CN115139305A - 一种六维力传感器偏移补偿方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六维力传感器偏移补偿方法及系统，首先采集空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取六维力传感器的实际姿态及实测输出值，之后通过二次插值的方法来得到实时姿态下的六维力传感器的各轴的初始偏移值，通过实测输出值与初始偏移值计算出实际受力值，能够解决六维力传感器的输出值与实际数值偏差过大的问题，进而提高导纳控制的控制精度，且不需要建立复杂的数学模型，就可以得到相对较高的精度，提高了偏移补偿效率。

Description

一种六维力传感器偏移补偿方法及系统

技术领域

本发明涉及力学传感器技术领域，具体涉及一种六维力传感器偏移补偿方法及系统。

背景技术

机械臂是机器人的一种，其特点是控制精度高且操作方便、灵活，正在被越来越广泛地应用到制造工业中，如进行焊接、抛光、喷涂、装配、搬运、检测、打磨等操作。而随着机械臂的应用场景越发复杂，许多应用场景中都需要对操作力进行跟踪控制，以实现机械臂智能化操作的柔顺性、准确性及安全保护。

在机械臂的柔顺控制特别是导纳控制中，末端六维力/力矩传感器的数据精确度直接影响了机械臂导纳控制的精度，如若不消除力/力矩传感器的偏移值，将对导纳控制模型持续输入除了实际作用力外的额外力，最终导致导纳模型的输出位移产生偏差。因此想要提高导纳模型的精度，减小传感器的输出偏移值是一个重要手段。力/力矩传感器的零点会因为温度、安装预紧力以及传感器姿态等原因产生漂移，机器人末端执行器的重力是相对更加重要的影响因素，这些因素会在不同温度，不同姿态下对力传感器造成各种各样的影响。值得注意的是，力/力矩传感器的自重不可以看作一个质点，直接通过坐标变化减去其重力仍会有较大的误差，并且会随着机器人姿态变化而变化，不能直接反映机器人与环境的真实接触力。这种误差在少数应用场景中可以通过添加静态阈值来去掉，但这变相增加了力的初始输入，且极不稳定，无法进行精确的力度感知。传统的模型都是建立数学模型以求得末端重力对信号造成影响的大小，再将其他对零点偏移造成影响的偏移量当作固定值去除。多维力/力矩传感器是通过检测多个应变片的形变来检测不同方向的力与力矩数据，因此传感器自重并不能完全当作质点来进行力分解，其在不同姿态下自身重力的不同分布对力与力矩信号的影响是有一定差别的。

在对力/力矩传感器的零点校正与重力补偿的研究上，研究者们提出了不同的方法。传统的方法是对力传感器的自重部分根据进行建模，通过传感器的自身姿态将自身重力分解到传感器的各个方向的轴上，以此来消解传感器自身重力的影响，这种方式没有考虑除去重力之外影响因素偏差值的影响，往往还会有一些误差，只能当作固定值直接消除，但这样就大大减少了力传感器的精度。后来提出一种零点校正及重力补偿的方法，将机器人的安装误差、力/力矩传感器的零点漂移以及末端执行器重力补偿等问题综合考虑，通过三个随机姿态来求解补偿参数，以此实现零点矫正和重力补偿。

已公开的技术能够实现基本的力传感器偏差调整，但这些方法是将力/力矩传感器当作质点，没有考虑六维力/力矩传感器在检测力与力矩信息时是多个感受器信号数据共同处理的结果，不同姿态下，重力对于对传感器的影响与模型运算结果有一定的差距，导致最终结果仍然有一定的误差，不能真正反映接触力的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种六维力传感器偏移补偿方法及系统，能够解决六维力传感器的输出值与实际数值偏差过大的问题，进而提高导纳控制的控制精度。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种六维力传感器偏移补偿方法，用于机械臂的导纳控制，包括：

