CN116576996A - 力/扭矩传感器的四分之一桥温度补偿 - Google Patents
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Abstract
在使用应变计的力/扭矩传感器中，硬件温度补偿程序使用微调电阻器和单个无应力应变计基本上消除了多个载荷感测应变计随温度变化的热漂移。这些应变计以四分之一桥配置以多个并联级连接。四分之一桥配置中的无应力应变计并联连接。在预定温度范围内基本上消除了载荷感测应变计的热漂移的补偿程序中，在无应力应变计和载荷感测应变计中的一个或多个上并联添加微调电阻器。
Description
技术领域
本发明总体上涉及机器人力/扭矩传感器，特别是涉及一种用无应力应变计对以惠斯通四分之一桥电路配置的多个载荷感测应变计进行温度补偿的系统和方法。
背景技术
机器人是产品制造、测试、组装和包装；辅助和远程手术；空间探索；在危险环境中操作；以及许多其他应用不可或缺的一部分。许多机器人和机器人应用需要施加或经历力的量化，例如材料移除(研磨、砂磨等)、零件组装、远程挖掘或对环境的其他操纵等。
工业机器人通常包括通用致动器或“臂”，致动器被编程为在空间中移动并沿着多个自由度对工件进行操作。各种不同的工具(也称为末端执行器)可以附接到机器人臂以执行不同的任务。
在必须监测和控制机器人对工件施加的力的程度和/或反馈机器人所经历的力以控制机器人的运动(“力控制”操作)的应用中，力/扭矩(F/T)传感器被置于机器人臂和工具之间。
一种传统类型的F/T传感器使用应变计测量连接两个机械部件(一个(直接或间接)耦合到机器人臂，另一个(间接或直接)耦合到机器人工具)的小梁的变形。在美国专利No.10422707(以下简称707专利)中描述了这种F/T传感器的一个紧凑的示例，该专利转让给本申请的受让人，并通过引用将其全部并入本文。
图1转载自707专利，示出一个中心“轮毂”，在本领域中称为工具适配器板(ToolAdapter Plate,TAP)，其耦合到工具。围绕TAP环形布置并与TAP间隔开的另一个主体，在本领域中称为安装适配器板(Mounting Adapter Plate，MAP)，耦合到机器人臂。MAP和TAP通过多个相对较薄的(因此可机械变形的)围绕TAP径向布置的梁相连接，在一种配置中这些梁类似于车轮的辐条。分别耦合到TAP和MAP的物体之间的相对力或扭矩试图相对于TAP移动MAP，导致至少一些梁轻微变形或弯曲。
通常附接到至少一些梁的多个表面的应变计检测这种变形。经历机械变形的梁将沿着一侧略微伸长，并且沿着相对侧压缩。刚性安装到该梁的多个侧面的多个电阻应变计分别经历相应的伸长或缩短，并且应变计的电阻与其长度成正比。因此，应变计的电阻变化可以被检测和量化，例如通过惠斯通桥电路的一些配置，并且来自多个应变计的信号被组合以解析作用在F/T传感器上的力和扭矩。
707专利描述了并且在图1中示出了仅安装到可变形梁的一侧的多个应变计。这种布置允许传感器主体非常紧凑，并且在制造过程中易于放置应变计，同时仍然能够解析所有的力和扭矩。应变计以四分之一桥电路连接，如图2所示，该图转载自707专利的图3。
机器人力/扭矩传感器中的主要误差源是由于热漂移导致的不准确。热漂移的来源包括环境温度变化、环境温度梯度和自发热。对于硅应变计，由温度变化引起的应变计电路的输出电压的变化可能是由感测到的应力引起的输出电压变化大小的数倍。事实上，硅应变计可以被认为作为温度传感器比作为应力传感器更好。以半桥拓扑连接多个应变计可以补偿温度效应，但前提是应变计匹配良好，并且必须彼此精确地相对放置。此外，除了影响应变计输出之外，机器人力/扭矩传感器中的温度变化还可能由于结构元件的不均匀膨胀/压缩而引起机械应力，传感器可以将其解释为施加的载荷或力。
补偿热漂移的一种方法是捕捉温度变化对应变计的影响，并从数学上消除它们。图3是707专利的图8，示出了安装到F/T传感器的无应力机械构件的无应力温度补偿应变计。因为该应变计不会经历机械变形以改变其电阻，所以任何电阻变化都仅是由F/T传感器主体的温度变化引起的。在数学上从来自载荷感测应变计的信号中去除来自无应力应变计的信号，以补偿热效应。
国际专利公开WO 2018/200668(以下简称668 PCT公开)描述了从每个载荷感测应变计的四分之一桥电路输出的电压中减去无应力应变计的四分之一桥电路输出的电压，该专利转让给本申请的受让人并通过引用全部并入本文。图4是668 PCT公开的图2，示出了从应变计SG0和SG1的信号中减去无应力应变计SGU的信号。
然而，由于各个应变计的温度系数的差异，即使当减去无应力应变计电路的输出时，载荷感测应变计电路也会随着温度的变化而表现出输出的可变性。也就是说，至少一些载荷感测应变计与无应力应变计相比，相对于温度表现出不同的电阻变化。这在本文中称为相对于无应力应变计的有效温度系数。这些有效温度系数在温度变化时引入热漂移，并导致力和扭矩的测量中的误差。
本文的背景技术部分被提供用于将本发明的实施例置于技术和操作背景中，以帮助本领域技术人员理解其范围和实用性。背景技术部分中描述的方法可以被采用，但不一定是以前已经设想或采用的方法。除非明确指出，否则本文中的任何陈述都不能仅因为其包含在背景技术部分中而被承认为现有技术。
