CN214667418U - 一种参考式多维力传感器组合同步校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种参考式多维力传感器组合同步校准装置，包括多维力传感器装夹机构和座台，多维力传感器装夹机构安装在座台上，多维力传感器装夹机构沿座台的水平轴线方向前后分别设有Z轴向试验力加载机构和Z轴向扭矩加载机构，多维力传感器装夹机构与Z轴向扭矩加载机构的中间位置安装有XY轴向扭矩及试验力加载机构，Z轴向试验力加载机构、多维力传感器装夹机构、XY轴向扭矩及试验力加载机构和Z轴向扭矩加载机构电连接有测量控制系统。本装置整体采用卧式结构，通过标准力和扭矩传感器进行力值和扭矩值的参考式测量，实现对传感器的各维独立校准和多维耦合校准，解决了对传感器的各维组合、同步校准问题，确保了数值准确可靠。

Description

一种参考式多维力传感器组合同步校准装置

技术领域

本实用新型涉及传感器校准领域，更具体地，涉及一种参考式多维力传感器组合同步校准装置。

背景技术

机器人依靠力觉系统进行动作是机器人感知外界环境并获得反馈信息的重要途径，这也是研究和应用第二、三代机器人的基本构成要素。其中，多维力传感器是提供力觉反馈的主要方式，并广泛应用于各类装配、打磨、协作、铣削和仿生机器人，其准确度和可靠性直接影响机器人的性能。

目前多维力传感器的工作方式为先进行单方向的力值校准，再通过改变传感器的方位来实现多分量的单独校准，此校准过程不但十分繁琐，而且不能真实反映传感器实际使用过程中的多维力耦合测量状态。

当前多维力校准的难点在于对各维力的组合、同步校准，关键点要保证各维力施加过程中的协同和互不影响，包括力(扭矩)组合加载技术、各维力(扭矩)协同控制技术、对中调整和变形监测技术、伺服闭环控制技术等关键技术问题。既要确保标准力(扭矩)值的准确施加，又要尽量避免施加过程中对被校传感器产生额外耦合效应，使得被校传感器正确感知各维力(扭矩)并输出，才能准确完成整个示值校准过程，满足传感器自身的多维力耦合校准需求。现有校准装置无法实现这个需求，既不能实现单独的力矩加载，也不能满足多维力传感器的校准需求，尤其是多维力组合同步校准的研究基本为空白。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述的问题，提出一种参考式多维力传感器组合同步校准装置。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型提供一种参考式多维力传感器组合同步校准装置，包括多维力传感器装夹机构和座台，所述多维力传感器装夹机构安装在座台上，多维力传感器装夹机构沿座台的水平轴线方向前后分别设有Z轴向试验力加载机构和Z轴向扭矩加载机构，多维力传感器装夹机构与Z轴向扭矩加载机构的中间位置安装有XY轴向扭矩及试验力加载机构，所述Z轴向试验力加载机构、多维力传感器装夹机构、XY轴向扭矩及试验力加载机构和Z轴向扭矩加载机构电连接有测量控制系统。

进一步地，所述Z轴向试验力加载机构包括轴向加载缸、标准力传感器和XY方向位置调整机构，所述XY方向位置调整机构安装在前述座台上，轴向加载缸沿座台轴线方向水平放置且设置在XY方向位置调整机构上，标准力传感器设置在轴向加载缸与多维力传感器装夹机构的中间位置处，用于调整中心轴线和施加Z轴向标准压力。

进一步地，所述多维力传感器装夹机构包括加载底座、加载帽和对中调整机构，所述对中调整机构安装在前述座台上，用于驱动装夹的多维力传感器；加载底座与加载帽设置在对中调整机构上方，且加载底座和加载帽还分别安装在多维力传感器的底部和顶部，用于装载并调整多维力传感器。

