六维力_力矩传感器干扰及其标定方法
第期传感器技术
护弓沉弓弓咭心况卜河、计算与测试、争汉条汉争汉矛汉净‘毛弓矛汉代省
六维力力矩传感器干扰及其标定方法
陈雄标姚英学袁哲俊
哈尔滨工业大学
摘要论述六维力力矩传感器的典型结构及其特点并从理论上分析了传感器
产生干扰的原因在建立标定矩阵新概念的基础上提出了一种传感器的白动标定的
方法其具有简单快捷准确并能完全消除加载力误差影响等特点
关键词六维力力矩传感器干扰标定矩阵
一
一
、一
、一
前言
六维力力矩传感器是诸多传感器的一
种将它装在机器人操作手的腕部可用来
检测机器人操作手与外部环境相互接触或抓
放工件所承受的力和力矩的大小和方向为
机器人控制提供力传感信息它是机器人高
收稿口期一一质量控制和智能化不可缺少的重要传感元
件从传感器的六个力分量获取方式分
类可以大致将六维力力矩传感器分为两
大类即直接输出型和间接输出型它们各
有其特点由于传感器设计制造上的原
因使得传感器的输出信号与实际六维力向
量的分力之间存在相互锅合作用即传感器
的相互干扰这种干扰非常复杂难以从理
传感器技术年
论上进行分析和解藕消除通常采用实验方
法进行标定
本文在论述直接输出型和间接输出型六
维力力矩传感器的各自特点的基础上分
析传感器产生相互干扰的原因在建立标
定矩阵新概念的基础上提出了一种简单的
传感器自动标定的方法智能研究所设计的六维力力矩
传感器弹性体采用十字梁结构图
山》由横向一轴向排列成十字架形
应变计
彝计
典型六维力力矩传感器结构
直接输出型直接输出型六维力力矩传感器输出
量的六个分量直接由应变桥或根据结构常
数通过简单的计算获取计算机原理是在
力学分析的基础上设计出无藕合作用的弹
性体其典型代表是由美国公司年设计的一种积木式结构川该弹性休由
个弹性元和个连接块组合而成每个弹性
元上粘贴片应变计并连接成一个应变桥个应变桥提供路检测信号然后根
据这路检测信号和有关结构常数计算出
个独立力分量
这种积木式弹性体结构简单组合方
便但它的休积庞大非整体式构件会引起
大的滞后因此没有得到进一步推广使
用间接输出型
间接输出型有两种典型结构一种是竖
梁结构另一种是横梁结构还有一些比较
复杂的结构可视为这两种结构的改进和组
之、曰图是典型的竖梁结构它是美国
实验室研制的六维力力矩
传感器由三根竖直的应变梁和上下两个轮
缘组成三根梁在轮缘上按均匀排列
应变梁上粘贴应变计以组成检测电桥该结
构的特点是横向一轴向效应好而竖向
轴向效应差横梁结构的典型代表是斯坦福大学人工应变计
之一图间接输出型六维力力矩传感器结构
呈轮辐状的根棱柱形应变梁与中心块和
外轮缘组成每根梁的个侧面粘贴一应变
计相对两个应变计连接成半桥式检测电
桥六维力力矩传感器的特点是
对称性好同时兼顾了横向和竖向的应变计
效果是一种较为合理的结构但它存在径向
效应和标定矩阵的为近似解之不足
上述两种结构无论是竖梁形还是横梁
形它们的共同特点是应变桥的输出信号儿
乎与每一个力力矩分量有关即力信号与应
变桥的输出信号存在祸合作用此即为六维
力力矩传感器的干扰
传感器干扰的原因分析引起传感器各分力之间相互干扰的原因
很多归纳总结主要有以下儿个方面的原因
传感器的设计
传感器的设计主要包括弹性体变形筋结
构的选取结构尺寸的确定以及应变计粘贴位
置的确定一个正确的传感器的设计应基本
能从原理上消除各分力之间的干扰
应变计应变计给传感器带来的干扰主要包括应
变计的性能应变计的形状尺寸以及应变计
粘贴位置的误差六维力力矩传感器所选取的应变计一般都为单应力方向的拉压或剪切应变计但第期陈雄标等六维力力矩传感器干扰及其标定方法
由于应变计制造误差使得应变计本身就带
有力相互干扰的因素
另外应变计的粘贴位置的确定一般为一中
心线或一对称面从这一点上来说应变计应
制造得尽可能小但由于应变计的形状尺寸
及粘贴工艺不可避免地带来传感器力的相
互干扰
传感器的制造
传感器的制造给传感器带来的干扰主要