发明内容
为了向本领域技术人员提供基本理解，以下给出了本公开的简化概要。该概要不是对本公开的广泛概述，并且不旨在识别本发明实施例的关键/紧要的元素或描绘本发明的范围。本概述的唯一目的是以简化形式给出本文中公开的一些概念，作为稍后给出的更详细描述的前序。
根据本文所描述和要求保护的一个或多个实施例，一种硬件温度补偿程序使用微调电阻器基本上消除了载荷感测应变计相对于无应力应变计的任何有效温度系数。应变计以四分之一桥配置以多个并联级连接。四分之一桥配置的无应力应变计并联连接。在预定温度范围内基本上消除载荷感测应变计相对于无应力应变计的任何有效温度系数的补偿程序中，在所述无应力应变计和载荷感测应变计中的一个或多个上添加微调电阻器。
一个实施例涉及力/扭矩传感器的温度补偿电路。该电路包括并联连接的第一多个第一级。每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出各自的电压。该电路还包括与第一级并联连接的一个第二级。第二级被配置为在将固定电阻器和无应力应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出电压。从每个第一级的电压中减去第二级的电压。该电路还包括与所述无应力应变计并联连接的一个无应力微调电阻器。该无应力微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的与连接到固定电阻器的电源的极性相反的极性的有效温度系数。
另一个实施例涉及力/扭矩传感器的温度补偿电路。该电路包括并联连接的第一多个第一级。每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出各自的电压。该电路还包括与第一级并联连接的一个第二级。第二级被配置为在将固定电阻器和无应力应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出电压。从每个第一级的电压中减去第二级的电压。该电路还包括第二多个载荷微调电阻器。每个载荷微调电阻器与一个载荷感测应变计并联连接。每个载荷微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除相关联的载荷感测应变计相对于无应力应变计的连接到固定电阻器的电源的极性的有效温度系数。
又一个实施例涉及一种补偿力/扭矩传感器中的多个载荷感测应变计的热漂移的方法。一种电路包括并联连接的多个第一级。每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出各自的电压。该电路还包括与第一级并联连接的一个第二级。第二级被配置为在将固定电阻器和无应力应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出电压。测量第二级和每个第一级的输出电压，并且在预定温度范围内从每个第一级的输出电压中减去第二级的输出电压。响应于至少一个载荷感测应变计表现出相对于所述无应力应变计的与连接到固定电阻器的电源的极性相反的极性的有效温度系数，在所述无应力应变计上并联增加一个无应力微调电阻器。该无应力微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的与连接到固定电阻器的电源的极性相反的极性的有效温度系数。对于每个载荷感测应变计，响应于该载荷感测应变计表现出相对于所述无应力应变计的连接到固定电阻器的电源的极性的有效温度系数，在该载荷感测应变计上并联添加一个载荷感测微调电阻器。该载荷感测微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除该载荷感测应变计相对于无应力应变计的连接到固定电阻器的电源的极性的有效温度系数。
附图说明
下面将参照附图更充分地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明不应被解释为局限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。类似的附图标记始终指代类似的元件。
图1是现有技术的力/扭矩传感器的截面图，示出了载荷感测应变计。
图2是现有技术的四分之一桥电路中的应变计的图。
图3是现有技术的力/扭矩传感器的透视截面图，示出了无应力应变计。
图4是现有技术的电路图，示出了从两个载荷感测应变计信号中减去无应力应变计信号。
图5是电路示意图，示出了六个载荷感测应变计和一个无应力应变计的四分之一桥电路。
图6是补偿前测量的应变计响应随温度变化的曲线图。
图7是测量的应变计响应随温度的模拟变化的曲线图，其中响应被部分补偿以去除负的有效温度系数。
图8是测量的应变计响应随温度的模拟变化的曲线图，其中响应被完全补偿以去除正的有效温度系数。
图9是在补偿程序的多次迭代之后，图8中测量的应变计响应的模拟变化图。
图10是补偿力/扭矩传感器中的多个载荷感测应变计的热漂移方法的流程图。
图11是微调电阻器确定程序的流程图。
图12A是温度补偿前测量的应变计响应随温度变化的曲线图。
图12B是温度补偿后测量的应变计响应随温度变化的曲线图。
具体实施方式
