CN114993543B - 双多维力测量系统 - Google Patents
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Abstract
双多维力测量系统，属于多维力测量技术领域。为了解决在实际测力点远离一个大型多维力传感器/系统时，该系统测量的力矩精度急剧降低的问题。本发明所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。本发明主要用于多维力的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种多维力测量系统，属于多维力测量技术领域。
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。目前基于冗余并联梁式的多维力传感器、多维力传感系统/多维力测力系统等都是针对力和力矩的一体测量和同空间解算。
授权公布号为CN112611498B的专利提供了一种“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；授权公布号为CN112611497B的专利提供了一种“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；授权公布号为CN112611499B的专利提供了“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，明确说明了解耦安装的重要性及解耦布置安装方式；申请公布号为CN113091979A的专利提供了“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；申请公布号为CN113063538A的专利提供了“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。
上述五个专利说明了采用冗余并联梁式多维力传感器(或多维力传感系统)实现高精度多维力测量的方法及技术实施方案，但对于实际测力点与多维力传感器的距离对多维力测量精度的分析尚有不足。
在上述五个专利之前的传统多维力传感器由于本身测量精度较低(一般为满量程的2～5％)，关于测力点的位置对测量精度的理论分析和技术解决方案完全缺失，只是简单地认为传感器本身的测量精度不足，而通过上述五个专利可以在保证测力点位于该多维力传感器附近时获得很高的测量精度，进而关于测力点位置对测量精度的影响才上升为一个需要研究的理论问题，同时也出现了需要解决该问题的技术需求。
通过本专利的分析可知，当测力点远离多维力传感器时，其力的测量精度保持不变，但力矩的测量精度急剧下降。同时通过上述五个专利还可以获知，要想获得高的多维力测量精度，必须采用大型多维力传感器(系统)，而由于具体工作环境及传感器空间布置等原因，很多情况下一个大型多维力传感器不得不布置在远离测力点的位置，这样就一定会造成力的测量精度很高，但力矩的测量精度很低的问题。
在本发明之前并未有现有技术发现这种现象。基于这种发现，本发明提出了一种双多维力测量系统。
发明内容
本发明是为了解决在实际测力点远离一个大型多维力传感器(系统)时，该系统测量的力矩精度急剧降低的问题。
一种双多维力测量系统，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
主多维力传感系统包括负载框架、支撑框架、参考框架、多个单独的多维力传感器；负载框架与支撑框架通过多个单独的多维力传感器相连接；
参考框架上布置由多个位移传感器，用于测量多维力传感器的空间位姿；
辅助多维力传感系统的结构与主多维力传感系统相同；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
进一步地，参考框架通过软性力隔离结构连接到支撑框架上。
进一步地，多维力传感器包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接。
一种双多维力测量系统，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
主多维力传感系统包括负载框架、支撑框架、参考框架、多个单独的多维力传感器；负载框架与支撑框架通过多个单独的多维力传感器相连接；
参考框架上布置由多个位移传感器，用于测量多维力传感器的空间位姿；
辅助多维力传感系统也为一个单独的多维力传感器；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
进一步地，参考框架通过软性力隔离结构连接到支撑框架上。
进一步地，多维力传感器包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接。
一种双多维力测量系统，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
辅助多维力传感系统包括负载框架、支撑框架、参考框架、多个单独的多维力传感器；负载框架与支撑框架通过多个单独的多维力传感器相连接；
参考框架上布置由多个位移传感器，用于测量多维力传感器的空间位姿；
主多维力传感系统也为一个单独的多维力传感器；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
进一步地，参考框架通过软性力隔离结构连接到支撑框架上。
进一步地，多维力传感器包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接。
一种双多维力测量系统，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
主多维力传感系统为一个多维力传感器，其包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接；
辅助多维力传感系统的结构与主多维力传感系统相同；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
