CN117870955B

CN117870955B - 基于音圈电机的六维力标定装置和方法

Info

Publication number: CN117870955B
Application number: CN202410279185.8A
Authority: CN
Inventors: 李博; 王爽; 蒋荻; 潘峙達
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2024-03-12
Filing date: 2024-03-12
Publication date: 2024-05-07
Anticipated expiration: 2044-03-12
Also published as: CN117870955A

Abstract

本发明涉及力传感器标定技术领域，具体提供一种基于音圈电机的六维力标定装置和方法，通过音圈电机激励组件为六维测力平台提供标准扰动力，实现高精度动态标定，通过比较扰动设备对六维测力平台施加待测扰动力时，六维测力平台测得的待测扰动力与音圈电机激励组件复现扰动设备对六维测力平台施加的待测扰动力时，六维测力平台测得的复现的待测扰动力，实现六维测力平台的标定；并通过比较标定前后，音圈电机激励组件施加相同标准扰动力时，六维测力平台中每个传感器的响应是否相同，以确保标定结果的准确性。本发明结构更简单，降低了装置的复杂性和成本；并且标定精度更高，能够有效实现六维方向力的标定，避免出现标定盲区。

Description

基于音圈电机的六维力标定装置和方法

技术领域

本发明涉及力传感器标定技术领域，具体提供一种基于音圈电机的六维力标定装置和方法。

背景技术

空间六维力传感器是一种用于测量物体在空间中六个自由度（三个平移自由度和三个旋转自由度）上受到的力和力矩的设备。这种传感器在许多领域都得到了广泛应用，包括机器人技术、航空航天、医疗设备、汽车工业等。

六维力传感器的标定是确保其测量结果准确性的关键步骤。标定的目标是建立传感器输出与真实力和力矩之间的准确关系，考虑到传感器可能存在的误差和非线性。六维力传感器标定方法包括以下几种：

1.静态标定：位置调整：将被测物体放置在传感器上，调整物体的位置，以确保受力点在传感器的合适位置。零点校准：在没有外力作用的情况下，记录传感器的输出值，这被称为零点，这是为了消除传感器的零漂。

2.动态标定：已知力矩法：在受测物体上施加已知大小和方向的力和力矩，记录传感器的输出。通过测量得到的数据，建立传感器输出与施加力和力矩之间的关系。平移和旋转：在六个自由度上分别施加力和力矩，并记录传感器的输出，这样可以建立六维力传感器在不同方向上的响应。

3.非线性修正，拟合曲线：使用数学工具，如多项式拟合或其他曲线拟合技术，对传感器输出进行拟合，这有助于纠正传感器输出的非线性部分。校正矩阵：建立一个校正矩阵，将传感器输出映射到真实的六维力和力矩。

4.实时监测和修正：实时监测：在实际应用中，可以采用实时监测传感器输出，并根据需要进行在线校正，以应对传感器性能可能受到的变化。

以上方法通常需要专业设备和仪器，并在受控制的实验室环境中进行。但传感器的性能往往受到环境条件、校准和传感器本身设计的影响，上述方法在实际应用中还存在如下缺点和不足：

由于静态标定是在静止状态下进行的，它无法全面考虑到在实际应用中可能出现的动态因素，如物体的加速度和速度。动态标定需要在物体上施加多个方向和大小的力和力矩，这可能在实际应用中变得复杂和昂贵。此外传感器的动态响应可能会引入误差，特别是在高频率或快速变化的情况下。非线性修正会导致过拟合，对传感器输出进行非线性修正可能需要复杂的数学模型，而过度拟合模型可能导致在未知情况下的不准确性，且需要大量数据。若采用实时监测和修正需要实时对设备进行监测，并且还可能需要额外的传感器和设备，增加了系统的复杂性和成本。

目前国内典型的六维力标定装置有砝码式、龙门式、千斤顶式等，砝码式无耦合六维力传感器组合标定装置采用砝码作为力源，利用杠杆原理和滑轮组实现增力作用，实现各个方向单维力的单独标定，操作简便，但滑轮的摩擦会造成较大的加载误差，从而影响标定精度，此外，此方法无法对大量程六维力标定。滑轮式无极升降六维力传感器标定装置，可实现对多维力传感器的广义加载标定，但传递绳索与水平面之间的角度很难保证且滑轮存在摩擦力影响标定精度。千斤顶式六维力标定装置的标定方法，通过四个标准的单维力传感器及四个千斤顶进行施加载荷，存在机构庞大复杂，装配调试繁琐等问题，且无法标定Z方向，存在标定盲区。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种基于音圈电机的六维力标定装置和方法，有效解决了现有标定装置结构复杂、装配调试繁琐、存在标定盲区等问题，并且本发明的标定过程简单，加载标定过程更稳定。