包括制造传感器的材质不均匀和加工误差加之传感器的材质不均匀将导致传感器在各
方向上的机械力学性能的不一致加工误差
造成变形元件尺寸及其分布与设计的不一
致这将改变变形元件的多力变形情况从而
引起各分力之间的相互干扰
各分力之间的相互干扰使得六维力力
矩传感器的性能指标受到明显的影响因此
应设法消除和抑制各分力之间的干扰以便
获取准确的测量结果消除或抑制相互干扰
可以从两方面着手第一是设法消除其产生
的根源其涉及到传感器制造工艺具多问
题往往难以完全解决同时又会大大提高传感器制造成本第二是利用实验方法先对传
感器进行标定然后在实际检测中利用标定
结果来消除传感器力相互间的干扰这方面
工作具有实际意义它既能降低对传感器的
制造工艺要求又能获取精确的测量结果
传感器的标定
标定矩阵
六维力力矩传感器的输人为六个方向
的力或力矩输出为各路电桥信号因此传感
器对应的是一个多输人多输出系统这个系
统从理论上来进行精确状态描述很复杂但
实验结果表明这种系统可以假设为如下线
性系统
一,
其中认矶…哪
为传感器各路电桥输出信号二凡…均
为传感器上六个方向的作用力
为的常数矩阵
当分别取二…时令
凡二锤有可得矩阵第列元素
。,巩任互从上式可以看到叮任句表示第路单位力或力矩引起第路输出信号的大小
当时称之为第路单位力或力矩对
其主路的影响亦即传感器第路的灵敏度
并表示为凡
凡“乓当有时称之为第路单位力或力矩对
其旁路的影响亦即传感器第路对其它各
路的干扰
为了衡量传感器干扰与灵敏度的相对大
小不妨定义一个新元素,二,,旦代人到式中则可得
,“户‘,胆山元素产“厂构成了一个新的
矩阵很明显该矩阵的主对角线元素均为
其余各元素均为小于的纯小数称矩阵
为标定矩阵传感器的标定实际上就是求解标定出标定矩阵从式中可以看到元
素,不含有力乓因而在传感器标定时标
定元素,消除了加载标定力不精确的影响
自动标定系统的组成
下面以一型六维力力矩测力系统
为例来说明传感器自动标定的方法系统的
组成如图所示它由传感器测力仪微型
计算机加载实验台等儿个部分组成
串行接氏一哗型计算机
自动标定系统黯黑传感器技术年
六个输出信号通道
采用本文介绍的自动标定方法对一
型六维力力矩传感器进行标定后得到的标
定矩阵如下
幽姗撇肥将待标定的传感器安装在加载实验台上进行加载传感器六个通道的检测信号经过
由放大和低通滤波电路构成的模拟信号电路
处理后再经过多路转换开关双极性分解和
分辨率提高电路送到单片机转换
通道以单片机为核心的小系统进行采
样信号和数据处理包括消除偏差过载检查
和数字滤波等然后输出数据经一
标准串行接口送至微型计算机标定运算和
标定矩阵求逆在计算机中完成其流程图如
图所示一刀
】一刀一乃
一
一刀一工
匡皿
一遭缨丫
艳竺肥州
「一不二二二型〔进歹研啄卿望望
图上一型六维力力矩传感器吓天寻双加载完毕
等待和接收单片机转送数据
企亚弓
一—甸玉
巨二二二结论六维力力矩传感器干扰与标定问题是
其研究和应用的重要内容木文论述了儿种
典型传感器的结构和相互干扰的原因新建
立的标定矩阵概念清晰一日了然反映出传
感器的相互干扰大小提出的传感器自动标定方法切实可行具有简单快捷准确等优
点
参考文献一优氏吐一
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黄心汉机器人腕力传感器标定矩阵的解电气
自动论袁哲俊主编金属切削实验技术机械工业出
版社门一川曰月习洲」戈是否继续标定一尸一」生、显示标定矩阵
事间垂全亚三三
图自动标定系统控制软件流程图
一型六维力力矩传感器标定结果
一型六维力力矩传感器是笔者近
年研制的一种应变式六维力力矩传感器采
用竖梁结构如图所示其有八根垂直变形
筋变形筋的上下端和水平筋相连应变计分别粘贴在垂直变形筋上每四片应变计连
接成全桥检测电桥共有六个检测电桥组成
六分力传感器工作原理(标准版)
