CN114136524A - 一种六维力测量平台及其解耦方法 - Google Patents

一种六维力测量平台及其解耦方法 Download PDF

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CN114136524A CN202111275334.6A CN202111275334A CN114136524A CN 114136524 A CN114136524 A CN 114136524A CN 202111275334 A CN202111275334 A CN 202111275334A CN 114136524 A CN114136524 A CN 114136524A
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dimensional
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赵玉龙
王鲁康
杨玉
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Xian Jiaotong University
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/1627Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of strain gauges

Abstract

本发明公开了一种六维力测量平台及其解耦方法,该方法针对六维力传感器存在的以上几类典型问题,测量平台采用一体化制造技术加工成一个整体,内部含有四个三维力传感器,四个三维力传感器的输出信号进行线性加减,得到三维力和三维扭矩的测量结果,该测量平台解耦方法简单、测量精度高;每个三维力传感器采用惠斯通全桥结构作为测量电路,有效消除了温度变化对传感器测量结果的影响;一体化加工制备的传感器结构紧凑、无装配应力和连接间隙,传感器对输入信号的跟随性和一致性好,信号变换损失小,测量精度高。

Description

一种六维力测量平台及其解耦方法
技术领域
本发明属于系统或单元的监视或测试技术领域,具体涉及到多维力测量技术领域,更为具体的,本发明涉及一种六维力测量平台及其解耦方法。
背景技术
六维力传感器是一种能够检测三维正交力(Fx、Fy、Fz)和三维正交扭矩(Tx、Ty、Tz)的测量装置。六维力(即三维力和三维扭矩)测量在机器人、宇宙空间站对接仿真、火箭发动机推力测试、精密和超精密装配、空间广义力控制试验等领域发挥着及其重要的作用。三维力和三维扭矩测量,要解决的难点问题在于,如何实现六个力学分量之间的解耦测量,即任意一个方向的力和扭矩的测量不会受到其他方向的力和扭矩的干扰。
长期以来,国内外学者对三维力和三维扭矩测量装置进行了大量研究,例如专利CN201910545138.2公开了一种六维力传感器的解耦方法及六维力传感器,在传感器“十字横梁”结构上粘贴电阻应变片并构成12个或16个电桥,形成一个六输入多输出的“十字横梁”六维力传感器,通过最小二乘法或者极限学习机等解耦方法进行解耦,该发明中传感器输出量较多,各项输出量与六维力之间的耦合、干扰关系复杂,给解耦测量带来难度,容易造成解耦精度不高、测量结果不准的问题;专利CN201810882484.5公开了一种六维力传感器及改善六维力传感器温度漂移的方法,该传感器包含内圈结构、外圈结构以及均匀分布在内圈和外圈结构之间的若干测量梁,在测量梁的臂面上共设有12个应变片,内圈结构上开设凹槽并在相应凹槽的突起上设有第一、第二温度补偿应变片,通过采集测量梁臂面上应变片和温度补偿应变片的分压信号,经最小二乘法求解后得到温度补偿后的传感器六维力输出信号,该方法中六维力传感器无法克服温度影响而需要增加额外的温度补偿应变片进行测量、计算从而消除温度对测量精度的影响;专利CN201620008204.4公开了一种结构紧凑的应变式六维力传感器,包括底座弹性体、十字平行梁弹性体与若干应变计,通过螺钉将各个零部件固定在一起,这种在多个位置使用螺钉连接的方式容易引起装配内应力以及关键结构之间存在连接间隙等问题,从而造成传感器输出相对于外力输入的跟随性、一致性不好的结果,影响测量精度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种六维力测量平台及其解耦方法,以解决现有技术中六维力测量平台测量、计算过程,易于受温度的影响,测量精度不高的问题。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
一种六维力测量平台,包括从下到上依次设置的固定端、四个三维力传感器和载荷承受端;
所述固定端和所述载荷承受端均为平板结构;
两个三维力传感器相对于测量平台的XY中心面对称,且穿过XZ中心面;
另外两个三维力传感器相对于测量平台的XZ中心面对称,且穿过XY中心面;
每一个所述三维力传感器包括弹性结构,所述弹性结构上至少设置有10个半导体电阻应变计;所有的所述半导体电阻应变计分组组成三组惠斯通电桥;
