CN116698243A - 多轴力感测装置及其校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多轴力感测装置，其包括中央部、外环部、多个测量轴以及多个感测组。外环部环绕中央部。多个测量轴分别连接于中央部与外环部之间。多个测量轴被均匀地设置于中央部的外侧。测量轴中的每一个的第一面及第二面分别配置有多个感测组中的一者。这多个感测组中的每一个包括第一应变感测元件以及第二应变感测元件。第一应变感测元件配置于第一面的第一中央对称线上或第二面的第二中央对称线上。第二应变感测元件配置于第一面上或第二面上。本发明的多轴力感测装置可有效地对半导体应变规信号数据进行补偿修正，进而提升测量受力的精准度。

Description

多轴力感测装置及其校正方法
技术领域
本发明涉及一种感测装置及其校正方法，且特别涉及一种多轴力感测装置及其温度校正方法。
背景技术
机器人、机器手臂发展日益重要，不管是生医、科学、航太或工业的领域等都可见其踪影。在大多的使用情境下，手臂或工具会与物件接触，而力与力矩感测器(Force/Torque sensor)则尽可能的去观察监控其二者的接触关系。有了力回馈的系统，可让手臂或工具做更细微精巧的工作，像是组装、研磨焊接、钻孔、机械测试等等。
力与力矩感测器为一种传感器，有六个感测自由度，也称六轴感测器(6DOF or 6-axis force-torque sensor)，可以在多种场域来得到力的信息，在手臂通常介于手臂与夹爪之间，测量外部物件施加于夹爪上的力，该力被传递回到感测器上产生应变，并通过应变转换信号来得知所施加的力行为，其测量应变方式最常见的就是使用应变规。
常见的应变规有两种形式，金属应变规与半导体应变规，二者都是与所贴附的结构一同变形，变形后导致应变规电阻变化，再利用电桥测量其电阻变化所产生的电压差来得知应变。然而，金属应变规对于温度影响较不敏感，故而信号产生的灵敏度较低，而半导体应变规非常容易受温度影响，故而其对信号产生的灵敏度较高。因此，使用半导体应变规，其温度飘移是一大问题。
“背景技术”段落只是用来帮助了解本发明内容，因此在“背景技术”段落所公开的内容可能包含一些没有构成所属领域技术人员所知道的现有技术。在“背景技术”段落所公开的内容不代表该内容或者本发明一个或多个实施例所要解决的问题在本发明申请前已被所属领域技术人员所知晓或认知。
发明内容
本发明提供一种多轴力感测装置及其校正方法，其可避免温度影响所产生的温飘问题，进而提升测量受力的精准度。
本发明的其他目的和优点可以从本发明所公开的技术特征中得到进一步的了解。
为实现上述目的之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明提供一种多轴力感测装置，其包括中央部、外环部、多个测量轴以及多个感测组。外环部环绕中央部。多个测量轴分别连接于中央部与外环部之间。多个测量轴平均设置于中央部的外侧各测量轴的第一面及第二面分别配置有多个感测组中的一者。各感测组包括第一应变感测元件以及第二应变感测元件。第一应变感测元件配置于第一面的第一中央对称线上或第二面的第二中央对称线上。第二应变感测元件配置于第一面上或第二面上。
为实现上述目的之一或部分或全部目的或是其他目的，本发明另提供一种多轴力感测装置的校正方法，其包括提供多轴力感测装置，其中多轴力感测装置包括多个测量轴及配置于多个测量轴的多个感测组，各感测组包括第一应变感测元件以及第二应变感测元件的步骤；在第一温度下施加校正施力于多个感测组以获得第一应变资料，以及在第二温度下施加校正施力于多个感测组以获得第二应变资料的步骤；依据第一应变资料及校正施力以获得第一温度校正矩阵，以及依据第二应变资料及校正施力以获得第二温度校正矩阵的步骤；依据第一温度校正矩阵以及第二温度校正矩阵获得校正系数的步骤；以及依据第一温度值、第二温度值、第一温度校正矩阵以及校正系数获得补偿校正矩阵的步骤。