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六分力传感器工作原理
六分力传感器又称为 六维力传感器， 六分量传感器，它可以同时检测XYZ轴，三个方向上的力值变化，又可以检测出三个轴上扭矩大小（力的单位是KN，力矩的单位是KN/m)。
六分力传感器弹性体采用专力结构，体积小，灵敏度高、刚性好、维间耦合小、有机械过载保护功能。应用于遥控机器人，机器人手术，机械手臂研究，手指力研究，精密装配，自动磨削、轮廓跟踪、双手协调、零力示教等作业中，在航空、航天及机械加工，汽车等行业中有广泛的应用。
1.耦合
2.解耦
解耦就是要在一定程度上减小或消除耦合干扰。六维力/力矩传感器的解耦是通过数学的方法用尽可能小的误差地确定出来传感器的输入与输出的关系。
3.解耦方法
一般消除耦合或者抑制耦合可以从两个方向来做:第一种是在生产传感器之前进行的工作，一般叫做结构解耦，即从传感器的设计上来消除或者抑制耦合，该方法涉及到了传感器的制造工艺问题，这个往往比较困难，并且可能会增加成本:第二种则是利用系统性的数学模型，要矩阵解耦，运用数字信号
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处理的方法来减少或者消除传感器的维间耦合,该方法对制作工艺要求比较低，比较容易达到，而且还能取得很好的效果。
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六维力传感器
六维力传感器
1六维力传感器的分类 .................................................................................................................... 1
2六维力传感器的研究现状 ............................................................................................................ 1
1六维力传感器的分类
六维力传感器有很多种名称，如六轴力传感器、六分量天平、六轴力/力矩传感器、六向力传感器等，实际上就是一种可以同时检测3个力分量和3个力矩分量的力传感器，根据X, Y, Z方向的力分量和力矩分量可以得到合力和合力矩。
传感器的种类按敏感兀件可以分为:电阻应变式、压电式、光学式、电容式、电感式等几类。六维力传感器按测力原理可分为电阻式应变式，电容式，电感式，压电式和光电式等。
就以上几种类型的传感器而言，电阻应变式六维力传感器的应用得最为广泛而且目前技术最为成熟的一种。其基本工作原理是外力作用下，弹性体结构形变，贴在弹性体上的应变片发生应变引起电阻值的变化，再经电路将阻值的变化转化为电压或电流的变化表现。
电容式则是将电容式力敏传感器的核心部分是对压力敏感的电容器。力敏电容器的电容量是由电极面积和两个电极间的距离决定的，当硅膜片两边存在压力差时，硅膜片产生形变，极板间的间距发生变化，从而引起电容量的变化，电容变化量与压力差有关。。
光学式多维力传感器 通过光学传感器来测量微小变形，从而测出多维力和力矩。
压电式多维力传感器是另一种比较常用的测力装置，它的基本测力原理是在外部应力的作用下压电材料产生电荷，当外力变化时，压电材料表面的电荷随之变化带来输出电压信号的变化。压电传感器的主要特点是其有很高的固有频率(200kHz)，特别适合动态测量。石英晶片的合理布置是传感器设计的关键。克服传感器各向载荷间的相互干扰是提高压电传感器测量精度的有效途径。
六维力传感器的原理及应用
六维力传感器的原理及应用
一、六维力传感器的概述
六维力传感器是一种专门用于检测和测量物体在空间中受到的六个方向上的力和力矩的传感器。它可以精确地测量力和力矩的大小和方向，广泛应用于机械手臂、机器人、航天器、汽车等领域。