所述弹性结构包括四个侧壁,每一个侧壁上设置有一对半导体电阻应变计;剩余的半导体电阻应变计设置在相对的外侧壁和内侧壁上;
所述一对半导体电阻应变计相对于XY中心面对称,或相对于XZ中心面对称;剩余的两个所述半导体电阻应变计分别设置在外侧壁和内侧壁的竖向中心面上,所述竖向中心面平行于XY中心面或XZ中心面。
本发明的进一步改进在于
优选的,所述载荷承受端的中心处设置有载荷接触结构。
优选的,所述载荷承受端设置有支撑筋结构。
优选的,所述载荷承受端上布设有若干个螺纹孔。
优选的,所述固定端和所述载荷承受端之间设置有载荷支撑结构。
优选的,所述载荷承受端和所述固定端平行。
优选的,所述载荷承受端和所述固定端的形状及尺寸均相同。
优选的,所述弹性结构为双八边形弹性结构,所述双八边形弹性结构由两个轴线相互垂直的正八边形环状结构交叉组成;两个交叉的所述正八边形环状结构为同一个竖向中心线;
任意一个所述正八边形环状结构由八个平板首尾相接组成,所述平板为四边形;
所述正八边形环状结构的外圈为正八边形,内圈为正八边形,内圈和外圈同轴线;
两个所述正八边形环状结构的交叉部分为正方形。
优选的,每一个所述正八边形环状结构的每一个侧面部分上包括从上到下依次连接的上侧部分、中侧部分和下侧部分;每一个下侧部分的外表面上设置有所述一对半导体电阻应变计;
其中一个正八边形环状结构的两个中侧部分,每一个中侧部分各自设置有两个半导体电阻应变计。
优选的,所述两个半导体电阻应变计分别设置在所述中侧部分的内表面和外表面上;
所述两个半导体电阻应变计均设置在所述中侧部分的竖向中心面上,两个半导体电阻应变计中任意一个相对于双八边形弹性结构的XY中心面或XZ中心面对称。
优选的,下侧部分上的一对半导体电阻应变计相对于双八边形弹性结构的XY中心面或XZ中心面对称。
优选的,所述中侧部分的所述半导体电阻应变计相对于第一水平中心面对称,所述第一水平中心面为所述中侧部分的水平中心面。
优选的,所述弹性结构为横截面改变的变截面梁;
所述变截面梁的每一个侧壁上并列设置有两个半导体电阻应变计,所述变截面梁的内壁面和外壁面上还设置有一个单独的半导体电阻应变计,单独的所述半导体电阻应变计在并列的两个所述半导体电阻应变计的下方。
优选的,两个并列的所述半导体电阻应变计相对于侧壁面的竖向中心线对称;
所述单独的半导体电阻应变计相对于XY平面或XZ平面对称。
优选的,所述变截面梁沿竖直方向包括两个外端四棱柱,以及设置在两个外端四棱柱之间的中间四棱柱,所述中间四棱柱和所述外端四棱柱同轴线且一体连接。
优选的,所述外端四棱柱横截面的长大于中间四棱柱横截面的长,所述外端四棱柱横截面的宽大于中间四棱柱横截面的宽,所述中间四棱柱的高度大于一个所述外端四棱柱的高度。
优选的,所述半导体电阻应变计设置在所述中间四棱柱的侧壁面上。
优选的,所述六维力测量平台由金属铸造制成或3D打印制成,所述测量平台为一个整体。
优选的,在X方向外力作用下,四个所述三维力传感器X方向测量电路的输出大小相等,方向相同;
在Y方向外力作用下,四个所述三维力传感器Y方向测量电路的输出大小相等,方向相同;
在Z方向外力作用下,四个所述三维力传感器Z方向测量电路的输出大小相等,方向相同。
优选的,在绕X轴的扭矩作用下,四个所述三维力传感器X方向测量电路输出为0,Y方向和Z方向测量电路的输出大小相等,方向两两相反;
在绕Y轴的扭矩作用下,四个所述三维力传感器Y和Z方向测量电路的输出为0,X方向测量电路的输出大小相等,方向相反;
在绕Z轴的扭矩作用下,四个所述三维力传感器Y和Z方向测量电路的输出为0,X方向测量电路的输出大小相等,方向相反。
一种基于上述任意一项所述的六维力测量平台的解耦方法,所述解耦方法的公式为:
VFx=V1x+V2x+V3x+V4x
VFy=V1y+V2y+V3y+V4y
VFz=V1z+V2z+V3z+V4z
VTx=V1y-V3y+V2z-V4z (1)
VTy=V1x-V3x
VTz=V2x-V4x
其中,VFx、VFy、VFz、VTx、VTy、VTz分别表示三维力和三维扭矩的解耦测量结果,Vix、Viy、Viz(i=1,2,3,4)分别表示四个传感器X、Y、Z方向的输出。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明公开了一种六维力测量平台,该方法针对六维力传感器存在的问题,测量平台采用一体化制造技术加工成一个整体,内部含有四个三维力传感器,四个三维力传感器的输出信号进行线性加减,得到三维力和三维扭矩的测量结果,该测量平台解耦方法简单、测量精度高;每个三维力传感器采用惠斯通全桥结构作为测量电路,有效消除了温度变化对传感器测量结果的影响;一体化加工制备的传感器结构紧凑、无装配应力和连接间隙,传感器对输入信号的跟随性和一致性好,信号变换损失小,测量精度高。利用该结构本发明的解耦算法简单,测量精度高。首先,本发明通过三维力传感器结构的设计和测量电路的组合,在不需要进行算法处理的情况下直接实现了对三维力的解耦测量;然后,利用4个三维力传感器对称布置并结合各个传感器在三维力和三维扭矩作用下的输出特点,使用简单的代数加减法实现三维力和三维扭矩之间的解耦测量,不仅算法简单,而且各个传感器之间不存在相互耦合的情况,有效避免引入其他干扰因素,具有更高的测量精度。而且,本发明有效克服了传感器容易受温度影响的问题。一方面,本发明中设计的六维力测量平台主体结构分为上中下三层,被测对象只与测量平台的载荷承受端接触,而温度和热量的传递需要通过多级结构,并且在传递的过程中大部分被空气吸收,因此温度对传感器的影响较小。另一方面,即使温度会传递到传感器上,也不会对传感器测量结果造成影响,因为本发明中传感器的测量电路采用惠斯通差动全桥和恒流源供电的设计方法,当温度变化时,测量电桥中的4个敏感电阻的阻值都会发生相同方向的变化,该变化在差动结构的测量电桥中被抵消,不会引起测量电桥产生不应该有的输出,从而消除了温度变化对传感器测量精度和零位输出的影响。