基于上述，本发明的实施例至少具有以下优点或功效中的一个。在本发明的多轴力感测装置及多轴力感测装置的校正方法中，多轴力感测装置包括多个测量轴及配置于多个测量轴的多个感测组，且各感测组包括配置于不同位置的第一应变感测元件以及第二应变感测元件。借由在不同温度下所测得的应变资料以及受力数据进行计算以获得在不同温度下的校正矩阵。借由在不同温度下的校正矩阵与测量温度进行内插法求得校正系数。以及，借由不同温度的校正矩阵以及校正系数进行计算以获得补偿校正矩阵。如此一来，将补偿校正矩阵套入计算校正矩阵的公式中可有效地对半导体应变规信号数据进行补偿修正，使多轴力感测装置可避免温度影响所产生的温飘问题，进而提升测量受力的精准度。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附视图作详细说明如下。
附图说明
图1为使用本发明一实施例的多轴力感测装置的机械手臂示意图。
图2为图1的多轴力感测装置的前视示意图。
图3为图1的多轴力感测装置的局部放大示意图。
图4为本发明一实施例的多轴力感测装置的校正方法步骤流程图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考视图的优选实施例作出的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语(例如：上、下、左、右、前或后等)仅是参考附加视图的方向。因此，使用的方向用语用来说明并非用来限制本发明。
图1为使用本发明一实施例的多轴力感测装置的机械手臂示意图。图2为图1的多轴力感测装置的前视示意图。图3为图1的多轴力感测装置的局部放大示意图。请参考图1至图3。本实施例提供一种多轴力感测装置100，用以对机械手臂10进行力与力矩的感测，以感测出机械手臂10的受力状态，进而可针对感测结果对机械手臂10进行校正，从而提升机械手臂10的精准度。举例而言，在本实施例中，机械手臂10包括臂部20以及连接于臂部20的爪部30。而在进行校正机械手臂10期间，多轴力感测装置100配置于臂部20与爪部30之间。
在本实施例中，多轴力感测装置100包括中央部110、外环部120、多个测量轴130以及多个感测组140。其中，外环部120环绕中央部110。多个测量轴130分别连接于中央部110与外环部120之间，这些测量轴130均匀地设置于中央部110的外侧。在本实施例中，测量轴130的数量为至少三个，且以中央部110的中心点C为对称中心环绕中央部110。换句话说，相邻测量轴130所夹的夹角皆相等。各测量轴130包括第一面S1及第二面S2，且在本实施例中，这些第一面S1垂直于这些第二面S2。此外，在本实施例中，上述的中央部110、外环部120以及多个测量轴130为一体成型，但本发明并不限于此。
多个感测组140配置于多个测量轴130的至少两个不同表面上。举例而言，在本实施例中，各测量轴130的第一面S1及第二面S2分别配置有感测组140中的一者。意即，多个感测组140分别配置于多个测量轴130的第一面S1及第二面S2。具体而言，各感测组140包括第一应变感测元件142以及第二应变感测元件144，其中第一应变感测元件142配置于第一面S1的第一中央对称线L1上或第二面S2的第二中央对称线L2上，第二应变感测元件144配置于第一面S1上或第二面S2上。在本实施例中，第二应变感测元件144配置在非第一中央对称线L1上或第二面S2的非第二中央对称线L2上，但本发明并不限于此，第二应变感测元件144可配置在第二面S2的任意位置上。因此，感测组140的数量为测量轴130的数量的两倍。然而在其他实施例中，感测组140的数量可为测量轴130的数量的三倍或四倍，本发明并不限于此。举例而言，在本实施例中，多轴力感测装置100具有三个测量轴130以及六组感测组140，其中三组感测组A配置于三个测量轴130的第一面S1，而另外三组感测组B配置于三个测量轴130的第二面S2，用以测量六轴的力与力矩，但本发明并不限于此。
第一应变感测元件142以及第二应变感测元件144例如为应变规，用以利用惠斯通电桥定理测量机械手臂10因受力而产生的应变信号。在本实施例中，第一应变感测元件142与第二应变感测元件144皆为半导体应变规，且第一应变感测元件142的温度特性不同于第二应变感测元件144的温度特性。举例而言，第一应变感测元件142的电阻温度系数不同于第二应变感测元件144的电阻温度系数，和/或第一应变感测元件142的应变温度系数不同于第二应变感测元件144的应变温度系数，本发明并不限于此。