为了简单和说明的目的，主要通过参考本发明的示例性实施例来描述本发明。在下面的描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了许多具体细节。然而，对于本领域普通技术人员来说，显而易见的是，可以在不限于这些具体细节的情况下实践本发明。在本说明书中，没有详细描述公知的方法和结构，以免不必要地混淆本发明。
下面在上述并入的美国专利No.10422707(“707专利”)中描述的紧凑型力/扭矩(F/T)传感器的背景下描述本发明的实施例。然而，本发明不限于此应用，并且本领域技术人员将容易认识到，实施例可以有利地应用于广泛的各种F/T传感器。本文中的图1至图3分别转载自707专利的图1、图3和图8，图4转载自668 PCT公开的图2。为了解释清楚，这里采用了707专利中的元件编号。
图1示出F/T传感器10的一个实施例的平面图。TAP 12经由三个可变形梁16a、16b、16c连接到MAP 14。在所示的实施例中，每个梁16直接连接到TAP 12，并经由薄皱褶部17连接到MAP 14，这有助于梁16在机械载荷下的变形。TAP 12被配置为经由通孔30连接到第一物体，如机器人工具。MAP 14被配置为经由多个安装孔32连接到第二物体，如机器人臂。TAP12和MAP 14仅通过梁16和皱褶部17连接。
载荷感测应变计1-6(仅)固定到每个梁16a-c的上表面。如本文所使用的，术语“载荷感测应变计”是指安装到F/T传感器的在该F/T传感器测量施加的力和/或扭矩时经历机械应力的构件(例如可变形梁16)的应变计。在其他实施例中，载荷感测应变计可以安装到可变形梁16的多个表面，例如，在其相对表面上(例如，相对侧；顶部和底部)。F/T传感器10还包括处理电路(未示出)，其可操作以从每个载荷感测应变计1-6接收电信号，并处理该信号以解析施加在MAP 14和TAP 12之间的力和扭矩的大小和方向。这样的处理电路可以包括，例如，耦合到存储器的微处理器，该存储器可操作以存储程序代码和传感器数据。
图2示出两个以四分之一桥配置接线的载荷感测应变计。如707专利中所述，该电路配置足以根据两个载荷感测应变计的电阻RLSn的变化来区分梁16的表面的每个载荷感测应变计安装到的部分是处于张力还是压缩。对所有六个载荷感测应变计的信息进行比较足以确定力Fx、Fy、Fz和扭矩Tx、Ty、Tz。
图3示出无应力应变计38。无应力应变计38安装到通过在TAP 12中形成空隙35而形成的延伸部37。延伸部37不会由于施加到F/T传感器10或由F/T传感器10经历的任何力或扭矩而经历变形。因此，无应力应变计35的任何电阻变化都是由温度变化引起的。如本文所使用的，术语“无应力应变计”是指安装到F/T传感器的在该F/T传感器测量施加的力和/或扭矩时基本上不经历机械应力的构件的应变计，在其他方面，该应变计基本上类似于载荷感测应变计。
图4示出四分之一桥电路配置中的两个载荷感测应变计SG0和SG1。载荷感测应变计信号通过减去无应力应变计SGU(也连接在四分之一桥电路中)的信号来部分补偿热漂移。尽管减去无应力应变计SGU信号提高了F/T传感器在温度变化时的性能，但每个载荷感测应变计SG0、SG1相对于温度的电阻变化并不完全匹配无应力应变计SGU的电阻变化。因此，当F/T传感器经历温度变化时，载荷感测应变计SG0、SG1中的一些相对于无应力应变计表现出有效温度系数。当F/T传感器的温度变化时，该有效温度系数有害地影响力和扭矩测量。
图5示出用于测量F/T传感器中的载荷感测应变计以及可能的微调电阻器的电阻变化以补偿热漂移的电路。多个第一级并联连接，其中每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正和负电源电压之间的节点处输出各自的电压。第i个载荷感测应变计的电阻被表示为RLSi(即，RLS0、RLS1、…RLS(n-1))。在所示的电路中，n＝6，尽管这不是本发明的限制。尽管变量RLSi仅正确地指第i个载荷感测应变计的电阻，但为了便于以下讨论，应变计本身有时被表示为RLSi(并且载荷感测应变计统称为RLS)。n个载荷感测应变计RLS0、RLS1、RLS(n-1)中的每一个串联连接到相应的固定电阻器RF0、RF1、…、RF(n-1)。注意，在图5的电路配置中，固定电阻器连接到正电压源；在其他实施例中，固定电阻器可以连接到负电压源。实际上，所有固定电阻器RF可以具有相同的值，如1kΩ。在一个实施例中，可以改变固定电阻器RF的值以将电压测量值保持在优选范围内，如本文更详细地讨论的。
第一级并联连接在施加的电源电压V+和V-之间。通过在每个第一级的载荷感测应变计RLSi和固定电阻器RFn之间的中点处进行电压测量，形成四分之一桥电路。
第二级与第一级并联连接。第二级被配置为在将固定电阻器RFU和无应力应变计RU串联连接在正和负电源电压之间的节点处输出电压。固定电阻器RFU连接到正电源电压。实际上，固定电阻器RFU可以具有与第一级中的固定电阻器RF相同的值。无应力应变计RU与载荷感测应变计RLS基本相似，唯一的区别是它安装到F/T传感器的不会在施加的力或扭矩下经历机械应力的构件。