进一步地，所述XY轴向扭矩及试验力加载机构包括X方向标准力传感器及加载机构、质量平衡机构、X方向标准扭矩传感器及加载机构、激光位移传感单元、Y方向标准力传感器及加载机构、Y方向标准扭矩传感器及加载机构和框架，所述框架架设在前述座台上，X方向标准力传感器及加载机构和质量平衡机构安装在框架外框的顶部；Y方向标准扭矩传感器及加载机构设置在框架外框的底部，X方向标准扭矩传感器及加载机构和Y方向标准力传感器及加载机构分别设置在框架外框的左右两侧处；激光位移传感单元安装在框架的内框处。

进一步地，所述X方向标准力传感器及加载机构安装在框架外框的顶部正中间处，质量平衡机构设置在X方向标准力传感器及加载机构的左右两侧，Y方向标准扭矩传感器及加载机构设置在框架外框底部的正中间。

进一步地，所述X方向标准扭矩传感器及加载机构和Y方向标准力传感器及加载机构分别设置在框架外框的左右两侧的正中间处，X方向标准扭矩传感器及加载机构和Y方向标准力传感器及加载机构的一端均连接有纯扭径向支撑机构和挠性联轴器，用于施加纯扭的扭矩；另一端均连接有全自由度力连接器，用于传递准确的力。

进一步地，所述加载帽四周连接有6个连接柱，每个连接柱远离加载帽的一端设有球关节，其中4个连接柱通过插销和对应的挠性联轴器以及全自由度力连接器连接，另外2个连接柱和标准力传感器相连。

进一步地，所述激光位移传感单元包括第一激光位移传感器、第二激光位移传感器、第三激光位移传感器、第四激光位移传感器和第五激光位移传感器，第三激光位移传感器设置在框架内框的上方，第二激光位移传感器和第四激光位移传感器分别设置在框架内框的左右两侧处，第一激光位移传感器和第五激光位移传感器都设置在框架内框的底部。

进一步地，所述Z轴向扭矩加载机构包括径向气浮支撑机构、标准扭矩传感器、挠性联轴部件和扭矩加载机构，径向气浮支撑机构、标准扭矩传感器、挠性联轴部件和扭矩加载机构沿座台的水平轴线方向依次连接并安装在前述座台上，用于施加Z轴向标准正反扭矩值。

本实用新型的有益效果：

本实用新型整体采用卧式结构，通过标准力和扭矩传感器进行力值和扭矩值的参考式测量，能够实现对多维力传感器的各维独立校准和多维耦合校准。本实用新型结构新颖、功能合理，对中和加卸载伺服控制准确高效，解决了对多维力传感器的各维组合、同步校准问题，确保了力和扭矩量值溯源的准确可靠。

本实用新型通过Z向卧式和XY向加载框加载系统的设计，可实现3个维度、6个分量、12个方向任意组合标准力和扭矩的施加，以及加卸载过程自动闭环的控制；通过全自由度力连接器、纯扭径向支撑机构和挠性联轴器的应用，达到力的准确传递与保持、扭矩的纯扭施加，保证各维力(扭矩)施加相互独立、互不影响，既保证标准力(扭矩)值的准确施加，又尽量避免对被校传感器产生额外耦合效应，确保数据准确性；通过激光位移传感器测距和伺服控制技术，实现加载前校准装置和被校传感器的轴线自动对中调整和加载中的加载帽位置偏移量监测调整，使得加受力(扭矩)中心尽量保持在同一轴线，确保数据重复性和稳定性。

本实用新型具备任意维力或扭矩的单独或组合加载功能，突破力(扭矩)发生装置和标准力(扭矩)传感器的伺服闭环控制技术，保证加力系统各分量载荷准确施加；能够避免校准装置对被校传感器产生额外耦合效应，可突破力的准确传递与保持、扭矩的纯扭施加等技术，保证各维力(扭矩)施加的相互独立、互不干扰；加载前能够对中调整和过程中进行变形监测，使得校准装置和被校传感器的加受力(扭矩)保持同一轴线，实现加载前的轴线自动对中调整和加载过程中的加载帽位置偏移监测。