获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取所述六维力传感器的实际姿态及实测输出值；

根据所述输出值和所述实际姿态，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值；

根据所述实测输出值和所述初始偏移值，计算获得所述六维力传感器的实际受力值。

进一步地，所述获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值为：

根据预设的机械臂末端的俯仰角β和横滚角γ的采集步长，采集工作面内空载状态下所述六维力传感器的不同姿态的输出值，其中，

范围内根据所述采集步长均匀采集n个点，-π≤γ≤π范围内根据所述采集步长均匀采集m个点，共采集mn个点，每个点均对应一组所述输出值，其中，m和n均为正整数。

进一步地，所述采集工作面内空载状态下所述六维力传感器的不同姿态的输出值包括：

当所述俯仰角β增加一个所述采集步长，进入下一采集姿态时，横滚角γ以当前采集姿态的结束采集位置作为所述下一采集姿态的起始采集位置；

或者，当所述横滚角γ增加一个所述采集步长，进入下一采集姿态时，俯仰角β以当前采集姿态的结束采集位置作为所述下一采集姿态的起始采集位置。

进一步地，所述获取六维力传感器的实际姿态为：

根据机械臂的各个电机的角度通过运动学正解获取所述六维力传感器的实际姿态，其中，所述实际姿态包括实际俯仰角β_s和实际横滚角γ_w。

进一步地，所述采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值，包括：

确定所述实际姿态的近似区间，其中所述近似区间包括实际俯仰角β_s的近似区间β_i≤β_s≤β_i+1和实际横滚角γ_w的近似区间γ_j≤γ_w≤γ_j+1，其中

i≤n-1，j≤m-1，i、j、m、n均为正整数；

根据所述近似区间的端点值对应的所述六维力传感器的输出值，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值。

进一步地，所述获取实测输出值的初始偏移值，进一步包括：

先获取俯仰角为β_s时的初始偏移值，再获取俯仰角为β_s且横滚角为γ_w时的初始偏移值；

或者，先获取横滚角为γ_w时的初始偏移值，再获取横滚角为γ_w且俯仰角为β_s时的初始偏移值。

进一步地，所述根据实测输出值和所述初始偏移值，计算获得所述六维力传感器的实际受力值为：

利用所述实测输出值减去所述初始偏移值获得所述六维力传感器的实际受力值。

一种六维力传感器偏移补偿系统，用于机械臂的导纳控制，包括：

数据获取模块，用于获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取所述六维力传感器的实际姿态及实测输出值；

偏移计算模块，用于根据所述输出值和所述实际姿态，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值；

实际输出计算模块，用于根据所述实测输出值和所述初始偏移值，计算获得所述六维力传感器的实际受力值。

进一步地，所述数据获取模块获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值为：

根据预设的机械臂末端的俯仰角β和横滚角γ的采集步长，采集工作面内空载状态下所述六维力传感器的不同姿态的输出值，其中，

范围内根据所述采集步长均匀采集n个点，-π≤γ≤π范围内根据所述采集步长均匀采集m个点，共采集mn个点，每个点均对应一组所述输出值，其中，m和n均为正整数。

进一步地，所述偏移计算模块采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值，包括：

确定所述实际姿态的近似区间，其中所述近似区间包括实际俯仰角β_s的近似区间β_i≤β_s≤β_i+1和实际横滚角γ_w的近似区间γ_j≤γ_w≤γ_j+1，其中

i≤n-1，j≤m-1，i、j、m、n均为正整数；

根据所述近似区间的端点值对应的所述六维力传感器的输出值，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值。

有益效果：

(1)一种六维力传感器偏移补偿方法，利用六维力传感器的各个轴零偏值即初始偏移值与六维力传感器的姿态的映射关系，通过二次插值的方法来得到实时姿态下的六维力传感器的各轴的初始偏移值，通过实测输出值与初始偏移值计算出实际受力值，能够解决六维力传感器的输出值与实际数值偏差过大的问题，进而提高导纳控制的控制精度，且不需要建立复杂的数学模型，就可以得到相对较高的精度，提高了偏移补偿效率。

