CN114964596A - 基于扩展最佳精度空间的多维力传感器及分布式测力系统 - Google Patents

基于扩展最佳精度空间的多维力传感器及分布式测力系统 Download PDF

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CN114964596A CN202210563928.5A CN202210563928A CN114964596A CN 114964596 A CN114964596 A CN 114964596A CN 202210563928 A CN202210563928 A CN 202210563928A CN 114964596 A CN114964596 A CN 114964596A
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Abstract

基于扩展最佳精度空间的多维力传感器及分布式测力系统，属于多维力测量领域。本为了现有技术并没有意识到力矩测量精度随着测力点远离该多维力传感器而急剧降低的问题，本发明基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，包括支撑平台、负载平台、参考支撑平台和带有虚拟杠杆的位移传感器；所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，将光路折叠实现位移的测量；负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上；在参考支撑平台和负载平台之间布置有测量参考支撑平台和负载平台两者微位移的位移传感器。主要用于多维力的测量。

Description

基于扩展最佳精度空间的多维力传感器及分布式测力系统
技术领域
本发明涉及一种多维力传感器，属于多维力测量领域。
背景技术
多维力传感系统(Multi-axis force sensing system，MAFS)、多维力传感器(Multi-axisforcesensor)是机器人、航空航天、仿生学、风洞/水洞天平、火箭/喷水发动机推力测试、机械加工、汽车测试等领域最重要的传感器。冗余并联梁式多维力传感器的给出了一种实现高精度多维力传感器的解决方案，其基本思想是位移域到力域的变换。
授权公告号为CN112611498B的发明提供了一种“基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法”，该方法可以高精度获取多维力。
授权公告号为CN112611497B的发明提供了一种“并联杆系多维力传感器结构”，其内包含有多种可以用于多维力传感器的并联式杆系结构。
授权公告号为CN112611499B的发明提供了“多维力传感器的负载平台微位移测量方法及测量敏感元件的安装方法”，该方法提供了位移传感器(即测量敏感原件)在多维力传感器的安装方法及测量算法，明确说明了位移传感器解耦安装的重要性及解耦布置安装方式。
申请公开号为CN113091979A的发明提供了“分布式多维力测力系统及测力方法”，用于解决大地固定状态下大范围多维力测量时多个多维传感器在地面的固定方法及用作多个多维力传感器测量的多维力进行合并计算的参考的传感器框架的设计及布置方法以及计算方法。
申请公开号为CN113063538A的发明提供了“分布式多维力传感器”，用于解决不在大地固定的移动式大范围多维力测量时多个多维传感器在移动状态下的固定方法及用作多个多维力传感器测量的多维力进行合并计算的移动状态下的参考的传感器框架的设计及布置方法以及计算方法。
上述个发明基于冗余并联梁式多维力传感器(或多维力传感系统)实现了高精度多维力测量。但上述的发明，以及截至目前为止的现有技术(多维力传感器领域的现有技术)还没有针对于测量敏感元件(位移传感器)的误差对多维力测量误差的影响的相关理论性研究，进而难以提出如何减小该误差对多维力误差的影响的具体实时方案。
因为传统上，一般认为多维力传感器的精度是一个固定值，因此对测量敏感原件(一般可视为位移传感器，包括压电晶体和应变片)的安放比较随意。但是，经过本发明的相关研究发现(具体相关研究参见本发明具体实施方式中部分的研究和分析)，实际上所有多维传感器所采用的敏感元件的测量误差及敏感元件的布置方式对多维力测量精度影响较大，尤其在实际测量点远离多维力传感器时，测量的力矩误差会随着测量点与多维力传感器距离的增大而急剧增大，但测量的力误差保持不变，在本发明之前并未有现有技术发现这种现象。
发明内容
本发明是为了现有技术并没有意识到敏感元件测量误差及敏感元件的布置方式对多维力测量精度影响从而导致力矩测量精度随着测力点远离该多维力传感器而急剧降低的问题，即如何解决扩展多维力传感器最佳精度空间的问题。
基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，包括支撑平台、负载平台、参考支撑平台和带有虚拟杠杆的位移传感器；
所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，将光路折叠实现位移的测量；
负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上；在参考支撑平台和负载平台之间布置有测量参考支撑平台和负载平台两者微位移的位移传感器。
进一步地，所述参考支撑平台和支撑平台直接设置有支撑平台变形滤波器，支撑平台变形滤波器即设置在参考支撑平台和支撑平台之间的柔性结构。
进一步地，位移传感器带有的虚拟杠杆包括光学杠杆或者电磁虚拟杠杆，即位移传感器通过光学杠杆或者电磁虚拟杠杆实现位移测量。
基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，包括支撑平台、负载平台、参考支撑平台、参考负载平台和带有虚拟杠杆的位移传感器，以及负载平台变形滤波器；
所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，将光路折叠实现位移的测量；
负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上，参考负载平台之间设置在负载平台上；在参考支撑平台和参考负载平台之间布置有测量参考支撑平台和参考负载平台两者微位移的位移传感器；
所述负载平台变形滤波器为负载平台与参考负载平台之间的柔性结构。
进一步地，所述参考支撑平台和支撑平台直接设置有支撑平台变形滤波器，支撑平台变形滤波器即设置在参考支撑平台和支撑平台之间的柔性结构。
进一步地，位移传感器带有的虚拟杠杆包括光学杠杆或者电磁虚拟杠杆，即位移传感器通过光学杠杆或者电磁虚拟杠杆实现位移测量。
利用基于扩展最佳精度空间的多维力传感器的分布式测力系统，所述分布式测力系统包括负载框架和支撑框架，其特征在于，所述分布式测力系统还包括参考框架和若干个基于扩展最佳精度空间的多维力传感器；基于扩展最佳精度空间的多维力传感器为基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，简记为多维力传感器；
载荷物体与负载框架相连接，负载框架与所有的多维力传感器的负载平台相连接；或者，将载荷物体直接与多维力传感器的负载平台相连接，此时将载荷物体直接视为负载框架；