进一步的,本发明中测量平台及其内部的传感器采用一体化加工工艺制备而成,不需要进行多零件组装,避免了螺钉连接、过盈配合等机械组装方式存在装配内应力不均匀、连接间隙、应力和应变传递损失等问题,保证整个测量平台零位漂移小,对处于量程范围内的外加载荷具有良好的跟随行和复原性,测量结果具有线性度高、重复性好、迟滞小的优点,有效提高了测量精度。
本发明还公开了一种基于六维力测量平台的解耦方法,该方法简单,测量精度高。首先,本发明通过三维力传感器结构的设计和测量电路的组合,在不需要进行算法处理的情况下直接实现了对三维力的解耦测量;然后,通过利用4个三维力传感器对称布置并结合各个传感器在三维力和三维扭矩作用下的输出特点,使用简单的代数加减法实现三维力和三维扭矩之间的解耦测量,不仅算法简单,而且各个传感器之间不存在相互耦合的情况,有效避免引入其他干扰因素,具有更高的测量精度。本发明中在实际使用中具有测量稳定性好、信号跟随性好、多次测量一致性好的优势。
附图说明
图1为本发明的平台基本结构图;
图2为不同结构的载荷承受端;
其中,(a)图为带圆柱状载荷接触结构的载荷承受端;(b)图为带圆锥状载荷接触结构的载荷承受端;(c)图为带螺纹孔的载荷承受端;
图3为上部增加支撑筋结构的载荷承受端;其中,(a)图为只有支撑筋;(b)图为设置有载荷接触结构。
图4为六维力测量平台中间部分增加圆形载荷支撑柱结构的示意图;
其中,(a)图为三维立体结构图;(b)图为三维立体透视图;
图5六维力测量平台实施例1的结构图;
其中,(a)图为基于双八边形弹性结构的六维力测量平台总体结构方案,(b)图为双八边形弹性结构的三维力传感器结构方案,(c)图为图(b)中三维力传感器沿Y负方向的结构侧视图,(d)图为图(b)中三维力传感器沿Z负方向的结构侧视图;
图6为实施例1的基于双八边形结构的三维力传感器中半导体电阻应变计布置位置和测量电桥组合方案:(a)图为单个三维力传感器结构示意图;(b)图为三维力传感器沿X轴方向由下向上投影视图;(c)图为三维力传感器测量电桥组合方案;
其中,图6(c)中字母I0为测量电桥的供电电流,VX、VY、VZ分别为三组测量电路对应X、Y、Z方向的输出电压信号。
图7为实施例1的三维力传感器中半导体电阻应变计布置位置示意图;
其中,(a)图为半导体电阻应变计在下侧部分1224上的布置情况,(b)图为半导体应变计在中侧部分1223上的布置情况。
图8为实施例1的俯视透视图。
图9为实施例2的六维力测量平台结构图;
其中,(a)图为基于变截面式直梁的六维力测量平台总体结构图;(b)图为变截面式直梁结构图;
图10为实施例2的三维力传感器测量电路布置图;
其中,(a)图为半导体电阻应变计位置立体图;(b)图为A-A’截面的俯视图;(c)图为B-B’截面的仰视图;(d)图为Y方向力测量电路;(e)图为Z方向力测量电路;(f)图为X方向力测量电路;
其中:1-第一传感器;2-第二传感器;3-第三传感器;4-第四传感器;5-载荷承受端;6-固定端;501-载荷接触结构;502-螺纹孔;503-支撑筋结构;11-载荷支撑结构;12-弹性结构;13-半导体电阻应变计;121-变截面梁;1211-外端四棱柱;1212-中间四棱柱;122-双八边形弹性结构;1221-正八边形环状结构;1222-上侧部分;1223-中侧部分;1224-下侧部分。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,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或元件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;术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性;此外,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明公开的一种六维力测量平台采用金属材料加工成一个整体,先采用金属铸造或金属3D打印的方法获得测量平台的基本结构,然后通过精密切削的加工方法获得符合尺寸和位置精度要求的最终结构。如图1所示,测量平台的物理结构可以划分成3个主要部分:上部为测量平台的载荷承受端5、中间是4个三维力传感器、下部为测量平台的固定端6,中间的4个三维力传感器分别为第一传感器1、第二传感器2、第三传感器3和第四传感器4。