应变计RLSi、RU中的每一个的输出是在相应的级的中点处测量的电压。如图4所示，从每个第一级输出电压中减去第二级输出电压。由此，利用固定电阻器RFn、RFU的已知值，可以计算载荷感测应变计RLSn的电阻变化，从而可以计算引起机械应力的所施加的力和扭矩。本文所述的补偿程序基本上消除了每个载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU的任何有效温度系数，以从力/扭矩测量值中基本上消除热漂移。
如上所述，固定电阻器RFn、RFU连接到正电压源。这决定了随温度升高载荷感测应变计RLSn和无应力应变计RU之间的相对温度漂移的方向，即，正或负，在本文中也称为“极性”。这种相对热漂移，更准确地说，载荷感测应变计RLsi与无应力应变计RU的电阻随温度升高的变化率之差，在本文中被称为载荷感测应变计RLSn相对于无应力应变计RU的有效温度系数。有效温度系数的方向或极性取决于固定电阻器RFn、RFU是连接到正电源电压还是连接到负电源电压。在本文中为了解释清楚，假设图5的电路配置，其中固定电阻器RFn、RFU连接到正电压源。
图5示出与每个载荷感测应变计RLS并联连接的可能的微调电阻器RLST以及与无应力应变计RU并联连接的可能的微调电阻器RUT。微调电阻器RLST、RUT以虚线表示，以表明在温度补偿程序中，每个微调电阻器可以添加也可以不添加到任何给定的应变计。载荷感测应变计RLSn上的任何微调电阻器在本文中都称为载荷感测微调电阻器RLST，并且无应力应变计RU上的任何微调电阻器在本文中被称为无应力微调电阻器RUT(载荷感测微调电阻器RLST不感测任何载荷，并且无应力微调电阻器RUT是否经历机械应力是不相干的，应用于微调电阻器的术语仅用于参考)。任何微调电阻器RLST、RUT的值都是在温度变化的迭代过程中确定的，在一些实施例中可以对其进行模拟。
根据本发明的实施例，载荷感测应变计RLS被温度补偿以在预定温度范围内基本上消除相对于无应力应变计RU的有效温度系数。对于图5的电路配置，将微调电阻器RUT添加到无应力应变计RU会增加所有载荷感测应变计RLS相对于无应力应变计RU的有效温度系数。此外，对于该电路配置，将微调电阻器添加到载荷感测应变计RLSi降低了该载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU的有效温度系数。
最初，在没有施加机械载荷的情况下，测量每个第一级和第二级的输出，并且当传感器在预定温度范围内被加热时，从每个第一级输出电压中减去第二级输出电压。在所有载荷感测应变计RLS的电阻值变化与无应力应变计RU的电阻值变化精确匹配的这种不太可能的情况下，则不需要进行补偿。在大多数实际情况下，在预定温度范围内，至少一个载荷感测应变计RLSi将表现出相对于无应力应变计的负有效温度系数。
图6示出每个载荷感测应变计RLSi随温度升高的响应。如本文所使用的，载荷感测应变计RLSn的响应是对应的第一级的输出电压和第二级的输出电压之间的差，由激励电压(V+和V-之间的差)归一化。随温度升高测量该响应。例如，RLS0的曲线图是当F/T传感器主体在预定温度范围内被加热时以mV/V为单位的值的时间序列图。由于每个固定电阻器RFi的值是已知的，因此应变计RLS的电阻值相对于RU的电阻值很容易根据测量的电压和欧姆定律来计算。在另一实施例中，可以在预定温度范围内的多个点处直接测量每个载荷感测应变计RLSi的电阻。在图6的示例中，RLS1具有最大的负有效温度系数，也就是说，随着温度升高，相对于第二级，相应的第一级输出的电压降低最大。注意，因为RLS0和RLS1的曲线交叉，所以图6至图9中用虚线绘制RLS0的曲线，以避免混淆。
然后确定无应力微调电阻器RUT的值，该值使相对于无应力应变计RU表现出最大负有效温度系数(在图5电路的一般情况下，表示为RLSmax-neg)的载荷感测应变计RLS1的随温度的响应变平。在一个实施例中，确定无应力微调电阻器RUT的值包括执行电阻值的二分查找(binary search)，用无应力微调电阻器RUT的新值替换当前值，并针对不同RUT值的每次迭代，测量或模拟在预定温度范围内第一级的输出，直到发现在预定温度范围内导致最大负载荷感测应变计RLSmax-neg(图6中为RLS1)的有效温度系数基本为零的RUT值。
图7示出所确定的无应力微调电阻器RUT连接到无应力应变计RU之后的载荷感测应变计RLS响应。先前表现出最大负有效温度系数的载荷感测应变计RLS1的响应现在在预定温度范围内基本恒定。然而，无应力微调电阻器RUT的添加增加了所有其他载荷感测应变计RLS相对于无应力应变计RU的有效温度系数。也就是说，与第二级相比，剩余的第一级现在输出的电压随温度升高而更大地增加。
接下来，在相对于无应力应变计RU表现出正有效温度系数的每个载荷感测应变计RLS上并联连接一个载荷感测微调电阻器RLST。确定每个第一级的载荷感测微调电阻器RLSTi的值，使得该载荷感测应变计RLSi在预定温度范围内的响应基本平坦。这里，也可以应用二分查找，替换载荷感测微调电阻器RLSTi的新值，并在每次迭代时测量或模拟载荷感测应变计RLSi在预定温度范围内的电阻。
图8示出补偿程序完成一次迭代之后温度补偿后的载荷感测应变计RLS的响应。所有载荷感测应变计RLS在预定温度范围内表现出基本恒定的响应(注意，在本示例中，RLS0和RLS5的曲线重叠)。