(2)在六维力传感器的不同姿态的输出值时，当进入下一采集姿态时，采用前采集姿态的结束采集位置作为所述下一采集姿态的起始采集位置，保证一次遍历就可以将所有的点的数据都采集完成，不走重复路线，避免了多余移动，确保每移动一步就可以采集一组数据，采集效率更高。

(3)采用二次插值的方法获取初始偏移值，先获取一个姿态角状态心爱的初始偏移值，再获取两个姿态角状态下的初始偏移值，可以提高计算效率，同时具有实时性高，估计误差小的效果。

附图说明

图1为本发明的六维力传感器偏移补偿方法的流程图；

图2为本发明的六维力传感器姿态扫描示意图；

图3为本发明的六维力传感器偏移补偿系统的结构框图。

具体实施方式

本发明提供了一种六维力传感器偏移补偿方法及系统，首先采集空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取所述六维力传感器的实际姿态及实测输出值，之后通过二次插值的方法来得到实时姿态下的六维力传感器的各轴的初始偏移值，通过实测输出值与初始偏移值计算出实际受力值，能够解决六维力传感器的输出值与实际数值偏差过大的问题，进而提高导纳控制的控制精度，且不需要建立复杂的数学模型，就可以得到相对较高的精度，提高了偏移补偿效率。

本发明的方法不依赖于精确的重力建模，而是六维力将传感器的所有偏移量都合成为唯一变量处理，该变量大小与传感器的姿态直接相关，通过在工作面内采集大量的数据来拟合整个工作面内所有的偏移值。即六维传感器在无负载情况下，通过扫描整个工作面内部分工作点六个信号(六个维度的，每个传感器都有三个水平方向的力信号和三个力矩信号)的输出值与其姿态的映射关系。在求一个姿态下偏移值时先求其附近映射点的值，再通过插值来求得该姿态下偏移的近似值，传感器数据减去偏移值就可以得到实际接触力的大小值。

机械臂的控制器可以实时检测各个关节电机的角度，通过这些角度和正运动学模型就可以实时检测机械臂末端的姿态。末端姿态通过笛卡尔坐标系来表述，即偏航角(yaw)、俯仰角(pitch)以及横滚角(roll)，分别用α、β、γ表示，重力作用在传感器各个方向上的力和力矩的分力(即偏移值)只与横滚角和俯仰角有关，其他影响因素都与姿态无关，因此在恒温条件下，整个传感器的零偏值只与传感器的姿态有关，即个力或力矩的零偏值都是关于横滚角与俯仰角的唯一映射。通过这两个角的角度就可以找到对应的每个力与力矩的零偏值。

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

一种六维力传感器偏移补偿方法，用于机械臂的导纳控制，包括：

步骤一、获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取六维力传感器的实际姿态及实测输出值；

在一具体实施例中，获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值为：

根据预设的机械臂末端的俯仰角β和横滚角γ的采集步长，采集工作面内空载状态下六维力传感器的不同姿态的输出值，其中，

范围内根据采集步长均匀采集n个点，-π≤γ≤π范围内根据采集步长均匀采集m个点，共采集mn个点，每个点均对应一组所述输出值，其中，m和n均为正整数。

在一具体实施例中，当俯仰角β增加一个采集步长，进入下一采集姿态时，横滚角γ以当前采集姿态的结束采集位置作为下一采集姿态的起始采集位置；

或者，当横滚角γ增加一个采集步长，进入下一采集姿态时，俯仰角β以当前采集姿态的结束采集位置作为下一采集姿态的起始采集位置。

这样的采集方式可以保证一次遍历就可以将所有的点的数据都采集完成，不走重复路线，避免了多余移动，确保每移动一步就可以采集一组数据，采集效率更高。

在一具体实施例中，获取六维力传感器的实际姿态为：

根据机械臂的各个电机的角度通过运动学正解获取六维力传感器的实际姿态，其中，实际姿态包括实际俯仰角β_s和实际横滚角γ_w。

步骤二、根据输出值和实际姿态，采用二次插值法获取实测输出值的初始偏移值；

在一具体实施例中，采用二次插值法获取实测输出值的初始偏移值，包括：首先，确定实际姿态的近似区间，其中近似区间包括实际俯仰角β_s的近似区间β_i≤β_s≤β_i+1和实际横滚角γ_w的近似区间γ_j≤γ_w≤γ_j+1，其中