本发明提供的基于音圈电机的六维力标定装置，包括：六维测力平台、扰动设备和音圈电机激励组件；

音圈电机激励组件包括转接工装、力传感器、音圈电机，其中，音圈电机包括电机动子和电机定子，音圈电机激励组件通过转接工装与固定面连接，转接工装远离固定面的一侧与力传感器连接，力传感器与电机动子连接，电机动子与电机定子连接，电机定子与六维测力平台连接或抵接；

电机动子和电机定子用于对六维测力平台施加标准扰动力，力传感器用于测量标准扰动力。

优选的，六维测力平台与大地固定连接，在六维测力平台的侧面和上表面设置有12个音圈电机激励组件，用于对六维测力平台施加标准扰动力。

优选的，扰动设备设置在六维测力平台的上表面，用于对六维测力平台施加待测扰动力。

一种基于音圈电机的六维力标定方法，利用基于音圈电机的六维力标定装置对六维测力平台进行标定，包括以下步骤：

S1：控制扰动设备不工作；控制音圈电机激励组件中的音圈电机进行扫频，通过音圈电机激励组件中力传感器记录音圈电机的输出力，获取六维测力平台的每个传感器的响应，则可获得音圈电机的输出力到六维测力平台上每个传感器的传递函数矩阵；

S2：控制音圈电机激励组件不工作；控制扰动设备对六维测力平台施加待测扰动力，利用六维测力平台测量待测扰动力；

S3：控制扰动设备不工作；控制音圈电机激励组件复现扰动设备对六维测力平台施加的待测扰动力，利用六维测力平台测量音圈电机激励组件复现的待测扰动力；

S4：比较六维测力平台在S2中测得的待测扰动力与在S3中测得的复现的待测扰动力是否相同，若相同，则继续标定；若不相同，则返回S1重新标定；

S5：控制扰动设备不工作；控制音圈电机以与S1中相同的工作频率进行扫频，获取六维测力平台的每个传感器的响应；

S6：比较S1中每个传感器的响应与S5中每个传感器的响应是否相同，若相同，则完成标定；若不相同，则返回S1重新标定。

优选的，音圈电机的工作频率为1-1000Hz。

优选的，S1中，利用力传感器记录音圈电机的输出力为，六维测力平台的每个传感器的响应为/>，则有：

；

其中，表示音圈电机的输出力到六维测力平台上每个传感器的传递函数矩阵。

优选的，S2中，六维测力平台测得待测扰动力的公式如下：

；

其中，表示S2中六维测力平台的每个传感器的响应，/>表示传感器响应到空间六维力的变换矩阵。

优选的，S3中，六维测力平台测得音圈电机激励组件复现的待测扰动力的公式如下：

；

其中，表示S3中六维测力平台测得复现的待测扰动力为/>时，通过力传感器获取得音圈电机的输出力；/>表示空间六维力响应到音圈电机激励组件的变换矩阵。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

本发明的标定装置相较于传统的砝码式、千斤顶式或依靠反作用力产生扰动力的装置，通过音圈电机激励组件为六维测力平台提供标准扰动力，实现了较大带宽的六维扰动力动态标定，比脉冲激励标定方法的标宋精度更高，有效保证了六维力测力平台的标定精度，提高了测力平台测量结果的准确性；本发明标定装置的机械结构更简单，且不需要额外的传感器和设备，降低了装置的复杂性和成本，并且还具有高精度、操作便捷、加载过程稳定等特点，并能够有效实现六维方向力的标定，避免出现标定盲区。此外，本发明的装置和方法还能用于对扰动设备和音圈电机激励组件的性能进行测试，以确保六维测力平台测量结果的有效性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于音圈电机的六维力标定装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的六维测力平台中传感器分布图；

图3是根据本发明实施例提供的基于音圈电机的六维力标定方法的流程图；

图4是根据本发明实施例提供的音圈电机激励组件施加标准扰动力的示意图。

其中的附图标记包括：

六维测力平台1、扰动设备2、音圈电机激励组件3、转接工装31、力传感器32、电机动子33、电机定子34。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于音圈电机的六维力标定装置，包括：六维测力平台1、扰动设备2和音圈电机激励组件3，其中，六维测力平台1与大地固定，其内部设有如图2所示的8个传感器，图2中S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇和S₈示出的即为8个传感器在空间中的受力情况。通过平台内部的8个传感器可以测量六维测力平台1的质心处的六维位移。本实施例中仅是示出一种8个传感器的六维测力平台1，但本发明的适用范围并不局限于8个传感器的六维测力平台1。六维测力平台1也可采用其他数量的传感器测量空间六维扰动力。