图9示出在补偿程序的多次迭代之后温度补偿后的载荷感测应变计RLS的响应。响应更加平坦，也就是说，相对于无应力应变计RU，所有载荷感测应变计RLS表现出基本为零的有效温度系数。此外，响应更集中在零mV/V附近。
本领域技术人员将注意到，上述温度补偿程序与图5的四分之一桥电路配置有关。特别地，在该电路配置中，固定电阻器RFn、RFU连接到正电压源。如果电源电压互换，固定电阻器RFn、RFU连接到负电压源，则会发生相反的桥输出变化。也就是说，在无应力应变计RU上添加无应力微调电阻器RUT将降低载荷感测应变计RLSn相对于无应力应变计RU的有效温度系数。此外，在载荷感测应变计RLSi上添加载荷感测微调电阻器RLSTi将增加该载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU的有效温度系数。
因此，在一般情况下，无应力微调电阻器RUT的值被选择为使得在预定的温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计RLSn相对于无应力应变计RU的与连接到固定电阻器RFn、RFU的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数。此外，一般来说，每个载荷微调电阻器RLSTi的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除相关联的载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU的连接到固定电阻器RFn、RFU的电源电压的极性的有效温度系数。
图10是补偿F/T传感器中的多个载荷感测应变计RLS的热漂移的方法100中的步骤的流程图。该方法在包括并联连接的多个第一级的电路中操作。每个第一级i被配置为在将固定电阻器RFi和载荷感测应变计RLSi串联连接在正和负电源电压之间的节点处输出各自的电压。该电路包括与第一级并联连接的第二级。第二级被配置为在将固定电阻器RFU和无应力应变计RU串联连接在正和负电源电压之间的节点处输出电压。
测量第二级和每个第一级的输出电压，并且在预定温度范围内从每个第一级输出电压中减去第二级输出电压(方框102)。
在下面描述的微调电阻器确定程序(框200)中确定各应变计对微调电阻器的需要以及微调电阻器的值。在一个实施例中，在电路的计算机模拟中执行程序200。在一个实施例中，用Python语言对电路进行建模，并且模拟电路在预定温度范围内的操作，但是本领域技术人员可以用各种编程语言和/或电路模拟程序中的任何一种来实现建模和模拟。或者，可以使用分立电阻器或电位计来执行程序200，根据需要迭代地对电路进行热循环以收敛于微调电阻器值，如本文更充分地描述的。
一旦根据微调电阻器确定程序确定了需要所有微调电阻器以及(如果需要的话)它们的值(框200)，则将所确定的微调电阻器RUT、RLSTn安装在电路中(框104)。然后，在预定温度范围内对该电路进行循环，并测量载荷感测应变计RLS的响应，以验证它们保持基本恒定(框106)。
图11示出微调电阻器确定程序200的一个实施例中的步骤。图11和以下对微调电阻器确定程序200的描述描述了最一般的情况，并且不限于图5的电路配置(其中固定电阻器RFn、RFU连接到正电源电压)。如果在方法100(图10)的框104的测量过程中，至少一个载荷感测应变计RLS相对于无应力应变计RU表现出与连接到固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数(框202)，则在无应力应变计RU上并联添加无应力微调电阻器RUT。无应力微调电阻器RUT的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计RLS相对于无应力应变计RU的与连接到固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数(框204)。
在一个实施例中，通过首先识别相对于无应力应变计RU表现出与连接到固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的最大有效温度系数的载荷感测应变计RLSmax来执行无应力微调电阻器RUT的值的确定。在无应力应变计RU上并联添加第一无应力微调电阻器RUT1，并且在预定温度范围内再次测量所识别的载荷感测应变计RLSmax的响应。如果该载荷感测应变计RLSmax仍然表现出与连接到固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数，则用不同的无应力微调电阻器RUT2替换当前的无应力微调电阻器。在一个实施例中，通过二分查找来选择j个连续的无应力微调电阻器RUTj的值。迭代地重复在预定温度范围内测量响应并替换不同的无应力微调电阻器RUTj的步骤，直到所识别的载荷感测应变计RLSmax表现出基本上为零的有效温度系数(或连接到固定电阻器的电源电压的极性的小温度系数)。存储最终的无应力微调电阻器RUT的值，以及所有载荷感测应变计RLS在最后一次测量迭代期间的响应。
