一种带重力补偿的六轴力和力矩传感器的制作方法

1.本实用新型涉及传感器技术领域，尤其涉及一种带重力补偿的六轴力和力矩传感器。


背景技术：

2.多轴力和力矩传感器广泛应用于机器人操控、自动化产业及实验中，多轴力矩传感器是一种能够测量多个自由度上的线性力和力矩的器件，可观测6个自由度，但现有的多轴力矩传感器的结构普遍较为复杂，制造成本较高，且不能对其自身重力进行补偿，导致测量精度较低，用户体验度较差。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种带重力补偿的六轴力和力矩传感器，该传感器设计合理、结构简单，可实现6个自由度的线性力和力矩的测量，且组装方便，同时，还可补偿传感器因在运动过程中其自身重力的影响带来的误差，进而提高测量精度，且可在动态环境下使用，实用性强。
4.为实现上述目的，采用以下技术方案：
5.一种带重力补偿的六轴力和力矩传感器，包括安装座，以及安装于安装座内的传感器座；所述传感器座包括上层结构、与上层结构一体式连接的下层结构，以及位于上层结构上的中间层结构；所述上层结构和中间层结构上还均设有一第一pcb板，且每一第一pcb板上还均安装一第一imu传感器；所述安装座内还设有第二pcb板，第二pcb板位于传感器座的下方，且第二pcb板上还安装有参考imu传感器。
6.进一步地，所述上层结构包括第一固定圈、中心盘；所述第一固定圈的顶部开设有第一通孔，且第一通孔的内壁周向上还间隔设有若干弹性连接梁；所述中心盘位于第一通孔内，且中心盘的周侧经若干弹性连接梁与第一固定圈连接；其中一所述第一pcb板布置于中心盘上。
7.进一步地，所述下层结构包括第二固定圈，且第二固定圈的顶部周向上还间隔设有若干弹性支撑部；每一弹性支撑部的顶部还设有一承载部，第一固定圈位于承载部上并与其一体式连接。
8.进一步地，所述弹性支撑部呈
‘
x’型构造。
9.进一步地，所述中间层结构包括布置于第一固定圈内壁上的若干延伸部，另一所述第一pcb板布置于延伸部上。
10.进一步地，所述带重力补偿的六轴力和力矩传感器还包括固定板，且固定板上还设有若干限位块；所述固定板布置于若干延伸部上，其中一所述第一pcb板布置于固定板上。
11.进一步地，所述安装座包括底座，以及与底座可拆卸式连接的顶盖；所述第二pcb板布置于底座内。
12.采用上述方案，本实用新型的有益效果是：
13.该传感器设计合理、结构简单，可实现6个自由度的线性力和力矩的测量，且组装方便，同时，还可补偿传感器因在运动过程中其自身重力的影响带来的误差，进而提高测量精度，且可在动态环境下使用，实用性强。
附图说明
14.图1为本实用新型的爆炸图；
15.图2为本实用新型的传感器座的立体图；
16.图3为图2的爆炸图；
17.图4为图2的剖视图；
18.其中，附图标识说明：
19.1—传感器座；
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2—上层结构；
20.3—下层结构；
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4—中间层结构；
21.5—第一pcb板；
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6—第二pcb板；
22.7—固定板；
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8—底座；
23.9—顶盖；
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21—第一固定圈；
24.22—中心盘；
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23—弹性连接梁；
25.31—第二固定圈；
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32—弹性支撑部；
26.33—承载部；
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61—参考imu传感器；
27.71—限位块。
具体实施方式
28.以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。
29.参照图1至4所示，本实用新型提供一种带重力补偿的六轴力和力矩传感器，包括安装座，以及安装于安装座内的传感器座1；所述传感器座1包括上层结构2、与上层结构2一体式连接的下层结构3，以及位于上层结构2上的中间层结构4；所述上层结构2和中间层结构4上还均设有一第一pcb板5，且每一第一pcb板5上还均安装一第一imu传感器(图中未示出)；所述安装座内还设有第二pcb板6，第二pcb板6位于传感器座1的下方，且第二pcb板6上还安装有参考imu传感器61。
30.其中，所述上层结构2包括第一固定圈21、中心盘22；所述第一固定圈21的顶部开设有第一通孔，且第一通孔的内壁周向上还间隔设有若干弹性连接梁23；所述中心盘22位于第一通孔内，且中心盘22的周侧经若干弹性连接梁23与第一固定圈21连接；其中一所述第一pcb板5布置于中心盘22上；所述下层结构3包括第二固定圈31，且第二固定圈31的顶部周向上还间隔设有若干弹性支撑部32；每一弹性支撑部32的顶部还设有一承载部33，第一固定圈21位于承载部33上并与其一体式连接。