i≤n-1，j≤m-1，i、j、m、n均为正整数；

之后，根据近似区间的端点值对应的六维力传感器的输出值，采用二次插值法获取实测输出值的初始偏移值。

在一具体实施例中，获取实测输出值的初始偏移值，进一步包括：先获取俯仰角为β_s时的初始偏移值，再获取俯仰角为β_s且横滚角为γ_w时的初始偏移值；或者，先获取横滚角为γ_w时的初始偏移值，再获取横滚角为γ_w且俯仰角为β_s时的初始偏移值。以便提高计算效率，同时具有实时性高，估计误差小的效果。

步骤三、根据实测输出值和初始偏移值，计算获得六维力传感器的实际受力值。

具体计算方式为，利用实测输出值减去初始偏移值获得六维力传感器的实际受力值。

本发明还提供了一种六维力传感器偏移补偿系统，用于机械臂的导纳控制，图3为本发明的六维力传感器偏移补偿系统的结构框图，如图3所示，该偏移补偿系统包括：数据获取模块，用于获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取六维力传感器的实际姿态及实测输出值；偏移计算模块，用于根据输出值和实际姿态，采用二次插值法获取实测输出值的初始偏移值；实际输出计算模块，用于根据实测输出值和初始偏移值，计算获得六维力传感器的实际受力值。

在一具体实施例中，数据获取模块获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值为：根据预设的机械臂末端的俯仰角β和横滚角γ的采集步长，采集工作面内空载状态下六维力传感器的不同姿态的输出值，其中，

范围内根据采集步长均匀采集n个点，-π≤γ≤π范围内根据采集步长均匀采集m个点，共采集mn个点，每个点均对应一组所述输出值，其中，m和n均为正整数。

在一具体实施例中，偏移计算模块采用二次插值法获取实测输出值的初始偏移值，包括：

首先，确定实际姿态的近似区间，其中近似区间包括实际俯仰角β_s的近似区间β_i≤β_s≤β_i+1和实际横滚角γ_w的近似区间γ_j≤γ_w≤γ_j+1，其中

i≤n-1，j≤m-1，i、j、m、n均为正整数；

之后，根据近似区间的端点值对应的六维力传感器的输出值，采用二次插值法获取实测输出值的初始偏移值。

上述六维力传感器偏移补偿系统的其他未详尽描述的技术特征比如工作方式和计算方式，均与六维力传感器偏移补偿方法的相同，这里不再赘述。

为了使得本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体的场景实施例对本发明的技术方案进行阐述。

场景实施例一

本发明提供的六维力传感器偏移补偿方法的流程图如图1所示，首先对工作面内采样姿态点所对应的空载数据进行采集，即每个β所对应的

范围内均匀采集n个点，每个γ所对应的-π≤γ≤π的范围内均匀采集m个点，采集到的mn个点对应的六个力的信息储存起来，采集的值越密集，所需要的时间越久，但最终得到的值也越精确。如β每