有益效果：
由于多维力传感器的力测量结果不随实际测力点位置的变化而变化，因此可以利用主多维力传感系统/大型多维力传感器获得高精度的力测量结果，由于辅助多维力传感系统/小型多维力传感器可以布置在实际测力点附近，因此可以利用辅助多维力传感系统/小型多维力传感器获得高精度的力矩测量结果(位于精度空间内)。因此本发明的系统可以很好的解决实际测力点远离一个大型多维力传感器(系统)时测量的力矩精度急剧降低的问题，保证较高的力矩精度。
同时由于主多维力传感系统/大型多维力传感器和辅助多维力传感系统/小型多维力传感器都可以同时测得多维力，可以将两者进行比较对连接结构的碰撞效果进行监测。
附图说明
图1为双多维力测量系统结构示意图；
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
(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
(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
的仿真图；
图9为关于z轴的姿态误差
的仿真图；
图10为相对于传感器角度γ的广义力综合误差
(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
(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
的仿真图；
图13为力误差的仿真图；
图14为测点距离最佳精度空间较远时的全局力误差和力矩误差示意图；
图15(a)和图15(b)为传感器及精度空间示意图；
图16为每一个多维力传感器的最佳精度空间示意图；
图17为风洞天平环境下的双多维力测量系统示意图；
图18为腹腔微创手术操作臂及其上的双多维力测量系统示意图。
具体实施方式
为了充分说明本发明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“在实际测量点远离多维力传感器时，多维力传感器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。可以将该过程称为多维力传感器的误差计算方法，并进一步提出精度空间概念，在精度空间中，最佳精度空间是指力和力矩都能保持不变的空间。
为了讨论分析方便，下面给出了相关误差参数说明：
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。
caused by/>
由/>
导致的/>
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 ormultiple enclosed spaces，精度空间:一个或多个封闭空间。Point the accuracy spacerelative to，精度空间相对点。indicates within the enclosed space,thecomprehensive force error of the kth MAFS in the global coordinate system isequal 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 generalized displacement or forceaccuracy space,it has no unit.Otherwise,its unit depends on the type of theaccuracy 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：
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；
在γ＝0的情况下，如图2(b)所示，公式(3)可以重写为：
如图2(c)所示，角度(姿态)误差极限可以表示为：
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。
式中[ak,l]为第k个MAFS的系数矩阵，
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：
则，广义位移、位移和姿态综合误差极限为：
在全局坐标系中第k个MAFS所施加的力为：
其中,
为一个标准的矢量传递矩阵，即将泛化六维力
等效传递至/>
则，力的误差可以表示为：
则，全局力误差极限为：
其中
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：
根据方程(16)，局部力误差可以转换为全局力误差：
如图4所示，单个MAFS在其局部坐标系中的力为：
其中S表示可观测的可变刚度矩阵，那么：
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
那么，由内部位移传感器在其局部坐标系中引起的误差是：
假设加载框架的变形可以忽略不计，
那么，在全局坐标系中，以下关系适用：
相应的局部位移传感器误差的位移误差极限可以表示为：
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：
则：
其中
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，
其中
是一个6乘6的单位矩阵，I6。
因此，
的极限可以估算为：
其中
可以用公式计算，/>
是误差极限的近似值，/>
因此，全局力误差极限的近似值可以写为：
根据上述公式最终可以得到的多维力误差模型为：
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
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：
系数矩阵是：
那么：