扰动设备2设置在六维测力平台1的上表面，用于对六维测力平台1施加扰动力，模拟六维测力平台1在实际工作中受到的外部扰动，即六维测力平台1最终需要测量的扰动力，简记为待测扰动力。扰动设备2可根据实际需求选择现有设备即可，其与六维测力平台1的连接方式和连接位置均可依据实际工况进行设计即可。

音圈电机激励组件3用于为六维测力平台1提供标准扰动力，在本实施例中，共设置了12个音圈电机激励组件3六维测力平台1在X、Y和Z方向上施加单向力，分别设置在六维测力平台1的侧面和上表面，便于音圈电机激励组件3对，音圈电机激励组件3的设置位置与六维测力平台1内部的传感器位置对应。12个音圈电机激励组件3均可单独进行控制，通过12个音圈电机激励组件3的配合即可对六维测力平台1施加标准扰动力。每个音圈电机激励组件3均有转接工装31、力传感器32和音圈电机构成，其中，音圈电机包括电机动子33和电机定子34，力传感器32用于读取音圈电机的输出力。转接工装31的一端与固定面进行连接，其另一端与力传感器32，力传感器32的另一端与电机动子33连接，电机动子33与电机定子34连接，电机定子34与六维测力平台1连接或抵接。

基于上述六维力标定装置，如图3所示，本发明实施例还提供了一种基于音圈电机的六维力标定方法，包括以下步骤：

S1：首先，控制扰动设备2不对六维测力平台1施加扰动力，并控制音圈电机激励组件3通过每个音圈电机进行扫频，为六维测力平台1提供标准扰动力，音圈电机的工作频率为1-1000Hz。如图4所示，12个音圈电机激励组件3共产生12个单向力，即图4中的F ₁、F ₂、F ₃、F ₄、F ₅、F ₆、F ₇、F ₈、F ₉、F ₁₀、F ₁₁和F ₁₂。根据音圈电机激励组件3中的力传感器读取音圈电机的输出力，以确保每个音圈电机输出力幅值的准确性。记录12个音圈电机的输出力为：

；

其中，、/>、/>、/>为12个力传感器的读数。

此时，六维测力平台1中的8个传感器的响应为：

；

其中，、/>、/>、/>为8个传感器的读数。

对12个音圈电机逐个进行扫频，共重复12次扫频即可得到每个音圈电机的输出力到六维测力平台1上每个传感器的传递函数矩阵。/>的表达式为：

。

与/>和/>的数学关系如下：

。

S2：控制音圈电机激励组件3不对六维测力平台1施加扰动力，并控制扰动设备2对六维测力平台1施加待测扰动力，利用六维测力平台1测量扰动设备2产生的待测扰动力，8个传感器的响应为：

；

其中，、/>、/>、/>为8个传感器的读数。

此时，获得六维测力平台1测得的待测扰动力为：

；

其中，表示传感器响应到空间六维力的变换矩阵，/>取决于六维测力平台1的结构特性，具体数值根据不同测力平台结构有所不同，/>、/>、/>、/>、/>、/>表示六维测力平台1所受到的六维力和力矩。

S3：控制扰动设备2不对六维测力平台1施加扰动力，并控制音圈电机激励组件3通过每个音圈电机进行扫频，模拟S2中扰动设备2对六维测力平台1施加待测扰动力，使六维测力平台1测得的六维力复现为。为使六维测力平台1测得的六维力复现为/>，需要先计算音圈电机激励组件3需要产生的输出力/>，输出力/>的计算公式为：

；

其中，表示空间六维力响应到音圈电机激励组件3的变换矩阵，/>取决于音圈电机激励组件3的结构特性，具体数值根据不同音圈电机激励组件3结构有所不同。

音圈电机激励组件3按照计算获得的输出力对六维测力平台1施加标准扰动后，六维测力平台1测得复现的待测扰动力/>为：

；

、/>、/>、/>、/>、/>表示六维测力平台1在此时所受到的六维力和力矩。

S4：比较六维测力平台1在S2中测得的待测扰动力与在S3中测得的复现的待测扰动力/>是否相同，如果/>=/>，则继续执行S5，完成标定和测量结果的校验；如果/>≠，则重新返回S1重新标定。