停留一次，从

开始采集，当

时，γ从-π开始，每

采集一次，共采集61次，直到γ的值为π，即采集点的坐标为

β的值变为

γ从π开始到-π进行采从开始到结尾，从结尾到开始，节省扫描时间集，即采集点的坐标为

这样就避免了γ角进行多余移动，确保每移动一步就可以采集一组数据，采集效率更高。最终采集到了31*61＝1891组数据，每组数据含三个力数据与三个力矩数据。

具体地，本领域的技术人员应该知道，采集步长的大小可以根据实际情况进行设置，且俯仰角的采集步长和横滚角的采集步长可以相同也可以不相同，这里不做限制。

如图2所示，为本发明的六维力传感器姿态扫描示意图，在进行传感器数据矫正前，先根据机械臂各个电机的角度通过运动学正解得到传感器的位置与姿态，找到满足β_i≤β_s≤β_i+1，γ_j≤γ_w≤γ_j+1的位置与姿态，其中

其中，i≤n-1，j≤m-1，i、j、m、n均为正整数。

之后，进行二次插值，获取六维力传感器的三个轴输出的力和力矩的初始偏移值。

以x方向力Fx为例，当β＝β_i、γ＝γ_j时Fx＝Fx_i,j，当β＝β_i+1、γ＝γ_j+1时Fx＝Fx_i+1,j+1，传感器此时的位置与姿态为β_s,λ_w。

首先用二次插值逼近β＝β_s，同时γ＝γ_j-1、γ＝γ_j与γ＝γ_j+1时的值分别为Fx_s,j-1、Fx_s,j、Fx_s,j+1，则：通过

其中，

a只是在计算过程中为了使得公式结构更加简洁的代数符号，仅用于运算，没有实质含义。

同理，可以求得Fx'_s,j，Fx'_s,j+1的值为：

由此可以对二次插值逼近Fx'_s,w：

其中，

b只是在计算过程中为了使得公式结构更加简洁的代数符号，仅用于运算，没有实质含义。

同理，可以得到其他的零偏值即初始偏移值Fy'_s,w、Fz'_s,w、Mx'_s,w、My'_s,w、Mz'_s,w，六维力传感器实际的测量值为Fx_s,w、Fy_s,w、Fz_s,w、Mx_s,w、My_s,w、Mz_s,w，则输入导纳控制器的值为：

F”x_s,w＝Fx_s,w-F'x_s,w

F”y_s,w＝Fy_s,w-F'y_s,w

F”z_s,w＝Fz_s,w-F'z_s,w

M”x_s,w＝Mx_s,w-M'x_s,w

M”y_s,w＝My_s,w-M'y_s,w

M”z_s,w＝Mz_s,w-M'z_s,w

如图1所示，在获取了实际受力值即实际的力/力矩之后，还包括输入导纳控制器，逆运动学求解以输出位置等导纳控制的常规步骤，这里不再具体描述。

综上，本发明提供的一种六维力传感器偏移补偿方法及系统，将包括重力、温度、传感器结构等对传感器零偏值造成的影响因素统一处理，直接通过扫描力/力矩传感器不同姿态下各个轴在空载条件下的初始值当作固定姿态下的零偏值。在动态条件下，利用各个轴零偏值与传感器姿态的映射关系，通过二次插值的方法来得到实时姿态下的传感器各轴初始偏移值。

其中，采用俯仰角从小到大变化，俯仰角每变化一次，横滚角从小到大或从大到小变化扫描的方法，保证一次遍历就可以将所有的点的数据都采集完成，不走重复路线。基础偏移值采集完一次后存储，之后就无需再次采集。将对力传感器造成影响的所有因素都统一考虑，不需要建立复杂的数学模型，就可以得到相对较高的精度。采集完初始数据后，采用二次插值的方法对实时姿态下的偏移值进行估计，实时性高，估计误差小。

以上的具体实施例仅描述了本发明的设计原理，该描述中的部件形状，名称可以不同，不受限制。所以，本发明领域的技术人员可以对前述实施例记载的技术方案进行修改或等同替换；而这些修改和替换未脱离本发明创造宗旨和技术方案，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种六维力传感器偏移补偿方法，其特征在于，用于机械臂的导纳控制，包括：

