量与三维弹性应变感知元件的自由端位移量之间对应关系的传递函数第一矩阵；
根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值与应变测量放大电路的输出值，联合标定得到应变电测第二矩阵；
在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于所述传递函数第一矩阵和所述应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到所述三维弹性应变感知元件的自由端发生的位移量。
8.根据权利要求7所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，其特征在于，还包括：
基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到所述复应变测量元件的应变矢量与所述三维弹性应变感知元件的独立位移、扭转角和偏转角之间对应关系的传递函数第三矩阵；
在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于所述传递函数第三矩阵和所述应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到所述三维弹性应变感知元件的自由端发生的独立位移、扭转角和偏转角。
9.根据权利要求7或8所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，其特征在于，基于弹性力学解析模型或有限元分析为基础得到的所述传递函数第一矩阵或所述传递函数第三矩阵，利用不同横截面上的应力传递函数对所述复应变测量元件所安装位置截面位置的应力进行修正补偿。
10.一种机械手，其特征在于，所述机械手的关节内部安装如权利要求1至6中任一项所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统；
所述机械手还包括处理器，所述处理器根据所述三维角位移六自由度传感器系统的测量值，利用如权利要求7至9中任一项所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，计算得到所述机械手末端的空间位置和方位。
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