本实用新型的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本实用新型的正视图。

图2示出了本实用新型的立体结构示意图。

图3示出了XY轴向扭矩及试验力加载机构示意图。

图中：1、Z轴向试验力加载机构；2、多维力传感器装夹机构；3、XY轴向扭矩及试验力加载机构；4、Z轴向扭矩加载机构；5、测量控制系统；6、座台；11、轴向加载缸；12、标准力传感器；13、XY方向位置调整机构；21、加载底座；22、加载帽；23、对中调整机构；31、X方向标准力传感器及加载机构；32、质量平衡机构；33、X方向标准扭矩传感器及加载机构；34、激光位移传感单元；34-1、第一激光位移传感器；34-2、第二激光位移传感器；34-3、第三激光位移传感器；34-4、第四激光位移传感器；34-5、第五激光位移传感器；35、Y方向标准力传感器及加载机构；36、Y方向标准扭矩传感器及加载机构；37、全自由度力连接器；38、纯扭径向支撑机构；39、挠性联轴器；310、框架；41、径向气浮支撑机构；42、标准扭矩传感器；43、挠性联轴部件；44、扭矩加载机构。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本实用新型的优选实施方式。虽然附图中显示了本实用新型的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。

一种参考式多维力传感器组合同步校准装置，包括多维力传感器装夹机构2和座台6，所述多维力传感器装夹机构2安装在座台6上，多维力传感器装夹机构2沿座台6的水平轴线方向前后分别设有Z轴向试验力加载机构1和Z轴向扭矩加载机构4，多维力传感器装夹机构2与Z轴向扭矩加载机构4的中间位置安装有XY轴向扭矩及试验力加载机构3，所述Z轴向试验力加载机构1、多维力传感器装夹机构2、XY轴向扭矩及试验力加载机构3和Z轴向扭矩加载机构4电连接有测量控制系统5。

进一步地，所述Z轴向试验力加载机构1包括轴向加载缸11、标准力传感器12和XY方向位置调整机构13，所述XY方向位置调整机构13安装在前述座台6上，轴向加载缸11沿座台6轴线方向水平放置且设置在XY方向位置调整机构13上，标准力传感器12设置在轴向加载缸11与多维力传感器装夹机构2的中间位置处，用于调整中心轴线和施加Z轴向标准压力。

进一步地，所述多维力传感器装夹机构2包括加载底座21、加载帽22和对中调整机构23，所述对中调整机构23安装在前述座台6上，用于驱动装夹的多维力传感器；加载底座21与加载帽22设置在对中调整机构23上方，且加载底座21和加载帽22还分别安装在多维力传感器的底部和顶部，用于装载并调整多维力传感器。

进一步地，所述XY轴向扭矩及试验力加载机构3包括X方向标准力传感器及加载机构31、质量平衡机构32、X方向标准扭矩传感器及加载机构33、激光位移传感单元34、Y方向标准力传感器及加载机构35、Y方向标准扭矩传感器及加载机构36和框架310，所述框架310架设在前述座台6上，X方向标准力传感器及加载机构31和质量平衡机构32安装在框架310外框的顶部；Y方向标准扭矩传感器及加载机构36设置在框架310外框的底部，X方向标准扭矩传感器及加载机构33和Y方向标准力传感器及加载机构35分别设置在框架310外框的左右两侧处；激光位移传感单元34安装在框架310的内框处。

进一步地，所述X方向标准力传感器及加载机构31安装在框架310外框的顶部正中间处，质量平衡机构32设置在X方向标准力传感器及加载机构31的左右两侧，Y方向标准扭矩传感器及加载机构36设置在框架310外框底部的正中间。

进一步地，所述X方向标准扭矩传感器及加载机构33和Y方向标准力传感器及加载机构35分别设置在框架310外框的左右两侧的正中间处，X方向标准扭矩传感器及加载机构33和Y方向标准力传感器及加载机构35的一端均连接有纯扭径向支撑机构38和挠性联轴器39，用于施加纯扭的扭矩；另一端均连接有全自由度力连接器37，用于传递准确的力。