二、六维力传感器的工作原理
六维力传感器基于应变测量原理工作。其结构包括应变片、弹性体和传感器电路。当物体受到力或力矩作用时，应变片会发生应变，这些应变通过传感器电路转化为电信号，最终得到力和力矩的测量值。
三、六维力传感器的组成部分
六维力传感器由以下几个主要组成部分构成：
1. 应变片
– 应变片是六维力传感器的核心部件，通常采用金属或半导体材料制成。
– 应变片具有高敏感度和良好的弹性性能，能够有效地感知外界力和力矩的作用。
2. 弹性体
– 弹性体用于支撑和保护应变片，同时起到缓冲作用，使应变片在受到外力作用时能够发生应变。
– 弹性体通常采用橡胶、硅胶等材料制成，具有良好的弹性和耐磨性。
3. 传感器电路
– 传感器电路负责将应变片产生的应变信号转化为电信号。
– 传感器电路通常包括放大器、滤波器、模数转换器等组件，以确保测量结果的准确性和稳定性。
四、六维力传感器的应用领域
六维力传感器广泛应用于以下领域：
1. 机械手臂
– 六维力传感器可以用于机械手臂的力控制和位置控制，使机械手臂能够根据所受力的大小和方向做出相应的动作。 – 在装配、焊接、搬运等工作中，六维力传感器可以帮助机械手臂实现精确的位置和力量调节，提高工作效率和精度。
2. 机器人
– 六维力传感器在机器人领域有着广泛的应用。通过测量机器人受到的力和力矩，可以实现机器人的力控制、力觉反馈以及外界环境的感知和交互。
– 在工业自动化、医疗机器人、服务机器人等领域，六维力传感器可以帮助机器人更好地适应和与环境进行交互。
3. 航天器
– 在航天器的设计和测试中，六维力传感器起到了至关重要的作用。它可以帮助工程师评估航天器在发射、飞行和着陆过程中所受到的力和力矩的大小和方向。
六维力传感器工作原理
六维力传感器工作原理
六维力传感器是一种用于测量物体受力情况的装置，它可以同时测量物体在三个线性维度和三个旋转维度上的力。
六维力传感器的工作原理一般包括以下几个步骤：
1. 压电效应：传感器内部包含压电材料，当物体施加力时，压电材料会发生变形，产生电荷。
2. 力传感器结构：传感器内部包含多个敏感区域，每个区域都有一个压电材料。这些区域可以检测物体在不同方向上的力。
3. 电荷采集：传感器通过电荷放大器采集每个敏感区域的电荷信号，并将其转换成电压信号。
4. 数据分析：通过对采集到的电压信号进行处理和分析，可以得到物体在各个维度上受到的力的大小和方向。
5. 校准：为了提高测量的准确性，传感器需要进行定期的校准。校准的方法一般包括对已知力的施加和比较测量结果。
通过以上步骤，六维力传感器可以实时测量物体受力的情况，并将其转换成数字信号供后续处理和分析。
六维力传感器原理
六维力传感器原理
在六维力传感器中，采用了应变片作为力和力矩的敏感元件。应变片是一种能够根据外部作用力发生形变的材料。当物体受到外力作用时，应变片会发生微小的变形，这种变形会引起材料的电阻率发生变化。通过测量这种电阻率变化，就可以获得外力施加在传感器上的大小和方向。
通常，六维力传感器中有多个应变片以不同的方向分布在传感器内部。这些应变片可以分别测量在X、Y、Z轴方向和绕这三个轴的力矩。当物体受到力和力矩时，各个应变片会发生不同程度的变形，从而引起对应方向的电阻率变化。
为了测量这种电阻率变化，六维力传感器通常采用电桥电路。电桥电路是由多个电阻器和应变片组成的一种电路。当传感器受到外力作用时，应变片的电阻发生变化，从而引起电桥电路的不平衡。通过测量电桥电路的不平衡，可以计算出外力的大小和方向。
为了提高六维力传感器的灵敏度和准确度，传感器通常还会配备一些信号放大器和滤波器。信号放大器可以将传感器接收到的微弱信号放大到适合测量的范围，从而提高测量的灵敏度。滤波器可以去除环境噪声和杂散信号，从而提高测量的准确度。