在本实施例中，第一应变感测元件142与第二应变感测元件144之间具有间隔。然而在不同实施例中，第一应变感测元件142与第二应变感测元件144可紧邻配置而不具有间隔，本发明并不限于此。举例而言，第一应变感测元件142与第二应变感测元件144沿垂直于第一中央对称线L1的一方向上排列或沿垂直于第二中央对称线L2的一方向上排列。换句话说，在本实施例中，在三个测量轴130中的第一面S1以及第二面S2上皆配置有第一应变感测元件142以及第二应变感测元件144，其中第一应变感测元件142配置成位于表面的中央对称线上，而第二应变感测元件144配置成邻近于第一应变感测元件142处，与第一应变感测元件142具有间隔，如图3所示。由于本实施例的多轴力感测装置100具有配置于不同位置的应变感测元件，因此在不同温度下进行测量时可依据所测得的应变信号进行校正，以补偿因温度不同所造成的误差。如此一来，本实施例的多轴力感测装置100可不受温度影响且能提升测量精准度，进而提升机械手臂10的精准度。
图4为本发明一实施例的多轴力感测装置的校正方法步骤流程图。请参考图1至图4。本实施例提供一种多轴力感测装置的校正方法，至少可应用于图1至图3所显示的多轴力感测装置100，故以下说明以应用于图1至图3的多轴力感测装置100为例。在本实施例的多轴力感测装置的校正方法中，首先，执行步骤S 100，提供多轴力感测装置100，其中多轴力感测装置100包括多个测量轴130及配置于多个测量轴130的多个感测组140，各感测组140包括第一应变感测元件142以及第二应变感测元件144。
接着，在上述步骤之后，执行步骤S 101，在第一温度下施加校正施力于多个感测组140以获得第一应变资料，以及在第二温度下施加校正施力于多个感测组140以获得第二应变资料。举例而言，在本实施例中，第一温度例如为常温25度，第二温度例如为50度。以下表一显示于不论在第一温度或第二温度时，各感测组140中第一应变感测元件142与第二应变感测元件144分别受到的实际应变值数据。
表一
其中，表一所显示的142A至142F表示为在不同感测组140中的第一应变感测元件，而144A至144F表示为在不同感测组140中的第二应变感测元件。如上表一，各感测组140中第一应变感测元件142与第二应变感测元件144所受到的实际应变皆不相同。于此步骤中，可借由测量第一温度以获得第一温度值以及测量第二温度以获得第二温度值。其中上述的测量可以于环境中配置温度感测器进行测量。或者是，依据第一应变资料以及第二应变资料获得第一温度值以及第二温度值，可进一步排除环境中配置温度感测器所测得的温度与感测组140的实际温度具有误差的问题，本发明并不限于此。
接着，在上述步骤之后，执行步骤S102，依据第一应变资料及校正施力以获得第一温度校正矩阵，以及依据第二应变资料及校正施力以获得第二温度校正矩阵。举例而言，在上述步骤之后可借由下列公式(1)对上述表一进行计算并取其中一根，从而获得实际的应变信号数据，如下列表二所显示，而借由相同方式可对在第二温度下所测得的应变信号数据进行计算从而获得实际的应变信号数据，如下列表三所显示。
其中，
ε为实际应变信号；
A1为第一应变感测元件的电组变化率(即测量值)；
A2为第二应变感测元件的电组变化率(即测量值)；
GF1为第一应变感测元件的应变系数；
GF2为第二应变感测元件的应变系数；
m1为第一应变感测元件的应变温度系数(TCGF)；
m2为第二应变感测元件的应变温度系数(TCGF)；
α1为第一应变感测元件的电阻温度系数(TCR)；以及
α2为第二应变感测元件的电阻温度系数(TCR)。
表二
轴 施力 140A 140B 140C 140D 140E 140F
Fx 200N -107.9 290.3 56.7 -159.4 52.7 -139.3
Fy 200N 4.0 -12.3 91.9 -249.1 -94.4 261.9
Fz 360N 481.9 361.1 489.1 362.4 491.1 367.7
Mx 8Nm 736.1 556.8 -356.7 -252.1 -378.0 -262.0