获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取所述六维力传感器的实际姿态及实测输出值；

根据所述输出值和所述实际姿态，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值；

根据所述实测输出值和所述初始偏移值，计算获得所述六维力传感器的实际受力值。

2.如权利要求1所述的偏移补偿方法，其特征在于，所述获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值为：

根据预设的机械臂末端的俯仰角β和横滚角γ的采集步长，采集工作面内空载状态下所述六维力传感器的不同姿态的输出值，其中，

范围内根据所述采集步长均匀采集n个点，-π≤γ≤π范围内根据所述采集步长均匀采集m个点，共采集mn个点，每个点均对应一组所述输出值，其中，m和n均为正整数。

3.如权利要求2所述的偏移补偿方法，其特征在于，所述采集工作面内空载状态下所述六维力传感器的不同姿态的输出值包括：

当所述俯仰角β增加一个所述采集步长，进入下一采集姿态时，横滚角γ以当前采集姿态的结束采集位置作为所述下一采集姿态的起始采集位置；

或者，当所述横滚角γ增加一个所述采集步长，进入下一采集姿态时，俯仰角β以当前采集姿态的结束采集位置作为所述下一采集姿态的起始采集位置。

4.如权利要求1所述的偏移补偿方法，其特征在于，所述获取六维力传感器的实际姿态为：

根据机械臂的各个电机的角度通过运动学正解获取所述六维力传感器的实际姿态，其中，所述实际姿态包括实际俯仰角β_s和实际横滚角γ_w。

5.如权利要求1所述的偏移补偿方法，其特征在于，所述采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值，包括：

确定所述实际姿态的近似区间，其中所述近似区间包括实际俯仰角β_s的近似区间β_i≤β_s≤β_i+1和实际横滚角γ_w的近似区间γ_j≤γ_w≤γ_j+1，其中

i、j、m、n均为正整数；

根据所述近似区间的端点值对应的所述六维力传感器的输出值，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值。

6.如权利要求5所述的偏移补偿方法，其特征在于，所述获取实测输出值的初始偏移值，进一步包括：

先获取俯仰角为β_s时的初始偏移值，再获取俯仰角为β_s且横滚角为γ_w时的初始偏移值；

或者，先获取横滚角为γ_w时的初始偏移值，再获取横滚角为γ_w且俯仰角为β_s时的初始偏移值。

7.如权利要求1所述的偏移补偿方法，其特征在于，所述根据实测输出值和所述初始偏移值，计算获得所述六维力传感器的实际受力值为：

利用所述实测输出值减去所述初始偏移值获得所述六维力传感器的实际受力值。

8.一种六维力传感器偏移补偿系统，其特征在于，用于机械臂的导纳控制，包括：

数据获取模块，用于获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值，并获取所述六维力传感器的实际姿态及实测输出值；

偏移计算模块，用于根据所述输出值和所述实际姿态，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值；

实际输出计算模块，用于根据所述实测输出值和所述初始偏移值，计算获得所述六维力传感器的实际受力值。

9.如权利要求8所述的偏移补偿系统，其特征在于，所述数据获取模块获取空载状态下六维力传感器不同姿态的输出值为：

根据预设的机械臂末端的俯仰角β和横滚角γ的采集步长，采集工作面内空载状态下所述六维力传感器的不同姿态的输出值，其中，

范围内根据所述采集步长均匀采集n个点，-π≤γ≤π范围内根据所述采集步长均匀采集m个点，共采集mn个点，每个点均对应一组所述输出值，其中，m和n均为正整数。

10.如权利要求8所述的偏移补偿系统，其特征在于，所述偏移计算模块采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值，包括：

确定所述实际姿态的近似区间，其中所述近似区间包括实际俯仰角β_s的近似区间β_i≤β_s≤β_i+1和实际横滚角γ_w的近似区间γ_j≤γ_w≤γ_j+1，其中

i、j、m、n均为正整数；

根据所述近似区间的端点值对应的所述六维力传感器的输出值，采用二次插值法获取所述实测输出值的初始偏移值。

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