式中：sγ＝sin(γ),cγ＝cos(γ),tγ＝tan(γ)。
把方程代入方程，
就可以计算出来。然后/>
代入方程得到/>
再将/>
代入方程得到/>
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
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，
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
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
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
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
力误差极限/>
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。
为了说明双多维力测量系统，通过精度空间来说明误差的影响，测点距离最佳精度空间较远时的全局力误差和力矩误差如图14所示，图中，Distance：距离；Positionerror(Global torque error)：位置误差(全局力矩误差)；Posture error(Global forceerror)：姿态误差(全局力误差)；Optimum accuracy space：最佳精度空间；Displacementsensor on reference frame：参考框架上的位移传感器。
如图14所示，当测点o距离最佳精度空间较远时，位置误差和力矩误差随距离增大而增大，而姿态误差和力误差保持不变。虽然位移传感器的远距离放置可以增大最佳精度空间，但测量范围(负载能力)会降低。在加载点不在精度空间内的情况下，就需要一个双测量系统。
正是基于本发明的相关多维力误差研究及通过误差研究提出的多维力最佳精度空间才使得本发明有了出现的前提基础。如果没有上述研究，本领域技术人员根本就不会想到本发明。下面结合具体实施方式对本发明进行进一步说明。
根据上述分析，大型多维力测量系统的测量精度比较高，但许多情况下，由于空间布置困难等原因，实际测量点位置不得不远离该大型测量系统(主多维力传感系统)，例如外置的飞行器风洞天平，或者外置的内腔微创手术操作臂用多维力传感器等，这时就在实际测量点附近再增加一个小型测量系统(辅助多维力传感系统)，构成双测量系统。由于力测量精度不随测量点位置的变化而发生变化，因此采用主多维力传感系统进行力测量，而力矩测量则由测量点附近的辅助多维力传感系统完成，虽然辅助多维力传感系统的总体精度相比于主多维力传感系统低，但是由于其就位于实际测量点附近，因而精度损失比较低，力矩精度仍可以保持在一个较高的水平。
如图1所示，双多维力测量系统由主多维力传感系统100、辅助多维力传感系统200和连接结构300三部分组成；辅助多维力传感系统200通过连接结构300与主多维力传感系统100串联在一起，辅助多维力传感系统的支撑框架202通过连接结构300与主多维力传感系统的负载框架101相连接；
主多维力传感系统包括负载框架101、支撑框架102、参考框架103、多个单独的多维力传感器104、软性力隔离结构105；负载框架101与支撑框架102通过多个单独的多维力传感器104相连接；多维力传感器104的结构包括负载平台1041、支撑平台1042、负载平台头部1043、支撑平台头部1044、应变梁1045、应变片1046等部分；负载平台和支撑平台通过应变梁(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；多维力传感器104为现有技术，参见“基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法”专利，以及“并联杆系多维力传感器结构”专利，这里不再赘述。
参考框架103上布置由多个位移传感器1031，用于测量多维力传感器104的空间位姿；参考框架103通过软性力隔离结构105连接到支撑框架102上。
辅助多维力传感系统的结构与主多维力传感系统相同，包括负载框架201、支撑框架202、参考框架203、多个单独的多维力传感器204、软性力隔离结构205；多维力传感器204的结构包括负载平台2041、支撑平台2042、负载平台头部2043、支撑平台头部2044、应变梁2045、应变片2046等部分。
参考框架203上布置由多个位移传感器2031，用于测量多维力传感器204的空间位姿；参考框架203通过软性力隔离结构205连接到支撑框架202上。
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量(也可以测量力矩，但是基于上述原理说明，此时的力矩精度非常低，所以力矩数据可以直接舍弃，实际的力矩采用辅助多维力传感系统的力矩)；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量(也可以测量力，但是由于主多维力传感系统作为双多维力测量系统的远端，其实际承担双多维力测量系统实际测量的被测对象的全局测量任务，所以实际使用时采用的是主多维力传感系统测量得到的力，而辅助多维力传感系统测量的力可以直接舍弃)；
虽然辅助多维力传感系统的总体精度相比于主多维力传感系统低，但是由于其就位于实际测量点附近(位于测量精度空间范围内)，因而精度损失比较低，力矩精度仍可以保持在一个较高的水平。
无论是主多维力传感系统100还是辅助多维力传感系统200，均可由授权公布号为CN112611497B的专利中的并联杆系多维力传感器或申请公布号为CN113091979A的专利及申请公布号为CN113063538A的专利中的分布式多维力传感器(系统)做替代。例如将辅助多维力传感系统200替代为一个单独的多维力传感器700，多维力传感器700包括负载平台701、支撑平台702、应变梁703、应变片704等部分；替换后则将支撑平台702通过连接结构300与主多维力传感系统的负载框架101相连接。
