[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

本發明提供一種六維力傳感器的解耦方法，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作為六維力傳感器的輸入；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個面的統一指定坐標點的應力作為輸出；S3、并用最小二乘法或者極限學習機等解耦方法進行解耦，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。還提供一種基于惠斯通四分之一電橋的六維力傳感器。本發明有利于減小維間耦合，能夠改善六維力傳感器復合加載時的解耦效果，具有誤差小，應用范圍廣等優點。

技術領域

本發明涉及六維力傳感器技術領域，特別是一種六維力傳感器的解耦方法及六維力傳感器。

背景技術

隨著機器人與物聯網技術的發展以及工業4.0的實施，傳感器作為感知信號的基礎，其越來越得到重視與發展。

六維力傳感器能夠感知三個軸向力(Fx,Fy,Fz)及三個軸向力矩(Mx,My,Mz)，從上世紀70年代起，機器人多維力傳感器就成為國內外研究的熱點問題。對它的研制與應用具有重要的理論和現實意義。

多維力傳感器在各個方向上都是對力敏感的，在傳感器的某一維施加力會在其它方向上有輸出，被稱為耦合誤差。六維力傳感器各輸出通道之間普遍存在比較復雜的耦合關系。如不對各通道輸出數據進行解耦，將會在一定程度上影響傳感器的測量精度。因此，消除維間耦合是提高六維力傳感器測量精度的關鍵。

目前六維力傳感器一般采用輸入與輸出一一對應的方式，以電阻應變片式惠斯通全橋電路十字橫梁六維力傳感器為例，這種傳感器帶有浮動梁，如圖8所示，而圖9顯示了其中一組惠斯通全橋的貼片位置，構成的惠斯通全橋電路如圖10所示。當傳感器中心質量塊承受六維力/力矩時，其電阻變化如下：

其中，R₁、R₂、R₃、R₄的原始電阻值為R，ΔR_Fx與ΔR_Mz均為正值，分別表示傳感器在單獨受到F_x和M_z作用的情況下應變片的阻值變化量。

事實上，上面的等式嚴格來講是不成立的，因為每個應變片的電阻值同時受到F_x、F_y、F_z、M_x、M_y、M_z的作用。只不過由于浮動梁的存在，R₁、R₂、R₃、R₄各自受F_y、F_z、M_x、M_y的影響均甚小，幾乎可以忽略不計。

根據下式：

這樣，就可以根據惠斯通全橋的輸出電壓U_Fx得到其電阻變化值ΔR_Fx，進而由壓阻效應原理，可以推知F_x的值。

以上僅以一個惠斯通全橋為例進行說明，其余五個惠斯通全橋與它同理。

為構建惠斯通全橋電路，這種方案的思路建立在將較小的應力近似為零的基礎之上，且適用范圍較窄，僅限于帶浮動梁結構的十字橫梁六維力傳感器，另外這種方法對傳感器的尺寸公差和對稱度等形位誤差也有較高的要求。

發明內容