除了应变片和电桥电路，六维力传感器还包括了一些辅助元件，如温度补偿器和线性传感器。温度补偿器可以校正因温度变化引起的电阻率变化，从而提高传感器的准确度。线性传感器可以测量传感器在X、Y、Z轴方向上的位移，从而获得更精确的力和力矩数据。
总之，六维力传感器利用应变物理效应和电子传感技术测量物体受到的力和力矩。通过在传感器中使用应变片、电桥电路、信号放大器和滤波器等元件，可以实现对力和力矩的精确、准确的测量。六维力传感器在工业控制、机器人技术、医疗设备等领域具有广泛的应用前景。
六维力传感器工作原理 2
六维力传感器工作原理
当物体受到施加在六维力传感器上的力时，应变片会产生形变，从而导致片上形成应变。应变片的电阻值随着形变的改变而变化。这个改变的电阻值可以通过传感器的电桥来测量。
电桥是一个由四个电阻组成的电路，通过测量电桥中的电位差来确定力和力矩的大小。传感器通过控制电桥的输入信号进行测量，一般采用稳定的直流电压。将电桥中的电阻变化转化为相应的电压信号，从而实现对力和力矩的测量。
为了提高传感器的测量精度和减小其自身的影响，六维力传感器通常会采用温度补偿和误差校正等技术。温度补偿可以校正由温度变化引起的传感器输出的偏差，而误差校正则是通过定期对传感器进行标定，校正其非线性和偏差，从而提高其精度和可靠性。
总结而言，六维力传感器是通过应变片将物体的受力转化为电阻变化，利用电桥测量电阻变化来确定力和力矩的大小。通过采用温度补偿和误差校正等技术，可以提高测量精度和减小传感器自身的影响。六维力传感器在物理测试、机器人领域等应用中具有广泛的应用前景。
六维力传感器检验标准
六维力传感器检验标准
1. 精确度，六维力传感器的精确度是指其输出值与实际值之间的偏差程度。检验标准通常会规定在不同受力方向和受力大小下的精确度要求，以确保传感器在不同工况下的测量准确性。
2. 灵敏度，传感器的灵敏度指的是传感器输出值对输入力的响应程度。检验标准会规定在不同受力方向和受力范围下的灵敏度要求，以确保传感器能够对微小力的变化做出准确的反应。
3. 线性度，传感器的线性度是指其输出与输入之间的线性关系。检验标准会规定在整个测量范围内传感器输出与输入之间的线性度要求，以确保传感器在不同力的作用下能够提供线性的输出。
4. 重复性，传感器的重复性是指在相同条件下多次测量得到的结果之间的一致性。检验标准会规定传感器在相同受力条件下的输出值的稳定性要求，以确保传感器能够提供可靠的重复测量结果。
5. 稳定性，传感器的稳定性是指其长期使用过程中输出值的一致性。检验标准会规定传感器在不同环境条件下的稳定性要求，以确保传感器能够在不同工作环境下保持稳定的性能表现。
总的来说，六维力传感器的检验标准需要考虑到其精确度、灵敏度、线性度、重复性和稳定性等多个方面，以确保传感器能够在各种工况下提供准确可靠的力和力矩测量结果。这些标准的制定和执行对于保证传感器的质量和可靠性具有重要意义。
ATI六维力传感器使用须知(中文版)
六维力传感器使用须知 TOP TIP: 六维力传感器天生娇贵，使用前务必仔细学习其使用方法和操作须知，使用时请小心小心再小心。 使用前应先确定所需测量力的范围，以便选取合适的传感器，如果不能确定范围，应先选择量程尽可能大的传感器来确定范围，然后再行选取适合的传感器。 使用时一定在程序中加入过载保护，否则飞车的后果会让你追悔莫及。
1 硬件部分 1.1 传感器 传感器部分如下图所示： 注意事项： 1.注意两个端面，一面是固定端，一面是工具安装端，不可混淆 2.设计传感器连接组件时注意留出走线的凹槽 3.安装时严格选用正确型号的螺栓，尤其注意螺栓长度，安装时螺栓不要上太紧（相关尺寸参数每个传感器都有对应的文档可以查到） 4.这一部分是整个系统中最为娇贵的，所以对其一定各种操作都要足够温柔，使用完毕一定装进附有隔振海绵的收纳盒中。