甚至可以是一个大型主多维力传感器串联安装一个小型多维力传感器(或力矩传感器)，该小型多维力传感器布置于测力点附近，小型多维力传感器的支撑框架(或支撑平台)通过连接结构安装于大型多维力传感器的负载框架(或负载平台)上，由小型多维力传感器的负载框架(负载平台)承受外界多维力，所承受的多维力负载完全通过小型多维力传感器及连接结构传递到大型多维力传感器上，进而令两个多维力传感器可以测量到一个等效多维力，进一步解算时将大型多维力传感器的力测量结果与小型多维力传感器的力矩解算结果进行数据融合，得到最终的测量结果。
为了更好的突出本发明的双多维力测量系统。这里先具体说明一个系统的最佳精度空间和一个单独的多维力传感器的精度空间的关系，一种由于位移传感器的测量误差传播而导致多维力传感系统都存在一个最佳精度空间，一般而言，由多个位移传感器测量点所包围的空间即为该多维力测力系统的最佳精度空间，具体准确的最佳精度空间可以由具体实施例三种的数学模型准确得到。由于位移传感器一定布置在多维力传感器的负载平台上，最佳精度空间一定环绕在该多维力测力器(系统)附近。
每一个单独的多维力传感器(MAFS)的最佳精度空间都可以由前述的精度空间公式求出，传感器及精度空间如图15(a)和图15(b)所示，图中，Optimum accuracy space：最佳精度空间；Possible loading space：可能负载空间；Wind tunnel：风洞天平；High-accuracy layout：高精度布局；Low-accuracy layout：低精度布局。
一个多维力传感系统(MAFSS)的最佳精度空间为其上所有的多维力传感器的最佳精度空间的交集。
如图15(a)中的布置方式，其最佳精度空间将可能负载空间全部包括，则系统测量精度比较高，而如图15(b)中的布置方式，其最佳精度空间不能包括全部负载空间，则系统的的两精度比较低。
每一个多维力传感器的最佳精度空间由其上的位移传感器决定，而其负载能力则由其上的应变梁决定，如图16所示，图16中，Different displacement accuracy spaces：不同的位移精度空间；Identical loading capacities：相同的负载能力；Differentloading capacities：不同的负载能力；Identical displacement accuraty spaces：相同的位移精度空间。
可以多维力传感器进行多种布置，则可以得到多种最佳精度空间，也可以将其上的应变梁进行多种布置，则可以得到多种负载能力。图15(b)中也可以通过调整位移传感器的方式来调整每一个多维力传感器的最佳精度空间来达到一个较好的测量效果。
由于决定最佳精度空间的位移传感器的具体测量物体为负载平台，因此最佳精度空间一定是一个围绕着负载平台的封闭空间，但很多应用场合下，如外置的风洞天平或外置的微创手术机械臂上的多维力传感器(采用外置的布置方式的原因主要为大型多维力传感器精度比较高)，实际的测力点需要远离该多维力传感器(系统)，这样力矩测量精度就会大幅降低。虽然可以通过延长光学杠杆的方式将最佳精度空间进行扩大，但这样就会降低传感器的负载能力，因此在考虑到负载能力的条件下，最佳精度空间不宜扩展的太大。因此在考虑负载能力的情况下，会出现实际测力点远离一个大型的多维力传感器(系统)最佳精度空间的情况，该情况下力的测量精度仍可以保证，但力矩的测量精度会大幅下降。为了解决该问题，就需要采用双多维传感器(系统)。
实施例1
本实施例为风洞天平环境下的双多维力测量系统。如图17所示，图中，Windtunnel：风洞；Optimum accuracy space of the inner MAFSS；内部多维力传感系统的最佳精度空间；Optimum accuracy space of the outer MAFSS；外部多维力传感系统的最佳精度空间；Measuring point of the global force：全局力的测量点；Inner MAFSS tomeasure torque：用于测量力矩的内部多维力传感系统；Outer MAFSS to measure force：用于测量力的外部多维力传感系统；Reference frame of the outer MAFSS：外部多维力传感系统上的参考框架；Reference displacement sensor：参考位移传感器；Referenceframe of the inner MAFSS：内部多维力传感系统上的参考框架。
图17下部为一个外部(主)多维力传感系统，由于多维力传感系统的测量精度一般随着负载平台和支撑平台的尺寸增大而增高，因此要实现高精度的多维力测量一定要采用一个大型多维力传感系统。但很多时候一个大型多维力传感系统不方便布置在实际测力点旁边。
在实际测力点远离该多维力传感系统时，其力矩测量精度快速下降，力测量精度则保持不变。这样对一个远离主多维力传感系统的具体测量点，要获得高精度的力测量需要采用一个大型主多维力传感系统，也即主多维力传感系统，同时在测量点附近放置一个辅助小型多维力传感系统(或力矩传感器)，也即辅助多维力传感系统，以获得高精度的力矩测量。
图17中在地面上布置一个大型(主)高精度多维力传感系统，而飞行器由于风洞等布置原因，不得不远离该大型地面多维力传感系统，因此在测力点附近(飞机内部)再布置一个小型(辅助)多维力传感系统，该测力系统比较小巧，相比于外部多维力传感系统其测量精度较低，但由于布置在实际测力点附近，在该测力点上，力矩测量精度更高。这样就用双多维力测量系统解决了测力点远离主多维力传感系统时力矩测量精度过低的问题。
两个多维力传感系统采用串联结构进行布置，外部大型多维力传感系统的最佳精度空间由布置在大型多维力传感系统上的参考框架上的参考位移传感器所决定，虽然可以通过将这些参考位移传感器的测量点(或通过光杠杆实现的虚拟测量点)进行远距离布置的方式将该最佳测量空间进行扩展，进而将飞行器上的实际测力点包括进该最佳测力空间，但是太大的最佳测力空间会导致该大型多维力传感系统的负载能力(最大测力范围)大幅下降，因此实际中为了保证一定负载能力，最佳测力空间难以随意扩展。如图中所示的最佳测力空间并没有包括飞行器上的实际测力点，因此该大型多维力测力系统在实际测力点处的力矩测量精度会大幅下降，但力测量精度保持不变。