所有多维力传感器的支撑平台与支撑框架相连接，支撑框架最终连接到大地上；或者将多维力传感器的支撑平台直接与大地连接，此时将大地直接视为支撑框架；
所述的分布式测力系统还包括若干个第二位移传感器，第二位移传感器采用虚拟杠杆位移传感器，第二位移传感器的发射端和接收端分别设置在参考框架和多维力传感器的负载平台上；所述第二位移传感器用于测量多维力传感器的当前位姿。
或者，
针对将基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，将采用虚拟杠杆位移传感器进行复用，复用端设置在参考框架上；复用是指多维力传感器与参考框架、参考支撑平台共用一套采用虚拟杠杆的位移传感器，位移传感器设置一个发射端、两个接收端，两个接收端通过复用方式对同一个发射端发射的发射信号进行检测；设置在参考框架上的复用端用于测量多维力传感器的当前位姿。
有益效果：
本发明发现敏感元件测量误差及敏感元件的布置方式对多维力测量精度影响从而导致力矩测量精度随着测力点远离该多维力传感器而急剧降低的问题，采用虚拟杠杆和变形滤波器可以实现紧凑结构条件下的大范围高精度多维力测量，扩展了多维力传感器最佳精度空间，提高了测量精度。
附图说明
图1为基于扩展最佳精度空间的多维力传感器结构示意图；图2为刚性杆沿y轴的位移误差示意图；图3为传感器位置对位移误差的影响示意图；图4为多维力测量误差的误差分量构成图；图5为DMAFSS中的单个平面结构MAFS；图6为相对于传感器的角度γ的广义位移综合误差
Figure BDA0003657540510000031
(小范围：x∈[-2,2],y∈[-2,2])的仿真图；图7为相对于传感器角度γ的广义位移综合误差
Figure BDA0003657540510000032
(大范围：x∈[-40,40],y∈[-40,40])的仿真图；图8为相对于传感器距离L的广义位移综合误差
Figure BDA0003657540510000033
的仿真图；图9为关于z轴的姿态误差
Figure BDA0003657540510000034
的仿真图；图10为相对于传感器角度γ的广义力综合误差
Figure BDA0003657540510000035
(小范围,x∈[-2,2],y∈[-2,2])的仿真图；图11为相对于传感器角度γ的广义力综合误差
Figure BDA0003657540510000036
(大范围,x∈[-40,40],y∈[-40,40])的仿真图；图12为相对于传感器距离L的广义力综合误差
Figure BDA0003657540510000037
的仿真图；图13为力误差的仿真图；图14为常规光路与光杠杆光路示意图；图15为不同光杠杆形式的光路示意图；图16为变形区域与变形滤波器示意图；图17为负载平台位移示意图；图18为带有光学杠杆和变形过滤器的多维力传感器；图19为带光学杠杆的多维力传感器的最佳精度空间；图20为位移传感器误差仿真示意图；图21为仿真中全局力误差的计算；图22为由位移传感器误差计算的全局位移误差(L＝100，R＝100，N＝1000)效果图；图23为由位移传感器误差计算的全局力误差(L＝100，R＝100，N＝1000)效果图；图24为由局部力误差引起的全局力误差(L＝100，R＝100，N＝1000)效果图；图25(a)和图25(b)为多维力传感器的分布式测力系统结构示意图；图26为基于扩展最佳精度空间的多维力传感器结构示意图(带有滤波器)，图27为最佳精度空间示意图。
具体实施方式
实际上本发明是一种采用虚拟杠杆位移传感器扩展多维力传感器/系统的最佳精度空间的方法体系下的产品。
为了充分说明基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，以及进一步采用变形滤波器的多维力传感器是本领域中并没有的技术方案，也是本领域技术人员不能够想到的技术方案，首先对本发明的相关研究中发现“所有多维传感器所采用的敏感元件都存在测量误差，而这种测量误差对多维力测量精度影响较大，尤其在实际测量点远离多维力传感器时，测量的力矩误差会随着测量点与多维力传感器距离的增大而急剧增大，但测量的力误差保持不变”的现象和仿真验证过程进行说明。可以将该过程成为多维力传感器的误差计算方法，提出相应的精度空间概念，通过该方法说明位移传感器误差对多维力测量误差的影响，以进一步说明虚拟杠杆、变形滤波器和双多维力测力系统的重要作用。
为了讨论分析方便，下面给出了相关误差符号及参数定义。
Figure BDA0003657540510000041
符号中的相关英文含义表示如下：
Displacement-sensor(k,l)error limit along its sensitive axis，沿传感器敏感测量轴线的位移传感器(k,l)误差。
Figure BDA0003657540510000045
caused by
Figure BDA0003657540510000042
由
Figure BDA0003657540510000043
导致的
Figure BDA0003657540510000044
Coordinate system，坐标系统。MAFS number:k,gor blank indicates the wholeDMAFSS，MAFS序号:k,g或者空白表示整个分布式多维力测量系统。Point the errorimposed on，误差施加点。Target coordinate system，目标坐标系统。Error:Transformation matrix error，误差:转换矩阵误差。Source coordinate system，源坐标系统。Coordinate system，坐标系统。MAFS number:k；g or blank indicates the wholeDMAFSS，MAFS序号:k；g或者空白表示整个分布式多维力测量系统。
Accuracy space:One or multiple enclosed spaces，精度空间:一个或多个封闭空间。Point the accuracy space relative to，精度空间相对点。indicates withinthe enclosed space,the comprehensive force error of the kth MAFS in the globalcoordinate system is equal to or less than 0.03N；表示在精度空间内，在全局坐标系统内第kth个多维力传感器的综合误差小于等于0.03N。If it is a generalizeddisplacement or force accuracy space,it has no unit.Otherwise,its unitdepends on the type of the accuracy space，如果其是一个泛化位移或力精度空间，则其不带单位，否则，其单位与相应的精度空间类型相同。