作为优选的方案之一,载荷承受端5和固定端6的结构相同,更为优选的,二者均为矩形;当二者均为矩形时,二者相对设置,长度方向的中心线和宽度方向的中心线均分别重合在同一平面上,两个长度方向的中心线形成Z方向中心面,两个宽度方向的中心线形成Y方向中心面;四个传感器两两对称的设置在载荷承受端5和固定端6之间。如图1所示,第一传感器1和第三传感器3相对于Y方向中心面(宽度方向的中心面)对称,第二传感器2和第四传感器4相对于X方向中心面(长度方向中心线面)对称。更为具体的,载荷承受端5的内表面,固定端6的内表面均和四个传感器连接,二者的外表面朝外;需要说明的是,图1中4个三维力传感器仅以直梁式结构表示,但并不限制使用其他结构的三维力传感器;图1中所标注的三维坐标系以及X、Y、Z方向适用于整个实施例,后文如无特殊说明,均采用该坐标系;图1中所标注的4个三维力传感器的编号位置和顺序同样适用于整个实施例,后文如无特殊说明,均采用该方法对传感器进行编号。
具体的,测量平台的载荷承受端5为一块平板,作为优选的方案之一,载荷承受端5中间设置有载荷接触结构501,载荷接触结构501设置在载荷承受端5的中心处,用于直接承受外部载荷。所述载荷接触结构501为圆锥状或外端带有凸起的圆柱状,如图2(a)和图2(b)所示;作为优选的方案之一,载荷承受端5的外表面布设若干个螺纹孔502,将被测试对象通过螺钉和螺纹孔502固定在该平板上,如图2(c)所示。
如图3(a)所示,作为优选的方案之一,为提高测量平台载荷承受端5本身的刚性和承载能力,可以在载荷承受端5的上部或者下部增加支撑筋结构503,支撑筋结构503在载荷承受端5的内表面或外表面能够根据需求设置,如沿长度方向排列若干个,或沿宽度方向排列若干个;作为优选的方案之一,载荷承受端5的上表面或下表面设置两个支撑筋,或者是上表面和下表面都设置两个支撑筋,更为优选的,两个支撑筋沿对角线设置,在载荷承受端5的中心点交叉。总之,载荷承受端5的形式不限,可根据具体应用需要做调整。如图3(b)所示,当设置有支撑筋结构503时,在支撑筋结构503上设置载荷接触结构501,载荷接触结构501在载荷承受端5的中心处。
具体的,测量平台的中间部分除了4个相互独立的三维力传感器,还可以根据具体需要增设其他结构,作为优选的方案之一,为了实现传感器数据的无线传输功能,可以在测量平台的中间部分增加数据采集和无线传输电路板及相关绝缘装置;如图4所示,作为优选的方案之一,为了实现测力平台对大量程三维力和三维扭矩的测量需求,可以在测量平台中间部分增加载荷支撑结构11,该载荷支撑结构11分别与测量平台的上部载荷承受端5的内表面和下部固定端6的内表面连接,且该载荷支撑结构11的轴线穿过载荷承受端5的中点及固定端6的中点,该载荷支撑结构11替三维力传感器分摊施加在测量平台上的绝大部分三维力和三维扭矩,使处于测量平台中间部分的4个三维力传感器在大载荷作用下不至于被破坏并能够正常工作。
具体的,测量平台的中间部分为4个相互独立的三维力传感器,即每个传感器都可以用来单独测量三维力并具有解耦功能。每一个三维力传感器主要包含弹性结构12和半导体电阻应变计13,弹性结构12设置在载荷承受端5和固定端6之间,弹性结构12的上端面和载荷承受端5连接,弹性结构12的下端面和固定端6连接,每一个弹性结构12上设置有半导体电阻应变计13;在传感器受到三维力作用时,弹性结构12的表面产生微应变和应力,粘贴在弹性结构12表面的半导体电阻应变计13在该应力变化作用下自身电阻值发生变化,利用弹性结构12在不同方向外力作用下的应力分布特点,有针对性地布置半导体电阻应变计13并组合成3组惠斯通电桥测量电路,该惠斯通电桥测量电路只对三维力中的某一个方向外力敏感、而对另外两个方向的外力不敏感,从而实现对三维力的解耦测量。三维力传感器的具体结构,有两种实现方式。
优选的,参见图1、图8和图9,4个三维力传感器设置在一个正方形结构的四边的中点上,且两两对称,此处的对称为沿XY和YZ面均对称。
实施例1
作为优选的方案之一,三维力传感器的一种是多边形结构,因为多边形结构具有稳定性好、受力对称的特点,有利于实现多维力传感器物理解耦。本实施例中,以两个互相垂直的正八边形环状结构1221作为三维力传感器弹性结构,定义为双八边形弹性结构122,在双八边形弹性结构122的多个位置对称布置12个半导体电阻应变计13,组合成3个惠斯通全桥电路,实现三维力的解耦测量,具体介绍如下。参见图5(a)和图6(a),XY平面和XZ平面分别为双八边形弹性结构122的两个中心平面。
如图5(a)所示,基于双八边形弹性结构122的六维力测量平台的中间部分是四个双正八边形环状结构的三维力传感器,每一个双八边形弹性结构122的结构如图5(b)所示;每一个双八边形弹性结构122,由两个轴线互相垂直的正八边形环状结构1221组成,每一个正八边形环状结构1221由8个尺寸(长宽均相等)的平板依次连接收尾相接组成;平板为四边形,具体的能够为矩形或正方形,参见图(c)和图(d),通过平板形成的正八边形环状结构1221外圈轮廓为正八边形,内圈轮廓也为正八边形,外圈的正八边形和内圈的正八边形同轴线设置。平板的内表面中心和外表面中心形成的直线穿过双八边形弹性结构122的中心线,使得每一个正八边形环状结构1221为完全对称的结构。