为了令力矩测量精度也比较高，则可以采用上部串联的小型多维力传感系统测量力矩，该小型多维力传感系统的最佳精度空间由该小型多维力传感系统上的参考框架上的参考位移传感器决定，飞行器上测力点包括在该小型多维力传感系统的最佳精度空间之内，这样就可以得到较高精度的力矩测量结果(当然力的测量结果也可以得到，只是精度没有大型多维力传感系统的测量精度高)
实施例2
本实施例为一个腹腔微创手术操作臂及其上的双多维力测量系统，如图18所示，图中，Optimum accuracy space of the large MAFSS：大型多维力传感系统的最佳精度空间；Large MAFSS to measure force：用于测量力的大型多维力传感系统；Optimumaccuracy space of the mini MAFSS：迷你多维力传感系统的最佳精度空间；Mini MAFS(or torque sensor)to measure torque：用于测量力矩的迷你多维力传感器(或力矩传感器)；Measuring point to the global force：全局力测量点；Strain gauge：应变片；Loading frame：负载框架；Reference frame：参考框架；Supporting frame：支撑框架；Displacement sensor：位移传感器；Fixed on：固定于。
显然，在腹腔内部无法放置大型多维力传感(器)系统。在放置于腹腔外部的操作臂上放置一个大型(主)多维力传感系统，以实现高精度的力测量(三维力)，在操作臂伸入腹腔的末端放置一个微型多维力传感器(或三维力矩传感器)，以实现高精度的力矩测量(三维力矩)。
外部大型多维力传感系统的最佳精度空间由该大型多维力传感系统上的参考框架上的位移传感器决定；小型多维力传感器(力矩传感器)的最佳精度空间由该小型多维力传感器上的位移传感器(也就是应变梁上的应变片)决定；如空间结构允许，该小型多维力传感器也可以仿照上面风洞天平上的小型多维力传感系统，进一步增加以一个参考框架，并在其上增加位移传感器，在本图中为了结构更紧凑，实际上利用应变片代替了参考框架上的位移传感器。
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)
1.一种双多维力测量系统，其特征在于，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
主多维力传感系统包括负载框架、支撑框架、参考框架、多个单独的多维力传感器；负载框架与支撑框架通过多个单独的多维力传感器相连接；
参考框架上布置有多个位移传感器，用于测量多维力传感器的空间位姿；
辅助多维力传感系统的结构与主多维力传感系统相同；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
2.根据权利要求1所述的一种双多维力测量系统，其特征在于，参考框架通过软性力隔离结构连接到支撑框架上。
3.根据权利要求1或2所述的一种双多维力测量系统，其特征在于，多维力传感器包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接。
4.一种双多维力测量系统，其特征在于，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
主多维力传感系统包括负载框架、支撑框架、参考框架、多个单独的多维力传感器；负载框架与支撑框架通过多个单独的多维力传感器相连接；
参考框架上布置有多个位移传感器，用于测量多维力传感器的空间位姿；
辅助多维力传感系统也为一个单独的多维力传感器；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
5.根据权利要求4所述的一种双多维力测量系统，其特征在于，参考框架通过软性力隔离结构连接到支撑框架上。
6.根据权利要求4或5所述的一种双多维力测量系统，其特征在于，多维力传感器包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接。
7.一种双多维力测量系统，其特征在于，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
辅助多维力传感系统包括负载框架、支撑框架、参考框架、多个单独的多维力传感器；负载框架与支撑框架通过多个单独的多维力传感器相连接；
参考框架上布置有多个位移传感器，用于测量多维力传感器的空间位姿；
主多维力传感系统也为一个单独的多维力传感器；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
8.根据权利要求7所述的一种双多维力测量系统，其特征在于，参考框架通过软性力隔离结构连接到支撑框架上。
9.根据权利要求7或8所述的一种双多维力测量系统，其特征在于，多维力传感器包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接。
10.一种双多维力测量系统，其特征在于，所述系统由主多维力传感系统、辅助多维力传感系统和连接结构组成；辅助多维力传感系统通过连接结构与主多维力传感系统串联在一起；
主多维力传感系统为一个多维力传感器，其包括负载平台、支撑平台、应变梁，负载平台和支撑平台通过应变梁连接；
辅助多维力传感系统的结构与主多维力传感系统相同；
使用时，主多维力传感系统设置在远离实际测量点的位置，主多维力传感系统用于进行力的测量；所述的辅助多维力传感系统设置在靠近实际测量点的位置，辅助多维力传感系统用于进行力矩的测量。
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