然后，微调电阻器确定程序200确定电路的第一级中是否有需要添加载荷感测微调电阻器RLST的，如果有，则确定它们的值。无应力微调电阻器RUT被选择为使得所识别的载荷感测应变计RLSmax的有效温度系数为零。这样，大多数(如果不是全部)剩余载荷感测应变计RLS的有效温度系数现在可能是非零的，并且是连接到固定电阻器的电源的极性。
如果在框204中的最后一次测量迭代期间，还有载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU表现出连接到固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数(框206)，则在该载荷感测应变计RLSi上并联添加载荷感测微调电阻器RLSTi。载荷感测微调电阻器RLSTi的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除相关联的载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU的有效温度系数(框208)。
类似于无应力微调电阻器RUT的确定，在一个实施例中，在迭代测量/替换过程中执行每个载荷感测微调电阻器RLSTi的值的确定。对于相对于无应力应变计RU表现出连接到固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数的每个第i载荷感测应变计RLSi，在相关联的载荷感测应变计RLsi上并联添加第一载荷感测微调电阻器RLST1。在预定温度范围内再次测量至少该载荷感测应变计RLSi的响应。如果该载荷感测应变计RLSi仍然表现出有效温度系数，则用不同的载荷感测微调电阻器RLST2替换该载荷感测应变计RLsi上的当前载荷感测微调电阻器。在一个实施例中，通过二分查找来选择j个连续载荷感测微调电阻器RLSTj的值。迭代重复在预定温度范围内测量响应和替换不同的载荷感测微调电阻器RUTj的步骤，直到第i个载荷感测应变计RLSi相对于无应力应变计RU表现出基本为零的有效温度系数。然后对下一个第一级重复该处理，直到表现出连接到固定电阻器的电源的极性的有效温度系数的所有n个载荷感测应变计都得到补偿。
或者，可以同时改变所有载荷感测微调电阻器RLSTn的值，然后在热循环中测量应变计响应。存储所有最终的载荷感测微调电阻器RLST的值。如上文关于图10的方法100所讨论的，将具有这些值的微调电阻器安装在电路中(框104)，并且验证温度稳定性(框106)。
在某些情况下，添加微调电阻器RLST、RUT可能导致输出超出期望的电压范围。在一个实施例中，在这种情况下，改变一个或多个固定电阻器RF、RFU的值，以使输出电压处于期望范围内。在这种情况下，移除任何微调电阻器RLSTn、RUT，执行测量循环，测量所有载荷感测应变计RLS在预定温度范围内的响应，然后在框202重新开始微调电阻器确定程序200，并使用更新的固定电阻器值RF、RFU再次执行。
返回图5，在执行补偿程序(例如，方法100)之后，根据在补偿程序期间测量的响应，存在微调电阻器RLSTn、RUT的几种可能配置。如上所述，在第一次测量显示所有载荷感测应变计RLS相对于无应力应变计RU表现出零有效温度系数的这种不太可能的情况下，不需要微调电阻器RLST或RUT。
另一种可能性是，一个或多个载荷感测应变计RLS的所有有效温度系数为零或正。在这种情况下，不将无应力微调电阻器RUT添加到无应力应变计RU，但是将在一个或多个载荷感测应变计RLS上添加载荷感测微调电阻器RLST。
在一般情况下，载荷感测应变计RLSmax最初表现出最大的负有效温度系数，这提示将无应力微调电阻器RUT添加到无应力应变计RU，以使该应变计RLSmax在预定温度范围内的响应基本恒定(即，相对于无应力应变计RU使其有效温度系数归零)。这可能导致大多数或所有其他载荷感测应变计RLS有正有效温度系数，这提示向它们添加载荷感测微调电阻器RLST。因此，高达(n-1)个第一级可能包括载荷感测微调电阻器RLST，一个例外是载荷感测应变计RLSmax最初被无应力微调电阻器RUT归零。然而，即使在这种情况下，作为一个实际问题，因为无应力微调电阻器RUT的可用值是离散的，所以可以选择使该载荷感测应变计RLSmax具有略微正的有效温度系数而不是零的值，这也提示向其添加载荷感测微调电阻器RLST。
图6中绘制的数据是从代表性的F/T传感器测量的。使用图5中电路的模型模拟该电路的变化(即，微调电阻器RLSTn、RUT的添加和值的调整)。因此，图7至图9中绘制的应变计响应反映了模拟的数据。相比之下，图12A和12B分别描绘了在热补偿方法100之前和之后所测量的F/T传感器的应变计响应，其中添加和调整后的微调电阻器是实际硬件，并且应变计响应是在预定温度范围内测量的。这些图示出了通过本发明的实施例实现的热漂移的显著改善。
与现有技术相比，本发明的实施例具有许多优点。通过在预定温度范围内基本上消除多个载荷感测应变计RLSn相对于一个无应力应变计RU的有效温度系数，F/T传感器精度得到提高，并且其他热漂移缓解措施变得无实际意义。根据本发明实施例的应变计的温度补偿导致离散微调电阻器的特定值，该特定值与安装在F/T传感器四分之一桥测量电路中的特定应变计相匹配。补偿可以在F/T传感器制造时进行，并且一旦微调电阻器安装在电路中，就可以在硬件中在F/T传感器的寿命中永久消除热漂移。