参见图6(a),两个正八边形环状结构1221在上端面和下端面交叉处为正方形,进而形成一体的双八边形弹性结构122;两个正八边形环状结构1221的竖向中心线同轴线,所述轴线为x方向的轴线,所述轴线穿过上端面和下端面的中心处,使得两个正八边形环状结构1221在受力以后各自结构上对称位置处的应力大小相等,符号相同或相反。
每一个正八边形环状结构1221除上端面和下端面以外均为侧部的平面,每一个正八边形环状结构1221的侧面部分由三个平板组成,从上到下分别定义为上侧部分1222、中侧部分1223和下侧部分1224。在一个双八边形弹性结构122中,每一个下侧部分1224的外表面均设置有两个半导体电阻应变计13,因此两个正八边形环状结构1221的下侧部分1224上对称布置有8个半导体电阻应变计13。参见图6(a)和图6(b),8个半导体电阻应变计13分别简称为电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8
参见图6(a)和(b),电阻R1和电阻R2在一个下侧部分1224,且二者相对于XY中心面对称;电阻R3和电阻R4在一个下侧部分1224,且二者相对于XY中心面对称;电阻R5和电阻R6在一个下侧部分1224,且二者相对于XZ中心面对称;电阻R7和电阻R8在一个下侧部分1224,且二者相对于XZ中心面对称;电阻R1、电阻R2共同与电阻R3、电阻R4相对于XZ中心面对称,电阻R5、电阻R6共同与电阻R7、电阻R8相对于XY中心面对称。
两个正八边形环状结构1221中的一个正八边形环状结构1221的中侧部分1223上设置有4个半导体电阻应变计13,另一个没有设置。该正八边形环状结构1221的每一个中侧部分1223设置有2个半导体电阻应变计13,2个半导体电阻应变计13分别设置在内表面和外表面上。参见图6,4个半导体电阻应变计13分别简称为电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12。电阻R9和电阻R10分别位于同一个中侧部分1223的外表面和内表面,电阻R11和电阻R12分别位于同一个中侧部分1223的内表面和外表面。
参见图6(c),本实施例中的12个半导体电阻应变计13组合成3组测量电桥,分别用于测量X、Y和Z方向的三维力分量,并且互不干扰,如图7所示。更为具体的,电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4用于测量Y方向的三维力分量,电阻R5、电阻R6、电阻R7和电阻R8用于测量Z方向的三维力分量,电阻R9、电阻R10、电阻R11和电阻R12用于测量X方向的三维力分量。
更为优选的,半导体电阻应变计13在八边形结构的表面的布置位置需要遵循对称原则,即:参见图7中的(a)图,下侧部分1224上的半导体电阻应变计13相对于双八边形弹性结构122的第一中心面对称,所述第一中心面为下侧部分1224横向中心面,该中心面与水平方向呈45°夹角。参见图7中的(b)图,对于一个中侧部分1223上布置2个半导体电阻应变计13的情况,任意一个半导体电阻应变计13分别关于该部分的XY中心面或XZ中心面对称,且任意一个半导体应变计13相对于第二中心面对称,第二中心面为中侧部分1223的横向中心面,该中心面平行于YZ平面。
更为优选的,参见图7中的(b)图,对于中侧部分1223上的半导体应变计13,每一个半导体电阻应变计13设置在XY中心面上或XZ中心面上。每一个半导体应变计13的中心点和中侧部分1223的中心点重合,即设置在中侧部分1223上的每一个半导体应变计13设置在其所在中侧部分1223的中心点上。
下侧部分1224上的2个半导体电阻应变计13之间的距离越小越好,并且不同下侧部分1224上的2个半导体电阻应变计13之间的距离应该保持一致;参见图7中的(a)图;对于一个中侧部分1223的外表面和内表面分别布置1个半导体电阻应变计13的情况,这两个半导体电阻应变计13中的每一个半导体电阻应变计13的几何中心应该与这个中侧部分1223的几何中心重合,并且每一个半导体电阻应变计13关于该面的水平和竖直方向对称轴对称;如图7(b)所示。
图5、图6和图7所提出的三维力传感器结构方案,以及所设计的半导体电阻应变计13布置方案和测量电桥组合方案是经过专门设计,利用传感器结构和应力分布对称的特点,组合成具有差动输出和非敏感方向应力抵消功能的传感器测量电路,每个测量电路可以单独测量三维方向中的某一个特定方向的力而不受其他方向力的干扰,无需借助数据融合、最小二乘等算法就可以直接解耦测量三维力,在物理结构层面实现了三维力的解耦测量。
本实施例中正八边形受力以后其对称位置处的应力大小相等,符号相同或相反,通过该结构的规律确定半导体电阻应变计13和设计对应的测量电路,基于应力大小相等、符号相同或相反的规律实现三维力的解耦测量。