31.所述弹性支撑部32呈
‘
x’型构造；所述中间层结构4包括布置于第一固定圈21内壁上的若干延伸部，另一所述第一pcb板5布置于延伸部上；所述带重力补偿的六轴力和力矩传感器还包括固定板7，且固定板7上还设有若干限位块71；所述固定板7布置于若干延伸部上，其中一所述第一pcb板5布置于固定板7上；所述安装座包括底座8，以及与底座8可拆卸
式连接的顶盖9；所述第二pcb板6布置于底座8内。
32.本实用新型工作原理：
33.继续参照图1至4所示，本实施例中，该传感器包含了三个imu传感器，其中两个为九轴imu传感器，另一个为三轴角速度imu传感器，每个九轴imu传感器均包含一个六轴加速度传感器与一个三轴角速度传感器，该六轴力和力矩传感器的六轴力、力矩信息是基于上面的三个imu传感器的输出值计算得出，此外，该六轴力和力矩传感器可利用imu传感器对其在运动中因自身重力带来的误差进行自我补偿，可在动态环境下使用，实用性强。
34.该六轴力和力矩传感器包括上层结构2、中间层结构4和下层结构3，其中，上层结构2可视为四轴力和力矩传感器，可用于测量m
x
，m
y
，m
z
和f
z
这四个参数，下层结构3可视为三轴力和力矩传感器，用于测量m
x
，m
y
和f
z
这三个参数；上层结构2的设计目的在于使得结构中的中心盘22拥有四自由度的运动，从而允许上层结构2中的中心盘22的纯旋转运动以最小化力、力矩感知的误差；下层结构3被设计为类似网状的结构，目的在于组织或减少传感器的z轴旋转以及x轴和y轴的平移，具体地：
35.其中一第一imu传感器经第一pcb板5安装于中心盘22上，另一第一pcb板5放置于固定板7上，固定板7上设有若干限位块71，可将其限位固定，然后再将该第一pcb板5放置于延伸部上；位于中心盘22上的第一imu传感器可用于测量三轴角位移和z轴位移，其中，z轴位移可以通过对加速度数值的时间积分进行计算，而位于延伸部上的第一imu传感器采用三轴角速度imu传感器，可用于测量x轴和y轴的角位移量；如图2至3所示，上层结构2中的中心盘22的周侧设有若干弹性连接梁23(可产生形变)，由于通过在x
‑
y平面上的弹性连接梁23对中心盘22进行支撑，其f
x
和f
y
均可轴向压缩弹性连接梁23，故上层结构2仅允许四个自由度，即围绕x、y、z轴的旋转以及沿z轴的平移，其四个自由度均由第一imu传感器测量；下层结构3只有两个自由度，即围绕x轴和y轴旋转，该两个自由度可由位于延伸部上的第一imu传感器测得。
36.其六轴力、力矩的计算公式为：
[0037][0038]
其中θ
ux
，θ
uy
和θ
uz
为上层结构2中的第一imu传感器相对参考imu传感器61的角位移和z轴平移，其计算公式如下：
[0039]
θ
ux
＝θ
x_ref
‑
θ
x1
，
[0040]
θ
uy
＝θ
y_ref
‑
θ
y1
，
[0041]
θ
uz
＝θ
z_ref
‑
θ
z1
，
[0042]
d
z
可以由上层结构2中的第一imu传感器测得的z轴加速度对于时间进行积分得到，且d
z
必须从参考imu传感器61测得z轴平移值中减去；θ
x_ref
，θ
y_ref
和θ
z_ref
为参考imu传感器61的输出值，θ
x1
，θ
y1
和θ
z1
为上层结构2的第一imu传感器的输出值，θ
lx
，θ
ly
的计算公式如
下：
[0043]
θ
lx
＝θ
x_ref
‑
θ
x2
，
[0044]
θ
ly
＝θ
y_ref
‑
θ
y2
，
[0045]
其中，θ
x2
，θ
y2
为下层结构3的第一imu传感器的输出值；k为6
×
6的校准矩阵，需要利用特定校准步骤得到；为了计算校准矩阵k，不同的六轴力和力矩组合将会被施加于不同的传感器，同时对应的角位移量需要被记录，被成对记录下的角位移值与所施加的力、力矩值可被代入上述公式，然后，利用优化算法(如lavenberg
‑
marquardt算法)即可找到最佳拟合的校准矩阵k。
[0046]
利用参考imu传感器61的数值可以计算该传感器的自重补偿值，针对传感器自重所带来的加速度效应与角位移效应的补偿，需要借助两个补偿矩阵(矩阵a与矩阵b)，此矩阵用于补偿力、力矩的误差：
[0047][0048]
上式中的各个参数可由参考imu传感器61得到，补偿矩阵a0为大小为6
×
6的加速度补偿矩阵，补偿矩阵b为大小为6
×
3的角位移补偿矩阵b，补偿矩阵a与补偿矩阵b可由其他的校准方式得到；为了得到补偿矩阵，该传感器被安装于一个可产生不同角位移与六个方向上的加速度的校准装置上，在补偿矩阵的计算过程中，该传感器会在无额外的力、力矩的情况下按照不同的六轴加速度值和角位移值进行移动，运动时，传感器中的imu传感器的输出值会被记录；补偿矩阵a与补偿矩阵b可利用优化算法(lavenberg
‑
marquardt算法)得到，上式中的计算结果a项和b项是传感器在加速度和重力作用下的自重所引起的6轴力、力矩值，即用k项所计算出的力、力矩值减去a项与b项的值，即可得出动态环境下力、力矩传感器所受到力、力矩的真实值。
[0049]
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。