通常，本文中使用的所有术语应根据其在相关技术领域中的普通含义进行解释，除非明确给出和/或从其使用的背景中暗示了不同的含义。除非另有明确说明，否则对元件、设备、部件、装置、步骤等的所有引用应开放地解释为引用元件、设备或部件、装置或步骤等的至少一个实例。本文公开的任何方法的步骤不必按照所公开的确切顺序执行，除非步骤被明确描述为在另一步骤之后或之前，和/或其中隐含步骤必须在另一步骤之后或之前。在适合的情况下，本文公开的任何实施例的任何特征都可以应用于任何其他实施例。同样，任何实施例的任何优点都可以应用于任何其他实施例，反之亦然。通过以下描述，所包含的实施例的其他目的、特征和优点将是显而易见的。如本文所用，术语“配置为”是指建立、组织、改编或安排为以特定方式操作；该术语与“设计为”同义。如本文所用，术语“实质上”是指几乎或基本上，但不一定完全；该术语包含并说明机械或部件值公差、测量误差、随机变化和类似的不精确来源。
当然，在不偏离本发明的基本特征的情况下，本发明可以以本文中具体阐述的方式以外的其他方式来实施。本实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的，并且在所附权利要求的含义和等效范围内的所有变化都应包含在其中。
Claims (22)
1.一种用于力/扭矩传感器的温度补偿电路，包括：
并联连接的第一多个第一级，每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出各自的电压；
与所述第一级并联连接的一个第二级，所述第二级被配置为在将固定电阻器和无应力应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出电压；
其中从每个第一级的电压中减去所述第二级的电压；以及
与所述无应力应变计并联连接的一个无应力微调电阻器；
其中所述无应力微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的与连接到所述固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数。
2.根据权利要求1所述的温度补偿电路，进一步包括：
第二多个载荷微调电阻器，每个载荷微调电阻器与一个载荷感测应变计并联连接；
其中每个载荷微调电阻器的值被选择为使得在所述预定温度范围内基本上消除相关联的载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数。
3.根据权利要求2所述的温度补偿电路，其中所述第二多个比所述第一多个少一个，使得一个载荷感测应变计上不连接载荷微调电阻器。
4.根据权利要求3所述的温度补偿电路，其中没有载荷微调电阻器的载荷感测应变计是当所述无应力应变计上没有连接微调电阻器时，相对于所述无应力应变计表现出连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的最大有效温度系数的载荷感测应变计。
5.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中所述无应力应变计安装到所述力/扭矩传感器的在所述力/扭矩传感器测量施加的力和/或扭矩时基本上不经历机械应变的构件。
6.根据权利要求1所述的温度补偿电路，其中所述载荷感测应变计成对地安装到不同的可变形梁的同一侧，该侧经历由所述力/扭矩传感器测量的力和/或扭矩引起的机械变形。
7.根据权利要求6所述的温度补偿电路，其中所述第一多个是六个，并且其中三个可变形梁上安装有载荷感测应变计。
8.一种用于力/扭矩传感器的温度补偿电路，包括：
并联连接的第一多个第一级，每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出各自的电压；
与所述第一级并联连接的一个第二级，所述第二级被配置为在将固定电阻器和无应力应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出电压；
其中从每个第一级的电压中减去所述第二级的电压；以及
第二多个载荷微调电阻器，每个载荷微调电阻器与一个载荷感测应变计并联连接；
其中每个载荷微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除相关联的载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数。
9.根据权利要求8所述的温度补偿电路，进一步包括：
与所述无应力应变计并联连接的一个无应力微调电阻器；
其中所述无应力微调电阻器的值被选择为使得在预定温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的与连接到所述固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数。
10.根据权利要求9所述的温度补偿电路，其中所述第二多个比所述第一多个少一个，使得一个载荷感测应变计上不连接载荷微调电阻器。