作为优选的方案之一,本实施例中的结构,利用四个双八边形三维力传感器组合成一个六维力测量平台。所述平台中的每一个双八边形弹性结构122的外侧边和固定端6的外侧边平齐,穿过XZ中心面的双八边形弹性结构122,XZ中心面同为该双八边形弹性结构122的中心面,穿过XY中心面的双八边形弹性结构,XY中心面同为该双八边形弹性结构122的中心面,布置在一个正方形结构的四边中点上,如图8所示,保证外力施加在载荷承受端5上以后,四个双八边形三维力传感器受到的力是大小相等的(受力的方向视具体外力的不同,可能有差别)。
实施例2
作为优选的方案之一,三维力传感器一种是梁式结构,可以是直梁式结构,也可以是变截面梁121,但其核心是在梁结构上布置半导体电阻应变计13并组合成可以解耦测量三维力分量的3个惠斯通电桥。
具体的,如图9(a)所示,基于变截面梁121的六维力测量平台的中间部分是四个变截面、直梁式的三维力传感器,每个三维力传感器的结构如图9(b)所示。变截面梁121分为上、下两个短且粗的外端四棱柱1211和中间一个长且细的中间四棱柱1212,中间四棱柱1212设置在两个外端四棱柱1211之间,三者一体连接。具体的,沿YZ方向的截面,外端四棱柱1211的长度大于中间四棱柱1212的长度,外端四棱柱1211的宽度大于中间四棱柱1212的宽度;沿X方向,外端四棱柱1211的高度小于中间四棱柱1212的高度。其中,上、下两个短且粗的外端四棱柱1211起支撑作用,中间长且细的中间四棱柱1212作为三维力传感器的弹性结构12,设定每一个中间四棱柱1212朝向六维力测量平台中间的壁面为内壁面,和内壁面相对壁面为外壁面,其余的两个壁面为侧壁面。在每一个中间四棱柱1212的四个面上对称布置有10个半导体电阻应变计13,中间四棱柱1212的每一个侧壁上都设置有两个并列的半导体电阻应变计13,其中内壁面和外壁面在两个半导体电阻应变计13的下方还设置有一个半导体电阻应变计13,下方的半导体电阻应变计13设置在内、外壁面竖向(X向)中心线上。如图10中的(a)、(b)和(c)所示,这10个半导体电阻应变计13组合成3组测量电桥,分别用于测量X、Y和Z方向的三维力分量,并且互不干扰,如图10中的(d)、(e)和(f)所示。其中,VY、VZ、VX分别表示Y方向、Z方向和X方向的测量结果。
具体的,参见图10中的(a)、(b)和(c),本实施例中的10个半导体电阻应变计13分别简称为电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9和电阻R10
更为优选的,在X方向上,电阻R1~电阻R8八个电阻,高度相同及大小相同;电阻R1和电阻R2在一个壁面上,且二者相对于XY平面对称;电阻R3和电阻R4在一个壁面上,且二者相对于XY平面对称;电阻R5和电阻R6在一个壁面上,且二者相对于XZ平面对称;电阻R7和电阻R8在一个壁面上,且二者相对于XZ平面对称;电阻R1和电阻R2之间的距离越小越好,电阻R3和电阻R4之间的距离越小越好,电阻R5和电阻R6之间的距离越小越好,电阻R7和电阻R8之间的距离越小越好。电阻R1、电阻R2与电阻R3、电阻R4相对于XZ平面对称。电阻R5、电阻R6与电阻R7、电阻R8相对于XY平面对称。
R9和R10,在X方向上的高度相同,关于XZ平面对称,都布置各自所在侧壁面的正中间。
图10提出的半导体电阻应变计13布置方案和测量电桥组合方案是经过专门设计,利用传感器结构和应力分布对称的特点,组合成具有差动输出和非敏感方向应力抵消功能的传感器测量电路,每个测量电路可以单独测量三维方向中的某一个特定方向的力而不受其他方向力的干扰,在物理结构层面实现了三维力的解耦测量而无需借助数据融合、最小二乘等算法就可以直接解耦测量三维力;本发明中使用的半导体电阻应变计13是基于微机电系统技术加工而成的半导体电阻应变计13,该应变计尺寸小、精度高、灵敏度大,对于提高传感器的测量精度和降低交叉干扰具有重要作用;图10(f)中“2R0”是固定电阻,电阻值是1个半导体电阻应变计13的2倍。作为优选的方案之一,半导体电阻应变计13的电阻尺寸为3×0.2×0.04mm3,灵敏系数为150,材料为掺杂的半导体单晶硅。
实施例1和实施例2中,六维力测量平台的工作原理与解耦方法为:
本发明中所设计的六维力测量平台以及三维力传感器布置方案充分考虑了结构对称性以及扭矩分解的便携性。4个三维力传感器在分别受到三维力和扭矩作用时,其传感器输出呈现以下特点:
(1)在X方向外力作用下,四个三维力传感器X方向测量电路的输出大小相等,方向相同,有V1x=V2x=V3x=V4x;四个传三维力感器的Y方向和Z方向测量电路保持平衡,输出为0,如下表所示。
表1 X方向外力作用下传感器输出特性
X方向输出 Y方向输出 Z方向输出
第一传感器1 V<sub>1x</sub> 0 0
第二传感器2 V<sub>2x</sub> 0 0
第三传感器3 V<sub>3x</sub> 0 0
第四传感器4 V<sub>4x</sub> 0 0
(2)在Y方向外力作用下,四个三维力传感器Y方向测量电路的输出大小相等,方向相同,有V1y=V2y=V3y=V4y;四个三维力传感器的X方向和Z方向测量电路保持平衡,输出为0,如下表所示。
表2 Y方向外力作用下传感器输出特性
X方向输出 Y方向输出 Z方向输出
第一传感器1 0 V<sub>1y</sub> 0
第二传感器2 0 V<sub>2y</sub> 0