进一步地，所述加载帽22四周连接有6个连接柱，每个连接柱远离加载帽22的一端设有球关节，其中4个连接柱通过插销和对应的挠性联轴器39以及全自由度力连接器37连接，另外2个连接柱和标准力传感器12相连。

进一步地，所述激光位移传感单元34包括第一激光位移传感器34-1、第二激光位移传感器34-2、第三激光位移传感器34-3、第四激光位移传感器34-4和第五激光位移传感器34-5，第三激光位移传感器34-3设置在框架310内框的上方，第二激光位移传感器34-2和第四激光位移传感器34-4分别设置在框架310内框的左右两侧处，第一激光位移传感器34-1和第五激光位移传感器34-5都设置在框架310内框的底部。

进一步地，所述Z轴向扭矩加载机构4包括径向气浮支撑机构41、标准扭矩传感器42、挠性联轴部件43和扭矩加载机构44，径向气浮支撑机构41、标准扭矩传感器42、挠性联轴部件43和扭矩加载机构44沿座台6的水平轴线方向依次连接并安装在前述座台6上，用于施加Z轴向标准正反扭矩值。

一种参考式多维力传感器组合同步校准装置的校准方法具体包括以下步骤：

步骤1、在多维力传感器装夹机构2上安装被校准多维力传感器；

步骤2、调整参考式多维力传感器组合同步校准装置各机构的位置；

步骤3、使用调整后的参考式多维力传感器组合同步校准装置对被校准的多维力传感器进行校准。

进一步地，步骤1具体为：

S11、将加载帽22安装在被校准多维力传感器顶部，调整被校准多维力传感器的X、Y和Z三轴的受力方向与校准装置的X、Y和Z三轴的轴向加载中心轴线分别对应重合；

S12、将多维力传感器底部安装在加载底座21上。

进一步地，步骤2具体为：

S21、移动XY轴向扭矩及试验力加载机构3至加载帽22位置，移动后的XY轴向扭矩及试验力加载机构3上同时显示激光位移传感单元34的五个光点，激光位移传感单元34测量五个光点与加载帽22对应检测面的距离数值，并记录五个距离数值；

S22、测量控制系统5根据激光位移传感单元34测量的五个距离数值，通过对中调整机构23调整加载帽22的平面旋转和偏移位置，使被校准多维力传感器的X、Y和Z三轴的受力方向与校准装置的X、Y和Z三轴的轴向加载中心轴线分别对应重合；

S23、移动Z轴向试验力加载机构1，令Z轴向试验力加载机构1的标准力传感器12与加载帽22刚性联接；移动Z轴向扭矩加载机构4，令Z轴向扭矩加载机构4的挠性联轴部件43与加载帽22联接。

进一步地，步骤3具体为：

S31、在质量平衡机构32两侧的挂篮上均分放置与加载帽22等质量的配重砝码，并通过人工对被校准多维力传感器和标准传感器同时清零；

S32、测量控制系统5根据校准所需力值和扭矩值，按照传感器校准规范选择合适的负荷点数值，同步控制校准装置各加载机构的加载，比较被校准多维力传感器和标准传感器的示值，各加载机构对多维力传感器加载至所需最大负荷，再同步卸载至零负荷；

S33、根据力值和扭矩参数的校准结果以及校准规范的要求，计算相应指标并判断校准结果是否合格。

以上已经描述了本实用新型的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (8)

1.一种参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，包括多维力传感器装夹机构(2)和座台(6)，所述多维力传感器装夹机构(2)安装在座台(6)上，多维力传感器装夹机构(2)沿座台(6)的水平轴线方向前后分别设有Z轴向试验力加载机构(1)和Z轴向扭矩加载机构(4)，多维力传感器装夹机构(2)与Z轴向扭矩加载机构(4)的中间位置安装有XY轴向扭矩及试验力加载机构(3)，所述Z轴向试验力加载机构(1)、多维力传感器装夹机构(2)、XY轴向扭矩及试验力加载机构(3)和Z轴向扭矩加载机构(4)电连接有测量控制系统(5)。