Error:eQ-Generalized force error；eF-Force error；eM-Torque error；eΔ-Generalized displacementerror；eD-Displacement error；eθ-Angle error；即，误差:eQ-泛化力误差；eF-力误差；eM-力矩误差；eΔ-泛化位移误差；eD-位移误差；eθ-角度误差。Error type:lim–Error limit；max-Maximum of the random errors；Blank-Randomerror within the error limit；即，误差类型:lim–误差极限；max-随机误差中的最大误差；空白-误差极限内的随机误差。Error direction:x-Along/About axis x；y-Along/About axis y；z-Along/About axis z；Blank-A vector including x,y,and z；即，误差方向:x-沿/绕x轴；y-沿/绕y轴；z-沿/绕z轴；空白-表示包括x,y,andz的向量。Type of theaccuracy space:Δ-Generalized displacement；D-Displacement；θ-Angle；Q-Generalized force；F-force；M-Torque；即，精度空间类型:Δ-泛化位移；D-位移；θ-角度；Q-泛化力；F-力；M-力矩。
(1)位移传感器的位移精度空间
可以使用“误差”或“不确定性”的概念来分析传感系统的精度，本发明中使用“误差”的概念进行分析。如图2所示，图2为刚性杆沿y轴的位移误差示意图，其中图2(a)为两传感器有夹角状态误差图，图2(b)为量传感器平行状态误差图，图2(c)为姿态(角度)误差图。
假设一个刚性杆沿x轴水平放置，求其在全局坐标系中沿y轴有位移误差，采用两个误差极限为elim的位移传感器进行测量。如图2(a)所示，点A在y方向的位移和误差可表示为：
Figure BDA0003657540510000051
式中：γ为相邻两个传感器夹角；r为传感器测量点到坐标系原点距离；l为传感器测量点到所有传感器中心点距离；ψ为传感器测量点到所有传感器中心连线与x轴夹角；
Figure BDA0003657540510000052
Figure BDA0003657540510000053
在γ＝0的情况下，如图2(b)所示，公式(3)可以重写为：
Figure BDA0003657540510000054
如图2(c)所示，角度(姿态)误差极限可以表示为：
Figure BDA0003657540510000055
对于位移两个位移传感器之间的点A，位移误差不超过elim/cos(γ)。对于位于两个位移传感器的之外的点A的误差，包括由姿态误差产生的额外误差。两个位移传感器之间的空间称为最佳精度空间。图3为传感器位置对位移误差的影响示意图，其中图3(a)为最佳精度空间示意图，图3(b)为远距离布置方案和小误差方案最佳精度空间及误差示意图。
图3(a)中，两个位移传感器之间的距离减小到l/2，位移传感器的误差极限也减小到原来误差极限的一半，那么，原来最佳精度空间内的误差只有原来的一半，但原来最佳精度空间外的误差保持不变。图3(b)中，降低传感器误差极限(使用精确传感器)可以提高最佳精度空间内或最佳精度空间外的精度。增加两个传感器之间的距离只能提高原始最佳精度空间之外的精度，原始最佳精度空间内的误差极限(精度)保持不变。图3(a)和图3(b)中，Error limit of the sensor：传感器误差极限；Displacement error along y：沿y方向的位移误差；Long-distance placement：长距离布置；Small-error displacement sensor：小误差位移传感器；Optimum accuracy space：最佳精度空间；
通过上述分析可知，当两个传感器距离较远时，位移最佳精度空间比较大，当两个传感器距离一定时，在两个传感器外侧，测量误差随着测量点距位移最佳精度空间距离的增大而增大，但转角(姿态)的精度一直是保持不变的。力的精度空间与转角(姿态)的精度空间一致，即力的精度不随测量点的位置变化而变化，力矩的精度空间与位移的精度空间一致，即力矩的精度随着测量点远离最佳精度空间而急剧变差。下面来具体对此进行分析：
对于分布式多维力传感系统(DMAFSS，Distributed multi axis force sensingsystem)，上述效应和关系可以进行解析建模，以确定最优的传感器布置并确保良好的力测量精度。一个分布式多维力传感系统多维力测量误差的误差分量构成如图4所示，其中，MAFS，Multi-axis force sensor：多维力传感器；MAFSS，Multi-axis force sensingsystem：多维力传感系统；IndividualMAFS：单个MAFS；Individual MAFS in the MAFSS：多维力传感系统中的单个多维力传感器；Global force of the whole MAFSS：整个多维力传感系统的全局力；Loading frame：负载框架；Supporting frame：支撑框架；Referenceframe：参考框架；Loadingplatform：负载平台；Supportingplatform：支撑平台；Loadingdisplacement sensor：负载位移传感器；Reference displacement sensor：参考位移传感器。
根据冗余并联梁多维力传感器的计算模型可以首先计算多维力传感器由于位移传感器的测量误差而导致的单个MAFS的全局点的位姿测量误差。
Figure BDA0003657540510000061
式中[ak,l]为第k个MAFS的系数矩阵，
Figure BDA0003657540510000062
为第k个MAFS的负载平台位移，δk,l为第k个MAFS上用于测量其负载平台位移的[1,…,l,…L]个位移传感器的测量量构成的矢量，则：
Figure BDA0003657540510000063
Figure BDA0003657540510000064
Figure BDA0003657540510000065
Figure BDA0003657540510000066
则，广义位移、位移和姿态综合误差极限为：
Figure BDA0003657540510000071
Figure BDA0003657540510000072
Figure BDA0003657540510000073
在全局坐标系中第k个MAFS所施加的力为：
Figure BDA0003657540510000074
其中,
Figure BDA0003657540510000075
为一个标准的矢量传递矩阵，即将泛化六维力
Figure BDA0003657540510000076
等效传递至
Figure BDA0003657540510000077
则，力的误差可以表示为：
Figure BDA0003657540510000078
Figure BDA0003657540510000079
表示由MAFS引起的误差(由局部力误差引起)，并
Figure BDA00036575405100000710
表示由变换矩阵引起的误差(由位移传感器误差引起)。
则，全局力误差极限为：
Figure BDA00036575405100000711