第三传感器3 0 V<sub>3y</sub> 0
第四传感器4 0 V<sub>4y</sub> 0
(3)在Z方向外力作用下,四个三维力传感器Z方向测量电路的输出大小相等,方向相同,有V1z=V2z=V3z=V4z;四个三维力传感器的X方向和Y方向测量电路保持平衡,输出为0,如下表所示。
表3 Z方向外力作用下传感器输出特性
X方向输出 Y方向输出 Z方向输出
第一传感器1 0 0 V<sub>1z</sub>
第二传感器2 0 0 V<sub>2z</sub>
第三传感器3 0 0 V<sub>3z</sub>
第四传感器4 0 0 V<sub>4z</sub>
(4)在绕X轴的扭矩作用下,四个三维力传感器X方向测量电路输出为0,Y和Z方向测量电路的输出大小相等,方向两两相反,有V1y=-V3y=V2z=-V4z,如下表所示。
表4绕X轴的扭矩作用下传感器输出特性
X方向输出 Y方向输出 Z方向输出
第一传感器1 0 V<sub>1y</sub> 0
第二传感器2 0 0 V<sub>2z</sub>
第三传感器3 0 V<sub>3y</sub> 0
第四传感器4 0 0 V<sub>4z</sub>
(5)在绕Y轴的扭矩作用下,四个三维力传感器Y和Z方向测量电路的输出为0,X方向测量电路的输出大小相等,方向相反,有V1x=-V3x,如下表所示。
表5绕Y轴的扭矩作用下传感器输出特性
X方向输出 Y方向输出 Z方向输出
第一传感器1 V<sub>1x</sub> 0 0
第二传感器2 0 0 0
第三传感器3 V<sub>3x</sub> 0 0
第四传感器4 0 0 0
(6)在绕Z轴的扭矩作用下,四个三维力传感器Y和Z方向测量电路的输出为0,X方向测量电路的输出大小相等,方向相反,有V2x=-V4x,如下表所示。
表6绕Z轴的扭矩作用下传感器输出特性
X方向输出 Y方向输出 Z方向输出
第一传感器1 0 0 0
第二传感器2 V<sub>2x</sub> 0 0
第三传感器3 0 0 0
第四传感器4 V<sub>4x</sub> 0 0
本发明中采用多传感器数据融合与耦合抵消算法,根据多维力和扭矩作用下各个三维力传感器的输出特性,设计如下解耦算法。
VFx=V1x+V2x+V3x+V4x
VFy=V1y+V2y+V3y+V4y
VFz=V1z+V2z+V3z+V4z
VTx=V1y-V3y+V2z-V4z (1)
VTy=V1x-V3x
VTz=V2x-V4x
其中,VFx、VFy、VFz、VTx、VTy、VTz分别表示三维力和三维扭矩的解耦测量结果,Vix、Viy、Viz(i=1,2,3,4)分别表示四个传感器X、Y、Z方向的输出。该解耦算法可以实现多维力/扭矩的解耦测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,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 (21)

1.一种六维力测量平台,其特征在于,包括从下到上依次设置的固定端(6)、四个三维力传感器和载荷承受端(5);
所述固定端(6)和所述载荷承受端(5)均为平板结构;
两个三维力传感器相对于测量平台的XY中心面对称,且穿过XZ中心面;
另外两个三维力传感器相对于测量平台的XZ中心面对称,且穿过XY中心面;
每一个所述三维力传感器包括弹性结构(12),所述弹性结构(12)上至少设置有10个半导体电阻应变计(13);所有的所述半导体电阻应变计(13)分组组成三组惠斯通电桥;
所述弹性结构(12)包括四个侧壁,每一个侧壁上设置有一对半导体电阻应变计(13);剩余的半导体电阻应变计(13)设置在相对的外侧壁和内侧壁上;
所述一对半导体电阻应变计(13)相对于XY中心面对称,或相对于XZ中心面对称;剩余的两个所述半导体电阻应变计(13)分别设置在外侧壁和内侧壁的竖向中心面上,所述竖向中心面平行于XY中心面或XZ中心面。
2.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述载荷承受端(5)的中心处设置有载荷接触结构(501)。
3.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述载荷承受端(5)设置有支撑筋结构(503)。
4.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述载荷承受端(5)上布设有若干个螺纹孔(502)。
5.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述固定端(6)和所述载荷承受端(5)之间设置有载荷支撑结构(11)。
6.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述载荷承受端(5)和所述固定端(6)平行。
7.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述载荷承受端(5)和所述固定端(6)的形状及尺寸均相同。