S5：重复S1的步骤，控制扰动设备2不对六维测力平台1施加扰动力，并控制音圈电机激励组件3通过每个音圈电机以与S1中相同的工作频率进行扫频，为六维测力平台1提供标准扰动力，音圈电机的工作频率为1-1000Hz。在12个音圈电机的输出力为的前提下，测量并记录六维力测量平台1的每个传感器响应/>为：

；

其中，、/>、/>、/>为8个传感器的读数。

S6：比较S1中每个传感器的响应与S5中每个传感器的响应/>是否相同，若/>=，则完成标定，并验证了标定结果和六维测力平台1的测量结果有效；若/>≠/>，则返回S1重新进行标定。

上述标定过程仅通过音圈电机激励组件3为六维测力平台1提供标准扰动力，即实现了六维测力平台1的标定，标定装置结构简单、标定流程便捷，加载标定过程稳定，同时避免了标定盲区的出现，在实际应用中具有较好的效果。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种基于音圈电机的六维力标定装置，包括六维测力平台和扰动设备，其特征在于，还包括：音圈电机激励组件；

所述音圈电机激励组件包括转接工装、力传感器、音圈电机，其中，所述音圈电机包括电机动子和电机定子，所述音圈电机激励组件通过所述转接工装与固定面连接，所述转接工装远离固定面的一侧与所述力传感器连接，所述力传感器与所述电机动子连接，所述电机动子与所述电机定子连接，所述电机定子与所述六维测力平台连接或抵接；

所述电机动子和所述电机定子用于对所述六维测力平台施加标准扰动力，所述力传感器用于测量所述标准扰动力。

2.如权利要求1所述的基于音圈电机的六维力标定装置，其特征在于，所述六维测力平台与大地固定连接，在所述六维测力平台的侧面和上表面设置有12个所述音圈电机激励组件，用于对所述六维测力平台施加标准扰动力。

3.如权利要求1所述的基于音圈电机的六维力标定装置，其特征在于，所述扰动设备设置在所述六维测力平台的上表面，用于对所述六维测力平台施加待测扰动力。

4.一种基于音圈电机的六维力标定方法，其特征在于，利用如权利要求1至3任意一项所述的基于音圈电机的六维力标定装置对六维测力平台进行标定，包括以下步骤：

S1：控制扰动设备不工作；控制音圈电机激励组件中的音圈电机进行扫频，通过所述音圈电机激励组件中力传感器记录所述音圈电机的输出力，获取所述六维测力平台的每个传感器的响应，则可获得所述音圈电机的输出力到所述六维测力平台上每个传感器的传递函数矩阵；

S2：控制所述音圈电机激励组件不工作；控制所述扰动设备对所述六维测力平台施加待测扰动力，利用所述六维测力平台测量待测扰动力；

S3：控制所述扰动设备不工作；控制所述音圈电机激励组件复现所述扰动设备对所述六维测力平台施加的待测扰动力，利用所述六维测力平台测量所述音圈电机激励组件复现的待测扰动力；

S4：比较所述六维测力平台在所述S2中测得的待测扰动力与在所述S3中测得的复现的待测扰动力是否相同，若相同，则继续标定；若不相同，则返回所述S1重新标定；

S5：控制所述扰动设备不工作；控制音圈电机以与所述S1中相同的工作频率进行扫频，获取所述六维测力平台的每个传感器的响应；

S6：比较所述S1中每个传感器的响应与所述S5中每个传感器的响应是否相同，若相同，则完成标定；若不相同，则返回所述S1重新标定。

5.如权利要求4所述的基于音圈电机的六维力标定方法，其特征在于，所述音圈电机的工作频率为1-1000Hz。

6.如权利要求4所述的基于音圈电机的六维力标定方法，其特征在于，所述S1中，利用力传感器记录所述音圈电机的输出力为，所述六维测力平台的每个传感器的响应为/>，则有：

；

其中，表示所述音圈电机的输出力到所述六维测力平台上每个传感器的传递函数矩阵。

7.如权利要求4所述的基于音圈电机的六维力标定方法，其特征在于，所述S2中，所述六维测力平台测得待测扰动力的公式如下：

；

其中，表示所述S2中所述六维测力平台的每个传感器的响应，/>表示传感器响应到空间六维力的变换矩阵。

8.如权利要求4所述的基于音圈电机的六维力标定方法，其特征在于，所述S3中，所述六维测力平台测得所述音圈电机激励组件复现的待测扰动力的公式如下：

；

其中，表示所述S3中所述六维测力平台测得复现的待测扰动力为/>时，通过力传感器获取得所述音圈电机的输出力；/>表示空间六维力响应到所述音圈电机激励组件的变换矩阵。