My 8Nm 11.5 4.1 -639.0 -439.4 626.8 473.6
Mz 8Nm 178.5 -475.9 175.3 -474.9 178.4 -480.9
表三
轴 施力 140A 140B 140C 140D 140E 140F
Fx 200N -94.6 291.6 49.8 -161.6 45.8 -137.1
Fy 200N 3.9 -14.4 80.1 -248.8 -83.0 264.0
Fz 360N 483.6 313.5 490.5 314.3 492.5 319.3
Mx 8Nm 738.4 480.9 -358.8 -222.8 -377.7 -227.4
My 8Nm 10.1 1.0 -640.0 -384.2 629.7 411.2
Mz 8Nm 155.8 -477.6 152.9 -486.3 155.9 -482.3
其中，表二及表三中所显示的140A至140F分别表示为在第一温度与第二温度下经过公式(1)计算后配置于不同位置的感测组140的数值。
经公式(1)将温度的影响消除后，表二与表三的值应为一样，但实际还是会有些微差距，所以接着，可依据上述表二及表三所获得的计算后应变信号数据，借由下列公式(2)、(3)分别进行计算以获得在两个不同温度下的校正矩阵。详细而言，在本步骤中，可以最小平方法对第一应变资料进行解耦合以获得第一温度校正矩阵，以及以最小平方法对第二应变资料进行解耦合以获得第二温度校正矩阵。在本实施例中，以第一温度为摄氏25度，第二温度为摄氏50度作为范例说明。
其中，
G25℃为在第一温度下的校正矩阵；以及
G50℃为在第二温度下的校正矩阵；以及
F为多个测量轴130所受到的力矩阵；以及
U25℃为多个感测组140在第一温度下所测得的应变信号矩阵；以及
U50℃为多个感测组140在第二温度下所测得的应变信号矩阵。
接着，在上述步骤之后，执行步骤S103，依据第一温度校正矩阵以及第二温度校正矩阵获得校正系数。举例而言，在本实施例中，在求出上述第一温度及第二温度下的校正矩阵之后(即G25℃与G50℃)，依据第一温度校正矩阵、第二温度校正矩阵、第一温度及第二温度进行内插法求得校正系数。
接着，在上述步骤之后，执行步骤S104，依据第一温度值、第二温度值、第一温度校正矩阵以及校正系数获得校正矩阵。举例而言，在本实施例中，在求出上述校正系数之后，可借由下列公式(4)进行计算以获得补偿校正矩阵。
[Gcompensated]6×6＝[G25℃]6×6+[k]6×6×ΔT…(4)
其中，
Gcompensated为补偿校正矩阵；以及
G25℃为在第一温度下的校正矩阵；以及
[k]6x6为校正系数矩阵；以及
ΔT为第一温度与第二温度的差值。
因此，借由补偿校正矩阵可进一步利用下列公式(5)对不同温度下测得的应变信号数据进行计算以获得施力数据。
F＝Gcompensated·U…………………………………(5)
如此一来，借由本实施例所提供的校正方法，可有效地对半导体应变规进行补偿修正，使多轴力感测装置100可避免温度影响所产生的温飘问题，进而提升测量受力的精准度。
综上所述，在本发明的多轴力感测装置及多轴力感测装置的校正方法中，多轴力感测装置包括多个测量轴及配置于多个测量轴的多个感测组，且各感测组包括配置不同位置的第一应变感测元件以及第二应变感测元件。借由在不同温度下所测得的应变资料以及受力数据进行计算获得在不同温度下的校正矩阵。借由在不同温度下的校正矩阵与测量温度进行内插法求得校正系数。以及，借由不同温度的校正矩阵以及校正系数进行计算以获得补偿校正矩阵。如此一来，将补偿校正矩阵套入计算校正矩阵的公式中可有效地对半导体应变规信号数据进行补偿修正，使多轴力感测装置可避免温度影响所产生的温飘问题，进而提升测量受力的精准度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡是依照本发明的权利要求书及本发明的说明书所作的简单的等效变化与修饰皆仍处于本发明专利涵盖的范围内。另外，本发明的任一实施例或权利要求书不须实现本发明所公开的全部目的或优点或特点。此外，说明书摘要和发明名称仅用来辅助专利文件检索之用，并非用来限制本发明的权利范围。此外，本说明书或权利要求书中提及的“第一”、“第二”等用语仅用以命名元件(element)的名称或区别不同实施例或范围，而并非用来限制元件数量上的上限或下限。