其中
Figure BDA00036575405100000712
表示系统中第k个MAFS的容许力极限。此外，广义力、力和力矩综合误差极限为：
Figure BDA00036575405100000713
Figure BDA00036575405100000714
Figure BDA00036575405100000715
根据方程(16)，局部力误差可以转换为全局力误差：
Figure BDA00036575405100000716
如图4所示，单个MAFS在其局部坐标系中的力为：
Figure BDA00036575405100000717
其中S表示可观测的可变刚度矩阵，那么：
Figure BDA00036575405100000718
显然，单个MAFS的局部力误差可以分为两部分，一部分是由局部位移传感器引起的误差，另一部分是由载荷偏移(或刚度矩阵的方差)引起的误差。加载偏移误差相对复杂，将在进一步研究中详细讨论。这里，假设刚度矩阵s是一个常数矩阵。局部位移传感器误差可以表示为
Figure BDA0003657540510000081
那么，由内部位移传感器在其局部坐标系中引起的误差是：
Figure BDA0003657540510000082
假设加载框架的变形可以忽略不计，
Figure BDA0003657540510000083
那么，在全局坐标系中，以下关系适用：
Figure BDA0003657540510000084
Figure BDA0003657540510000085
相应的局部位移传感器误差的位移误差极限可以表示为：
Figure BDA0003657540510000086
Figure BDA0003657540510000087
与方程相比，内部位移传感器误差引起的整体位移/力误差与外部位移传感器在参考系上的误差相似。在下面的模拟中，由MAFS刚度的方差和由内部位移传感器误差引起的误差被合并为一个，即局部力误差。
等式中的变换矩阵可以表示为：
Figure BDA0003657540510000088
则：
Figure BDA0003657540510000089
其中
Figure BDA00036575405100000810
表示雅可比矩阵的偏导数。因为通常从ok到ok'距离很小，所以使用差分矩阵来简化计算，
Figure BDA00036575405100000811
其中
Figure BDA00036575405100000812
是一个6乘6的单位矩阵，I6。
因此，
Figure BDA00036575405100000813
的极限可以估算为：
Figure BDA00036575405100000814
其中
Figure BDA00036575405100000815
可以用公式计算，
Figure BDA00036575405100000816
是误差极限的近似值，
Figure BDA00036575405100000817
因此，全局力误差极限的近似值可以写为：
Figure BDA0003657540510000091
根据上述公式最终可以得到的多维力误差模型为：
Figure BDA0003657540510000092
上述分析表明，位移误差对力误差有显著影响。事实上，应变片和压电晶体也可以认为是位移传感器。需要特定的结构来分析位移传感器布置的效果。
下面采用一个实例对上述分析公式进行说明。平面结构的例子如图5所示，图5为DMAFSS中的单个平面结构MAFS；其中图5(a)为放置于传感器框架上的外部位移传感器，图5(b)为放置于支撑平台上的内部位移传感器；其中，Outer displacement sensor on thesensor frame：传感器框架上的外部位移传感器；Inner displacement sensor on thesupporting platform：支撑平台上的内部位移传感器；
表1位移传感器和单个MAFS的参数
Figure BDA0003657540510000093
图5所示例子，参考系上的四个外部位移传感器和加载平台上的四个内部传感器用于测量加载平台的位移。这些传感器的参数如表1所示。
如图5(a)所示，假设任一位移传感器在其局部坐标系中的敏感轴为x轴，则位移求解方程组的系数矩阵可根据下面计算：
Figure BDA0003657540510000094
系数矩阵是：
Figure BDA0003657540510000095
那么：
Figure BDA0003657540510000101
Figure BDA0003657540510000102
式中：sγ＝sin(γ),cγ＝cos(γ),tγ＝tan(γ)。
把方程代入方程，
Figure BDA0003657540510000103
就可以计算出来。然后
Figure BDA0003657540510000104
代入方程得到
Figure BDA0003657540510000105
再将
Figure BDA0003657540510000106
代入方程得到
Figure BDA0003657540510000107
因为力可以施加在任何点上，o(R,ψ)，所以应该分析载荷点对力误差的影响。
(1)外部位移传感器的位移精度空间：
所有位移传感器的误差被标准化，即
Figure BDA0003657540510000108
当γ＝0，系数矩阵方程为病态矩阵，条件数[ak,l]T[ak,l]为无穷大时；因此，无法正确计算沿x轴的值。根据方程，沿x轴的误差是无限的。下面根据上述公式绘制关于传感器布置距离L和布置夹角γ的广义位移(包括位移和转角)综合误差图。如图6-8所示，当L＝1时，位移综合误差相对于γ的等值线如图6所示。当γ＝π/2时，位移综合误差相对于L的轮廓线如图7和图8所示。
图6展示了载荷点位于位移传感器范围内的位置，位移综合误差相对较小，最小综合误差随着γ的减小而增大。图6和图7显示出了当γ→0，
Figure BDA0003657540510000109
因此说明了位移传感器的正交布置对于提高精度是合理的。图8显示了通过增加L可以减少位移综合误差。因此，长距离布置的位移传感器对于良好的精度更好。
采用精度空间
Figure BDA00036575405100001010
来表示上面的综合误差，在坐标系统okxkykzk中，精度空间内任意点的综合误差等于或小于根据等式的误差。上图中位移综合误差等高线围成的空间称为位移精度空间。
图6～图8表明，广义位移测量综合误差随着测量点远离原点位置而急剧增大，在测量点位置固定情况下，如位移传感器布置距离L增大则测量误差减小，传感器夹角γ为90°时误差较小。
如图9所示，姿态误差极限
Figure BDA00036575405100001011
在整个空间不变。
(2)外部位移传感器的力精度空间允许的力极限标准化为
Figure BDA00036575405100001012
在图10、图11、图12中绘出了相对于γ和L的广义力误差(包括力和力矩)。类似地，位移传感器的正交和长距离布置可以提高力测量精如图13所示，力误差
Figure BDA00036575405100001013
力误差极限
Figure BDA00036575405100001014
在整个空间为常数。图13所示的力误差极限仅取决于图9中的姿态误差。