1.2 接口供电盒（Interface Power Supply Box） 注意事项： 1.目前中心的传感器有两种供电盒一种需要外界电源，一种是不需要外接电源的。区别就在于有没有电源接口，有的话需外接电源才能正常工作。 2.红圈标出的接口有个凹槽，与其对应的接头有个突起，两者位置对应才能正确安装。
1.3 连接示意图 目前我们中心所用力传感器系统可以分成两类： 1. USB型 1) USB型的力传感器系统包括以下组件： 2) TW Transducer 即传感器 3) Interface power supply (IFPS) 接口供电盒 4) Data Acquisition (DAQ) Device or Data Acquisition (DAQ) card 数据采集设备或数据采集卡 5) DAQ Software, running on a laptop or desktop 数据采集软件 6) Supporting power supplies for IFPS or DAQ device 电源 7) Cable from IFPS to DAQ Device or DAQ card 连接线 8) USB cable from USB DAQ device to PC USB线 其连接如下图所示: 3
六维力传感器工作原理 3
六维力传感器的工作原理是标定均在假设传感器系统为线性系统的情况下进行，即传感器静态数学模型满足。
F=CV
其中，V是六维力传感器输出的6路原始信息(列信息，单位是V)，F是经过计算的6路力信息(列信息，力的单位是KN，力矩的单位是KNm)[6-7]。
传感器静态标定的实质就是利用施加在六维力传感器上的广义力矢量组F和通过数据采集上采样得到的传感器6个输出信号矢量组V求出标定矩阵C，传感器的输出信号是一个6路电压信号组成的矢量。如果不考虑传感器的非线性因素的影响，只要给传感器施加6个线性无关的力矢量，并测得对应6个力矢量的传感器的输出电压信号矢量V，就可以得到一个惟一解C。
其种测量范围是：50kN / 5kNm；
准确度等级是：0.5％;
尺寸是：Ø175毫米x 110毫米;
安装和定心是：6 x内螺纹M6x2；2个Ø10mm F7钻孔;
连接是：集成式圆形插头连接器UP13，27针，凸型；
材质是：不锈钢，不锈钢外壳；
重量是：11公斤。
用户如有购买需求，可咨询郑州沐宸自动化科技有限公司。该企业目前涵盖的产品类别有力传感器、多维力传感器、扭矩传感器、位移传感器、压力传感器、加速度传感器、液位传感器等，同时可根据客户的需求，定制各类传感器。
六维力传感器的解耦标定算法
六维力传感器的解耦标定算法
六维力传感器的解耦标定算法是用于将传感器测量的力和力矩分解为六个独立的力和力矩分量的过程。以下是一种常见的六维力传感器解耦标定算法：
1. 收集标定数据：使用已知大小和方向的力和力矩施加在传感器上，记录传感器输出的原始数据。这些数据将用于后续的解耦标定算法。
2. 确定传感器的灵敏度矩阵：将传感器输出的原始数据与施加的已知力和力矩进行线性回归，得到传感器的灵敏度矩阵。该矩阵描述了传感器输出与施加的力和力矩之间的关系。
3. 解耦标定算法：利用灵敏度矩阵对传感器输出进行解耦，将其分解为六个独立的力和力矩分量。解耦的方法可以是将灵敏度矩阵进行逆运算，或使用其他解耦算法，如主成分分析（PCA）等。
4. 验证解耦结果：使用已知大小和方向的力和力矩施加在传感器上，将解耦后的力和力矩分量与已知值进行比较，验证解耦结果的准确性。
5. 修正灵敏度矩阵：根据验证结果，进行必要的调整和修正，以提高解耦结果的准确性。
6. 重复步骤3至步骤5，直到达到满意的解耦精度。
需要注意的是，六维力传感器的解耦标定算法可能因传感器的设计和特性而有所不同。上述算法仅为一种常见的解耦标定算法，并不能适用于所有情况。在实际应用中，建议参考传感器厂商提供的文档和指导，或与专业的传感器标定服务提供商合作，以获取更准确的解耦标定算法。