附图标记列表
10:机械手臂
20:臂部
30:爪部
100:多轴力感测装置
110:中央部
120:外环部
130:测量轴
140,A,B:感测组
142:第一应变感测元件
144:第二应变感测元件
C:中心点
L1:第一中央对称线
L2:第二中央对称线
S1:第一面
S2:第二面
S100～S104:步骤。

Claims (10)

1.一种多轴力感测装置，其特征在于，所述多轴力感测装置包括中央部、外环部、多个测量轴、多个感测组、第一应变感测元件以及第二应变感测元件，其中：
所述外环部环绕所述中央部；
所述多个测量轴分别连接于所述中央部与所述外环部之间，所述多个测量轴被均匀地设置于所述中央部的外侧；以及
所述多个测量轴中的每一个的第一面及第二面分别配置有所述多个感测组中的一个，所述感测组中的每一个包括第一应变感测元件以及第二应变感测元件，其中：
所述第一应变感测元件配置于所述第一面的第一中央对称线上或所述第二面的第二中央对称线上；
所述第二应变感测元件配置于所述第一面上或所述第二面上。
2.根据权利要求1所述的多轴力感测装置，其特征在于，所述多个测量轴中的每一个的所述第一面垂直于所述第二面。
3.根据权利要求1所述的多轴力感测装置，其特征在于，所述多个感测组中的每一个的所述第一应变感测元件与所述第二应变感测元件沿垂直于所述第一中央对称线的方向上排列或沿垂直于所述第二中央对称线的方向上排列。
4.根据权利要求1所述的多轴力感测装置，其特征在于，所述多个感测组中的每一个的所述第一应变感测元件以及所述第二应变感测元件为半导体应变规。
5.根据权利要求1所述的多轴力感测装置，其特征在于，所述多个测量轴的数量为至少三个，且以所述中央部的中心点为对称中心环绕所述中央部。
6.根据权利要求1所述的多轴力感测装置，其特征在于，所述第一应变感测元件的电阻温度系数不同于所述第二应变感测元件的电阻温度系数，和/或所述第一应变感测元件的应变温度系数不同于所述第二应变感测元件的应变温度系数。
7.一种多轴力感测装置的校正方法，其特征在于，所述校正方法包括：
提供多轴力感测装置，其中，所述多轴力感测装置包括多个测量轴及配置于所述多个测量轴的多个感测组，所述多个感测组中的每一个包括第一应变感测元件以及第二应变感测元件；
在第一温度下施加校正施力于所述多个感测组以获得第一应变资料，以及在第二温度下施加所述校正施力于所述多个感测组以获得第二应变资料；
依据所述第一应变资料及所述校正施力以获得第一温度校正矩阵，以及依据所述第二应变资料及所述校正施力以获得第二温度校正矩阵；
依据所述第一温度校正矩阵以及所述第二温度校正矩阵获得校正系数；以及
依据第一温度值、第二温度值、所述第一温度校正矩阵以及所述校正系数获得补偿校正矩阵。
8.根据权利要求7所述的多轴力感测装置的校正方法，其特征在于，在所述第一温度下施加所述校正施力于所述多个感测组以获得所述第一应变资料，以及在所述第二温度下施加所述校正施力于所述多个感测组以获得所述第二应变资料的方法还包括：
测量所述第一温度以获得所述第一温度值；以及
测量所述第二温度以获得所述第二温度值。
9.根据权利要求7所述的多轴力感测装置的校正方法，其特征在于，在所述第一温度下施加所述校正施力于所述多个感测组以获得所述第一应变资料，以及在所述第二温度下施加所述校正施力于所述多个感测组以获得所述第二应变资料的方法还包括：
依据所述第一应变资料以及所述第二应变资料获得所述第一温度值以及所述第二温度值。
10.根据权利要求7所述的多轴力感测装置的校正方法，其特征在于，依据所述第一应变资料以获得所述第一温度校正矩阵，以及依据所述第二应变资料以获得所述第二温度校正矩阵的方法还包括：
以最小平方法对所述第一应变资料进行解耦合以获得所述第一温度校正矩阵；以及
以最小平方法对所述第二应变资料进行解耦合以获得所述第二温度校正矩阵。
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