由以上分析可知，位移/力的误差很大程度上取决于位移传感器之间的距离及传感器的正交性。
正是基于本发明的相关研究才使得本发明光杠杆具有了出现的前提基础，如果没有上述研究，本领域技术人员是根本就不会想到本发明的。下面结合具体实施方式对本发明进行进一步说明。
具体实施方式一：
本实施方式为一种基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，结合图1、图26和图27说明本实施方式，为了方便说明，图1、图26和图27，以及其他附图附图标记说明：
100：多维力传感系统，MAFSS或DMAFSS，101：负载框架，Loadingframe，102：支撑框架，Supportingframe，103：参考框架，Refreenceframe，之前专利中的Sensorframe；
200：多维力传感器，MAFS，201：负载平台，loadingplatform，202：支撑平台，Supporting platform，203：应变梁，beam，204：参考支撑平台，Reference supportingplatform，205：变型滤波器，Deformation filter，206：参考负载平台，Reference loadingplatform；
300：位移传感器，Displacementsensor，301：激光模组，Lasermodule，302：检测器，Detertor，303：反射镜，Mirror，304：分光器，Spliter，305：反射器，Reflecter，与303类似，激光用反射镜，电磁波用发射器，306：发射器，Emitter，与301类似，激光用激光模组，电磁波用发射器，307：接收器，Receiver，与302类似，激光用检测器，电磁波用接收器；
901：位移传感器误差，902：位移误差，903：姿态误差；
本实施方式所述的一种基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，包括支撑平台(Supportingplatform)、负载平台(Loadingplatform)、参考支撑平台(Referencesupporting platform)和带有虚拟杠杆的位移传感器(Displacement sensor)，所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，通过反射方式将光路折叠实现位移的测量；
负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上；在参考支撑平台和负载平台之间布置有测量参考支撑平台和负载平台两者微位移的位移传感器(位移传感器的发射端和接收到端分别设置在参考支撑平台和负载平台上即可)；实际上测量参考支撑平台和负载平台两者之间微位移就等同于测量支撑平台和负载平台的位移。
位移传感器带有的虚拟杠杆包括光学杠杆或者电磁虚拟杠杆，即位移传感器通过光学杠杆或者电磁虚拟杠杆实现位移测量。
如图14所示，所述的虚拟杠杆指通过光(电磁)杠杆对位移进行放大，通过折射将光杠杆进行光路折叠，以减小体积。
如图15所示，光路或电磁路虚拟杠杆可以有多种结构形式，例如：图15(a)所示的测量角度的全反射光路杠杆，图15(b)所示的测量距离的漫反射光路杠杆，图15(c)所示的电磁辐射杠杆。
优选地，参考支撑平台和支撑平台直接设置有变形滤波器，该变形滤波器可以结合具体实施方式二中负载平台(或支撑平台)与参考负载平台(或参考支撑平台)之间的柔性结构进行理解。
具体实施方式二：
本实施方式为一种基于扩展最佳精度空间的多维力传感器。光学杠杆结构既可以保证多维力传感器紧凑，又可以使精度空间足够大，从而提升精度。经过研究又发现平台的局部变形也会影响结果激光的测量结果，如果负载平台或/和支撑平台比较大，多维力传感器承受外力后不会对激光的测量区域产生较大影响，不过负载平台或/和支撑平台往往不会很大，因此也要考虑变形区域的影响，如图16和图17所示。
所以本发明提出通过变形滤波器来减少这种影响，从而进一步提高本发明多维力传感器的精度。
本实施方式所述的一种基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，包括支撑平台、负载平台、参考支撑平台、参考负载平台(Referenceloadingplatform)和带有虚拟杠杆的位移传感器，以及变形滤波器。
所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，通过反射方式将光路折叠实现位移的测量；
负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上，参考负载平台之间设置在负载平台上；在参考支撑平台和参考负载平台之间布置有测量参考支撑平台和参考负载平台两者微位移的位移传感器；实际上测量参考支撑平台和参考负载平台两者之间微位移就等同于测量支撑平台和负载平台的位移。
变形滤波器，如图1所示的Deformation filter，所述的变形滤波器为负载平台与参考负载平台之间的柔性结构。
优选地，参考支撑平台和支撑平台也设置有变形滤波器，即变形滤波器还用于作为支撑平台与参考支撑平台之间的柔性结构。
其目的是避免负载平台受力过程中的局部变形对测量产生影响，图17中由梁引起的全局变形是多维力测量中所需变形，而由负载平台引起的局部变形是需要采用变形滤波器尽量滤除掉的变形。为了避免负载平台局部变形影响，负载平台尺寸需要非常大，这在实际应用中不方便。为了减小负载平台尺寸，同时保证其局部变形较小，一种有效方法就是增加一个参考负载平台(及一个参考支撑平台)，在负载平台和参考负载平台之间增加变形滤波器，这样负载平台的局部变形就基本不会导致参考负载平台的局部变形。对于支撑平台也是同样的道理。
具体实施方式三：
本实施方式为一种利用基于扩展最佳精度空间的多维力传感器的分布式测力系统。本实施方式所述的分布式测力系统包括参考框架(传感器框架)和若干个基于扩展最佳精度空间的多维力传感器；基于扩展最佳精度空间的多维力传感器简记为多维力传感器；如图25(a)和图25(b)所示，图中，101：负载框架；102：支撑框架103：参考框架(传感器框架)；104：软性隔离结构(也属于变形滤波器)；300：带有虚拟杠杆的位移传感器；
载荷物体(loading object)与负载框架(Loading frame)相连接，负载框架与所有的多维力传感器的负载平台相连接，也可以将载荷物体直接与多维力传感器(Multi-axis force sensor,MAFS)负载平台(Loading platform)相连接，此时将载荷物体直接视为负载框架；
所有多维力传感器的支撑平台(Supporting platform)与支撑框架(Supportingframe)相连接，支撑框架最终连接到大地上，也可以将多维力传感器的支撑平台直接与大地连接，此时将大地直接视为支撑框架。
所述的分布式测力系统还包括若干个第二位移传感器，第二位移传感器也采用虚拟杠杆位移传感器，第二位移传感器的发射端和接收端分别设置在参考框架和多维力传感器上(如果有参考负载平台就设置在参考负载平台上，如果没有参考负载平台就设置在负载平台上)；所述第二位移传感器用于测量多维力传感器的当前位姿。