8.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述弹性结构(12)为双八边形弹性结构(122),所述双八边形弹性结构(122)由两个轴线相互垂直的正八边形环状结构(1221)交叉组成;两个交叉的所述正八边形环状结构(1221)为同一个竖向中心线;
任意一个所述正八边形环状结构(1221)由八个平板首尾相接组成,所述平板为四边形;
所述正八边形环状结构(1221)的外圈为正八边形,内圈为正八边形,内圈和外圈同轴线;
两个所述正八边形环状结构(1221)的交叉部分为正方形。
9.根据权利要求8所述的一种六维力测量平台,其特征在于,每一个所述正八边形环状结构(1221)的每一个侧面部分上包括从上到下依次连接的上侧部分(1222)、中侧部分(1223)和下侧部分(1224);每一个下侧部分(1224)的外表面上设置有所述一对半导体电阻应变计(13);
其中一个正八边形环状结构(1221)的两个中侧部分(1223),每一个中侧部分(1223)各自设置有两个半导体电阻应变计(13)。
10.根据权利要求9所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述两个半导体电阻应变计(13)分别设置在所述中侧部分(1223)的内表面和外表面上;
所述两个半导体电阻应变计(13)均设置在所述中侧部分(1223)的竖向中心面上,两个半导体电阻应变计(13)中任意一个相对于双八边形弹性结构(122)的XY中心面或XZ中心面对称。
11.根据权利要求9所述的一种六维力测量平台,其特征在于,下侧部分(1224)上的一对半导体电阻应变计(13)相对于双八边形弹性结构(122)的XY中心面或XZ中心面对称。
12.根据权利要求9所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述中侧部分(1223)的所述半导体电阻应变计(13)相对于第一水平中心面对称,所述第一水平中心面为所述中侧部分(1223)的水平中心面。
13.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述弹性结构(12)为横截面改变的变截面梁(121);
所述变截面梁(121)的每一个侧壁上并列设置有两个半导体电阻应变计(13),所述变截面梁(121)的内壁面和外壁面上还设置有一个单独的半导体电阻应变计(13),单独的所述半导体电阻应变计(13)在并列的两个所述半导体电阻应变计(13)的下方。
14.根据权利要求13所述的一种六维力测量平台,其特征在于,两个并列的所述半导体电阻应变计(13)相对于侧壁面的竖向中心线对称;
所述单独的半导体电阻应变计(13)相对于XY平面或XZ平面对称。
15.根据权利要求13所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述变截面梁(121)沿竖直方向包括两个外端四棱柱(1211),以及设置在两个外端四棱柱(1211)之间的中间四棱柱(1212),所述中间四棱柱(1212)和所述外端四棱柱(1211)同轴线且一体连接。
16.根据权利要求15所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述外端四棱柱(1211)横截面的长大于中间四棱柱(1212)横截面的长,所述外端四棱柱(1211)横截面的宽大于中间四棱柱(1212)横截面的宽,所述中间四棱柱(1212)的高度大于一个所述外端四棱柱(1211)的高度。
17.根据权利要求15所述的一种六维力测量平台,其特征在于,所述半导体电阻应变计(13)设置在所述中间四棱柱(1212)的侧壁面上。
18.根据权利要求1-17任意一项所述的六维力测量平台,其特征在于,所述六维力测量平台由金属铸造制成或3D打印制成,所述测量平台为一个整体。
19.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,在X方向外力作用下,四个所述三维力传感器X方向测量电路的输出大小相等,方向相同;
在Y方向外力作用下,四个所述三维力传感器Y方向测量电路的输出大小相等,方向相同;
在Z方向外力作用下,四个所述三维力传感器Z方向测量电路的输出大小相等,方向相同。
20.根据权利要求1所述的一种六维力测量平台,其特征在于,在绕X轴的扭矩作用下,四个所述三维力传感器X方向测量电路输出为0,Y方向和Z方向测量电路的输出大小相等,方向两两相反;
在绕Y轴的扭矩作用下,四个所述三维力传感器Y和Z方向测量电路的输出为0,X方向测量电路的输出大小相等,方向相反;
在绕Z轴的扭矩作用下,四个所述三维力传感器Y和Z方向测量电路的输出为0,X方向测量电路的输出大小相等,方向相反。
21.一种基于权利要求1-20任意一项所述的六维力测量平台的解耦方法,其特征在于,所述解耦方法的公式为:
其中,VFx、VFy、VFz、VTx、VTy、VTz分别表示三维力和三维扭矩的解耦测量结果,Vix、Viy、Viz(i=1,2,3,4)分别表示四个传感器X、Y、Z方向的输出。
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