[發明專利]一種六維力傳感器的解耦方法及六維力傳感器

在審

• 申請號: 201910545138.2
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110132477A
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 張旻;王清亮
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 王震宇

1.一種六維力傳感器的解耦方法，其特征在于,包括以下步驟：

S1、采用n組線性無關的力/力矩列向量(F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z)^T作為六維力傳感器的輸入，n≥16或者n≥12；

S2、獲取六維力傳感器各梁的全部16個面或者其中指定的12個面統一指定坐標點的應力作為輸出，從而得到F_6×n＝C_6×16σ_16×n或者F_6×n＝C_6×12σ_12×n，其中F_6×n代表輸入的n組線性無關的力/力矩列向量構成的輸入矩陣，C_6×16、C_6×12為標定矩陣，σ_16×n、σ_12×n為n組力/力矩輸入時各梁各面上指定點的應力構成的矩陣；

S3、用最小二乘法或者極限學習機解耦方法進行解耦，從而確定F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z分別與其對應的梁上的應力之間的關系，以求得標定矩陣C或者輸入輸出的對應關系：F＝Cσ，即F_6×1＝C_6×16·σ_16×1，或F_6×1＝C_6×12·σ_12×1；

優選地，對于4根梁的16個表面，分別以傳感器內壁與梁連接處中點為原點，以指向質量塊的方向作為t軸正方向，沿外表面逆時針90°建立S軸，所述指定坐標點為位于梁中心線上的點，即以(t，s)代表測量輸出的坐標點，取s＝0，優選地，t值大于梁長度的1/2倍，小于梁長度的1倍。

2.如權利要求1所述的六維力傳感器的解耦方法，其特征在于,步驟S2中，由輸入F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z帶來的各梁各面所受應力/力矩與應力的關系如下：

其中，F為力；M為力矩；σ代表應力；W代表彎曲截面模量，梁的截面為邊長為b的正方形，則W＝b³/6；A為梁截面正方形的面積，A＝b²；下標1，2，3，4分別代表六維力傳感器的1號梁、2號梁、3號梁、4號梁；下標x，y，z分別代表x軸，y軸，z軸正方向；(t，s)代表測量輸出的坐標點，σ_1上(t，s)表示1號梁上表面(t,s)處的應力；F_x1表示F_x引起的在1號梁上的拉/壓力；M_x3(t)表示M_x引起的在3號梁上坐標為t處的彎矩；M_1Fz(t)表示F_z引起的在1號梁上坐標為t處的彎矩。其余參數含義同理。

3.如權利要求1至2任一項所述的六維力傳感器的解耦方法，其特征在于,步驟S3中，所述輸入輸出的對應關系為：

其中m₁至m₆分別表示單向加載情況下力/力矩與所對應的應力的比例關系。

4.如權利要求1至3任一項所述的六維力傳感器的解耦方法，其特征在于,步驟S3中，所述標定矩陣C為下式當中的6×12矩陣：

其中，k₁＝m₁/4，k₂＝m₂/4，k₃＝m₃/4，k₄＝m₄/4，k₅＝m₅/4，k₆＝m₆/4。