2.根据权利要求1所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述Z轴向试验力加载机构(1)包括轴向加载缸(11)、标准力传感器(12)和XY方向位置调整机构(13)，所述XY方向位置调整机构(13)安装在前述座台(6)上，轴向加载缸(11)沿座台(6)轴线方向水平放置且设置在XY方向位置调整机构(13)上，标准力传感器(12)设置在轴向加载缸(11)与多维力传感器装夹机构(2)的中间位置处，用于调整中心轴线和施加Z轴向标准压力。

3.根据权利要求1所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述多维力传感器装夹机构(2)包括加载底座(21)、加载帽(22)和对中调整机构(23)，所述对中调整机构(23)安装在前述座台(6)上，用于驱动装夹的多维力传感器；加载底座(21)与加载帽(22)设置在对中调整机构(23)上方，且加载底座(21)和加载帽(22)还分别安装在多维力传感器的底部和顶部，用于装载并调整多维力传感器。

4.根据权利要求1所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述XY轴向扭矩及试验力加载机构(3)包括X方向标准力传感器及加载机构(31)、质量平衡机构(32)、X方向标准扭矩传感器及加载机构(33)、激光位移传感单元(34)、Y方向标准力传感器及加载机构(35)、Y方向标准扭矩传感器及加载机构(36)和框架(310)，所述框架(310)架设在前述座台(6)上，X方向标准力传感器及加载机构(31)和质量平衡机构(32)安装在框架(310)外框的顶部；Y方向标准扭矩传感器及加载机构(36)设置在框架(310)外框的底部，X方向标准扭矩传感器及加载机构(33)和Y方向标准力传感器及加载机构(35)分别设置在框架(310)外框的左右两侧处；激光位移传感单元(34)安装在框架(310)的内框处。

5.根据权利要求4所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述X方向标准力传感器及加载机构(31)安装在框架(310)外框的顶部正中间处，质量平衡机构(32)设置在X方向标准力传感器及加载机构(31)的左右两侧，Y方向标准扭矩传感器及加载机构(36)设置在框架(310)外框底部的正中间。

6.根据权利要求4所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述X方向标准扭矩传感器及加载机构(33)和Y方向标准力传感器及加载机构(35)分别设置在框架(310)外框的左右两侧的正中间处，X方向标准扭矩传感器及加载机构(33)和Y方向标准力传感器及加载机构(35)的一端均连接有纯扭径向支撑机构(38)和挠性联轴器(39)，用于施加纯扭的扭矩；另一端均连接有全自由度力连接器(37)，用于传递准确的力。

7.根据权利要求4所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述激光位移传感单元(34)包括第一激光位移传感器(34-1)、第二激光位移传感器(34-2)、第三激光位移传感器(34-3)、第四激光位移传感器(34-4)和第五激光位移传感器(34-5)，第三激光位移传感器(34-3)设置在框架(310)内框的上方，第二激光位移传感器(34-2)和第四激光位移传感器(34-4)分别设置在框架(310)内框的左右两侧处，第一激光位移传感器(34-1)和第五激光位移传感器(34-5)都设置在框架(310)内框的底部。

8.根据权利要求1所述的参考式多维力传感器组合同步校准装置，其特征在于，所述Z轴向扭矩加载机构(4)包括径向气浮支撑机构(41)、标准扭矩传感器(42)、挠性联轴部件(43)和扭矩加载机构(44)，径向气浮支撑机构(41)、标准扭矩传感器(42)、挠性联轴部件(43)和扭矩加载机构(44)沿座台(6)的水平轴线方向依次连接并安装在前述座台(6)上，用于施加Z轴向标准正反扭矩值。

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