或者，
针对将基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，将采用虚拟杠杆位移传感器进行复用，复用端设置在参考框架上；复用是指采用虚拟杠杆位移传感器的多维力传感器与参考框架、参考支撑平台共用一套采用虚拟杠杆的位移传感器，位移传感器设置一个发射端、两个接收端(至少两个接收端)，两个接收端通过复用方式对同一个发射端发射的发射信号进行检测；设置在参考框架上的复用端用于测量多维力传感器的当前位姿。
如图所示，为一种由多个单独的多维力传感器组成的多维力传感系统，参考框架103通过软性隔离结构104连接到负载框架102上(如系统不需要移动，可以直接连接到大地上)，将带有虚拟杠杆的位移传感器300放置于参考框架103上，用于测量所有单独的多维力传感器在全局坐标系统的位姿，激光模组或者测量敏感元件之一放置于单独的多维力传感器上，另一个放置于参考框架103上，参考框架103在受力过程中由于软性隔离结构104的作用基本不发生变形，则其可以视为一个刚性的参考物(全局坐标系统即可视为固定于其上)，进而所有的单独的多维力传感器相对于全局坐标系通的位姿在受力时可以准确测量，因此所有的单独的多维力传感器测量得到的多维力都可以合并计算到全局坐标系统中，形成一个最终的全局力。
此种情况下，带有虚拟杠杆的位移传感器300同样遵循最佳精度空间的计算，单个多维力传感器测量得到的多维力向全局坐标系通的转化精度就由该最佳精度空间决定，同样的，如果不采用虚拟杠杆，最佳精度空间很小，而采用虚拟杠杆，可以再不增加结构实际尺寸的前提下，极大地扩展最佳精度空间。
本实施方式所述的分布式测力系统的结构和工作原理可以通过201911341094.8的结构和工作原理进行理解。
如图18所示的带有光学杠杆和变形过滤器的多维力传感器，其中图18(a)为单个激光模组复用的光学杠杆，图18(b)为独立激光模组的光学杠杆；
图中，Multiplexing of a laser module：单个激光模组的复用；Stand-alonelaser module：独立激光模组；Fixed on the reference supporting platform：固定于参考支撑平台上；Fixed on the sensor frame：固定于参考框架(传感器框架)上；Spliter：分光器；Lasermodule：激光模组。
带有光杠杆的位移传感器需要安放于参考支撑平台和参考负载平台之间，以测量两者的位姿变化，同时还需要另外一套带有光杠杆的位移传感器(即第二位移传感器)安放于参考负载平台和参考框架之间，以测量负载平台在总体坐标系统中相对于参考框架的位姿变化。
可以如图18(b)所示，分别采用安放于参考负载平台上的多组激光模组(Lasermodule)进行测量，也可如图18(a)所示，在参考负载平台上放置一组激光模组，每一个激光模组发射的激光，都经过一个分光镜(Spliter)，分为两束激光，这样可以令激光模组在参考负载平台上的布置更加方便。
利用本发明可以极大地提高测量精度。如果用前面的精度空间来说明，本发明的带光学杠杆的多维力传感器的最佳精度空间如图19所示。
实施例
用位移传感器的误差极限可以预测理论的全局力误差极限。如果产生了误差极限内的随机位移误差(输入)，则可以用解析模型计算出全局力误差(输出)。如果全局力误差完全在预测的整体力误差范围内，则证明对全局力误差范围的预测是正确的。
首先，利用位移传感器的精确测量结果，计算出加载平台的全局位移，以它为基准，在误差范围内生成随机位移误差，并加入位移传感器的测量结果中，重新计算实际的全局力。差值即为由位移传感器误差引起的全局力误差。
MATLAB仿真结果显示(函数：rand)，所有的误差都是均匀分布的，所有的值都是标准化的。在计算中使用了双精度浮点数。因此，所有计算结果都可以认为是准确的。用误差点云来显示结果。
分布式多维力传感系统(Distributed multi axis force sensing system,DMSFSS)中的多维力传感器如图20所示。DMAFSS的全局坐标系为oxy。局部坐标系在ok点的力为
Figure BDA0003657540510000141
局部力误差为
Figure BDA0003657540510000142
位移传感器沿各自的灵敏轴xk,l的误差为eδk,l，负载平台的位移为
Figure BDA0003657540510000143
位移传感器的参数如表2所示。
表2位移传感器参数
Figure BDA0003657540510000144
系统参数如表3所示。
表3仿真参数
Figure BDA0003657540510000145
由位移传感器误差引起的全局坐标系中的力误差如图21(a)所示，由局部力误差引起的全局坐标系中的力误差如图21(b)所示。
如图21(a)所示，初始的局部坐标系是okxxyk，在外部载荷的作用下移动到位移传感器所测量的位置ok'xk'yk'。准确值应为δk,1'～δk,4'，在其作用下，力由
Figure BDA0003657540510000151
变为
Figure BDA0003657540510000152
由于这些传感器的误差，测量值δk,1"～δk,4"也存在误差，则局部力的计算位置和姿态为ok"xk"yk"，其中力
Figure BDA0003657540510000153
(等同于
Figure BDA0003657540510000154
)从ok"xk"yk"变换到全局坐标系中为
Figure BDA0003657540510000155
和
Figure BDA0003657540510000156
之间的差即是由外部位移传感器误差引起的全局力误差。
图21(b)所示的所有位移传感器都是准确的。准确的局部力为
Figure BDA0003657540510000157
由于局部力误差，实际测得的局部力为
Figure BDA0003657540510000158
他们变换到全局坐标系中分别是
Figure BDA0003657540510000159
二者之差即为局部力误差引起的误差。
全局误差可以写作：
Figure BDA00036575405100001510
多维力传感器系数矩阵为：
Figure BDA00036575405100001511
于是
Figure BDA00036575405100001512
所有位移传感器的理论误差极限和局部力列于表3。因此，理论全局位移和力的误差极限可以进行计算。
根据位移传感器误差范围内的一个误差和局部力，可以计算出相应的全局位移和力误差，进而可以绘制误差点云，并可以比较测量的最大误差和理论误差极限。
A位移传感器引起的全局位移/力误差：
如果已知位移传感器误差范围内的误差，则全局位移和力误差可计算为：
Figure BDA00036575405100001513
和
Figure BDA00036575405100001514
例如，如果
Figure BDA00036575405100001515
位移传感器的精确测量可以计算为：
δ'＝[-0.66066017,0.30100505,1.46066017,0.49899495]T
假设输入误差为：eδk,l＝[0.0003,-0.0004,0.0004,0.0002]T.