11.根据权利要求10所述的温度补偿电路，其中没有载荷微调电阻器的载荷感测应变计是在连接载荷微调电阻器之前相对于所述无应力应变计表现出最大负有效温度系数的载荷感测应变计。
12.根据权利要求8所述的温度补偿电路，其中所述无应力应变计安装到所述力/扭矩传感器的在所述力/扭矩传感器测量施加的力和/或扭矩时基本上不经历机械应变的构件。
13.根据权利要求8所述的温度补偿电路，其中所述载荷感测应变计成对地安装到不同的可变形梁的同一侧，该侧经历由所述力/扭矩传感器测量的力和/或扭矩引起的机械变形。
14.根据权利要求13所述的温度补偿电路，其中所述第一多个是六个，并且其中三个可变形梁上安装有载荷感测应变计。
15.一种补偿电路中的力/扭矩传感器中的多个载荷感测应变计的热漂移的方法，该电路包括并联连接的多个第一级，每个第一级被配置为在将固定电阻器和载荷感测应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出各自的电压，以及与所述第一级并联连接的一个第二级，所述第二级被配置为在将固定电阻器和无应力应变计串联连接在正电源电压和负电源电压之间的节点处输出电压，所述方法包括：
在预定温度范围内，测量第二级和每个第一级的输出电压，并从每个第一级的输出电压中减去第二级的输出电压；
响应于至少一个载荷感测应变计相对于所述无应力应变计表现出与连接到所述固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数，在所述无应力应变计上并联添加一个无应力微调电阻器，其中所述无应力微调电阻器的值被选择为使得在所述预定温度范围内基本上消除所有载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的与连接到所述固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的所述有效温度系数；和
对于每个载荷感测应变计，响应于该载荷感测应变计相对于所述无应力应变计表现出连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数，在该载荷感测应变计上并联添加一个载荷感测微调电阻器，其中所述载荷感测微调电阻器的值被选择为使得在所述预定温度范围内基本上消除该载荷感测应变计相对于所述无应力应变计的连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数。
16.根据权利要求15所述的方法，其中添加一个无应力微调电阻器包括：
识别相对于所述无应力应变计表现出与连接到所述固定电阻器的所述电源电压的极性相反的极性的最大有效温度系数的载荷感测应变计；
在所述无应力应变计上并联添加第一无应力微调电阻器；
在所述预定温度范围内测量所识别的载荷感测应变计的响应；并且
迭代地进行以下步骤：响应于所识别的载荷感测应变计相对于所述无应力应变计表现出与连接到所述固定电阻器的电源电压的极性相反的极性的有效温度系数，用不同的无应力微调电阻器替换当前的无应力微调电阻器；和
在所述预定温度范围内测量所识别的载荷感测应变计的响应；
直到所识别的载荷感测应变计在所述预定温度范围内相对于所述无应力应变计表现出基本上为零的有效温度系数。
17.根据权利要求16所述的方法，其中迭代地在所述预定温度范围内测量所识别的载荷感测应变计的响应包括在所述预定温度范围内模拟所述电路的模型并记录所识别的载荷感测应变计的模拟响应。
18.根据权利要求15所述的方法，其中添加载荷感测微调电阻器包括，对于被识别为相对于所述无应力应变计表现出连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数的每个载荷感测应变计：
在该载荷感测应变计上并联添加第一载荷感测微调电阻器；
测量该载荷感测应变计在所述预定温度范围内的响应；并且
迭代地进行以下步骤：响应于该载荷感测应变计表现出连接到所述固定电阻器的电源电压的极性的有效温度系数，
用不同的载荷感测微调电阻器替换当前的载荷感测微调电阻器；和
测量该载荷感测应变计在所述预定温度范围内的响应；
直到该载荷感测应变计在所述预定温度范围内相对于所述无应力应变计表现出基本为零的有效温度系数。
19.根据权利要求18所述的方法，其中迭代地测量所述载荷感测应变计在所述预定温度范围内的响应包括在所述预定温度范围内模拟所述电路的模型并记录所述载荷感测应变计的模拟响应。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述无应力应变计被安装到所述力/扭矩传感器的在所述力/扭矩传感器测量施加的力和/或扭矩时基本上不经历机械应变的构件。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述力/扭矩传感器包括六个载荷感测应变计，经历由施加的力和/或扭矩引起的机械变形的三个可变形梁中的每一个安装有两个载荷感测应变计。
22.根据权利要求21所述的方法，其中每个可变形梁上的两个载荷感测应变计被安装在该可变形梁的同一侧。
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