那么测量值应为：δ"＝δ'+eδk,l＝[-0.66036017,0.30060505,1.46106017,0.49919495]T
当输入为δ"时，
Figure BDA0003657540510000161
的计算结果为：
Figure BDA0003657540510000162
全局位移误差为：
Figure BDA0003657540510000163
假设局部力
Figure BDA0003657540510000164
是准确的，他们分别由ok'和ok"变换为o。那么准确的
全局力应为：
Figure BDA0003657540510000165
计算的全局力为：
Figure BDA0003657540510000166
则由位移传感器误差引起的
全局力误差为：
Figure BDA0003657540510000167
于是可以得到由位移传感器误差引起的一个全局位移误差点
Figure BDA0003657540510000168
和一个全局力误差点
Figure BDA0003657540510000169
由位移传感器误差计算的全局位移误差(L＝100，R＝100，N＝1000)如图22所示；由位移传感器误差计算的全局力误差(L＝100，R＝100，N＝1000)如图23所示。
表4位移传感器误差计算的最大位移误差与理论位移、力误差的比较
Figure BDA00036575405100001610
Figure BDA0003657540510000171
使用了103个误差样本计算，并将结果绘制成图22和图23中的位移和力误差点云。分别将样本数为103，106和108的误差点云计算的最大误差与理论误差极限进行比较，结果如表4所示。
比较结果表明，计算最大误差在理论误差范围内。随着样本误差点数目的增加，计算最大误差越来越接近理论误差极限。因方程采用
Figure BDA0003657540510000172
来近似代替
Figure BDA0003657540510000173
当L＝10，20，N＝108时，
Figure BDA0003657540510000174
略高于
Figure BDA0003657540510000175
一些计算得出的最大误差(
Figure BDA0003657540510000176
L＝200，400)略低于理论误差极限，这是因为方程中用差分矩阵来近似方程中偏导数矩阵的极值矩阵。
如图23所示，对于该平面结构，沿x轴的误差和沿y轴的误差都受到绕z轴角度误差的影响；因此，误差点集中在一个平面上。
B、由局部力误差引起的全局力误差：
由局部力误差引起的全局力误差(L＝100，R＝100，N＝1000)如图24所示。
表5局部力误差L＝100时，理论力极限和计算力最大误差
Figure BDA0003657540510000181
局部力误差引起的全局力误差如图24所示。理论误差极限与计算最大误差的比较列于表5。从o到ok的距离R，对力矩误差
Figure BDA0003657540510000182
有较大影响，但对力误差
Figure BDA0003657540510000183
和
Figure BDA0003657540510000184
几乎无影响。部分模拟的全局力最大误差略超过理论误差极限，这是由于方程中采用
Figure BDA0003657540510000185
来近似代替
Figure BDA0003657540510000186
的结果。
C、由位移传感器误差和局部力误差引起的全局力误差：
表6基于位移传感器误差和局部力误差的理论力极限和计算力最大误差的比较
Figure BDA0003657540510000187
参考系统位移传感器误差和局部力误差引起的力误差列于表6，对比表明模拟误差结果在误差范围内接近预测误差极限。
采用测量平差法，利用位移传感器的误差建立误差模型。根据误差模型提出了一个最优精度空间的概念，力矩误差随载荷点与最优精度空间距离的增大而急剧增大，而力误差保持不变。位移传感器的远距离布置可以增加最优精度空间的范围，高精度位移传感器可以增加最优精度空间内外的精度。采用虚拟杠杆实现位移传感器的远距离布置，同时又能使紧凑实用的结构。变形滤波器可使加载平台与参考支撑平台/参考系之间的测量更精确。当测点距离主多轴力敏感系统的最佳精度空间较远时，建议采用双测量系统来提高力的精度和力矩的精度。
仿真结果表明，由随机位移传感器误差计算得到的最大误差与理论误差极限相等。证明了本发明所建立的误差模型是正确的。从而也能够基于正确的误差模型证明本发明的优越性。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，其特征在于，包括支撑平台、负载平台、参考支撑平台和带有虚拟杠杆的位移传感器；
所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，将光路折叠实现位移的测量；
负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上；在参考支撑平台和负载平台之间布置有测量参考支撑平台和负载平台两者微位移的位移传感器。
2.根据权利要求1所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，其特征在于，所述参考支撑平台和支撑平台直接设置有支撑平台变形滤波器，支撑平台变形滤波器即设置在参考支撑平台和支撑平台之间的柔性结构。
3.根据权利要求1或2所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，其特征在于，位移传感器带有的虚拟杠杆包括光学杠杆或者电磁虚拟杠杆，即位移传感器通过光学杠杆或者电磁虚拟杠杆实现位移测量。
4.基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，其特征在于，包括支撑平台、负载平台、参考支撑平台、参考负载平台和带有虚拟杠杆的位移传感器，以及负载平台变形滤波器；
所述带有虚拟杠杆的位移传感器即位移传感器通过虚拟杠杆对位移进行放大，将光路折叠实现位移的测量；
负载平台和支撑平台通过并联杆系连接，负载平台所受的外力完全通过并联杆系传递到支撑平台上；参考支撑平台设置在支撑平台上，参考负载平台之间设置在负载平台上；在参考支撑平台和参考负载平台之间布置有测量参考支撑平台和参考负载平台两者微位移的位移传感器；
所述负载平台变形滤波器为负载平台与参考负载平台之间的柔性结构。
5.根据权利要求4所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，其特征在于，所述参考支撑平台和支撑平台直接设置有支撑平台变形滤波器，支撑平台变形滤波器即设置在参考支撑平台和支撑平台之间的柔性结构。
6.根据权利要求4或5所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，其特征在于，位移传感器带有的虚拟杠杆包括光学杠杆或者电磁虚拟杠杆，即位移传感器通过光学杠杆或者电磁虚拟杠杆实现位移测量。
7.利用基于扩展最佳精度空间的多维力传感器的分布式测力系统，所述分布式测力系统包括负载框架和支撑框架，其特征在于，所述分布式测力系统还包括参考框架和若干个基于扩展最佳精度空间的多维力传感器；基于扩展最佳精度空间的多维力传感器为权利要求1至3之一所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，简记为多维力传感器；
载荷物体与负载框架相连接，负载框架与所有的多维力传感器的负载平台相连接；或者，将载荷物体直接与多维力传感器的负载平台相连接，此时将载荷物体直接视为负载框架；
所有多维力传感器的支撑平台与支撑框架相连接，支撑框架最终连接到大地上；或者将多维力传感器的支撑平台直接与大地连接，此时将大地直接视为支撑框架；
所述的分布式测力系统还包括若干个第二位移传感器，第二位移传感器采用虚拟杠杆位移传感器，第二位移传感器的发射端和接收端分别设置在参考框架和多维力传感器的负载平台上；所述第二位移传感器用于测量多维力传感器的当前位姿。
8.利用基于扩展最佳精度空间的多维力传感器的分布式测力系统，所述分布式测力系统包括负载框架和支撑框架，其特征在于，所述分布式测力系统还包括参考框架和若干个基于扩展最佳精度空间的多维力传感器；基于扩展最佳精度空间的多维力传感器为权利要求1至3之一所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，简记为多维力传感器；
载荷物体与负载框架相连接，负载框架与所有的多维力传感器的负载平台相连接；或者，将载荷物体直接与多维力传感器的负载平台相连接，此时将载荷物体直接视为负载框架；
所有多维力传感器的支撑平台与支撑框架相连接，支撑框架最终连接到大地上；或者将多维力传感器的支撑平台直接与大地连接，此时将大地直接视为支撑框架；
针对将基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，将采用虚拟杠杆位移传感器进行复用，复用端设置在参考框架上；复用是指多维力传感器与参考框架、参考支撑平台共用一套采用虚拟杠杆的位移传感器，位移传感器设置一个发射端、两个接收端，两个接收端通过复用方式对同一个发射端发射的发射信号进行检测；设置在参考框架上的复用端用于测量多维力传感器的当前位姿。
9.利用基于扩展最佳精度空间的多维力传感器的分布式测力系统，所述分布式测力系统包括负载框架和支撑框架，其特征在于，所述分布式测力系统还包括参考框架和若干个基于扩展最佳精度空间的多维力传感器；基于扩展最佳精度空间的多维力传感器为权利要求4至6之一所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，简记为多维力传感器；
载荷物体与负载框架相连接，负载框架与所有的多维力传感器的负载平台相连接；或者，将载荷物体直接与多维力传感器的负载平台相连接，此时将载荷物体直接视为负载框架；
所有多维力传感器的支撑平台与支撑框架相连接，支撑框架最终连接到大地上；或者将多维力传感器的支撑平台直接与大地连接，此时将大地直接视为支撑框架；
所述的分布式测力系统还包括若干个第二位移传感器，第二位移传感器采用虚拟杠杆位移传感器，第二位移传感器的发射端和接收端分别设置在参考框架和多维力传感器的参考负载平台上；所述第二位移传感器用于测量多维力传感器的当前位姿。
10.利用基于扩展最佳精度空间的多维力传感器的分布式测力系统，所述分布式测力系统包括负载框架和支撑框架，其特征在于，所述分布式测力系统还包括参考框架和若干个基于扩展最佳精度空间的多维力传感器；基于扩展最佳精度空间的多维力传感器为权利要求4至6之一所述的基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，简记为多维力传感器；
载荷物体与负载框架相连接，负载框架与所有的多维力传感器的负载平台相连接；或者，将载荷物体直接与多维力传感器的负载平台相连接，此时将载荷物体直接视为负载框架；
所有多维力传感器的支撑平台与支撑框架相连接，支撑框架最终连接到大地上；或者将多维力传感器的支撑平台直接与大地连接，此时将大地直接视为支撑框架；
针对将基于扩展最佳精度空间的多维力传感器，将采用虚拟杠杆位移传感器进行复用，复用端设置在参考框架上；复用是指多维力传感器与参考框架、参考支撑平台共用一套采用虚拟杠杆的位移传感器，位移传感器设置一个发射端、两个接收端，两个接收端通过复用方式对同一个发射端发射的发射信号进行检测；设置在参考框架上的复用端用于测量多维力传感器的当前位姿。
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