一种适用于大量程与尺寸的双E型膜六维力传感器自动化标定装置及其标定方法

一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置及其标定方法
技术领域
1.本发明涉及双e型膜六维力传感器技术领域，具体来说是一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置及其标定方法。


背景技术：

2.双e型膜六维力传感器结构是新型六维力传感器弹性体结构，其结构简单、易于加工、信号可直接输出无需转化、解耦简单，目前己应用于航天、水下、工业机器人等领域。
3.双e型膜六维力传感器弹性体主要由上下e膜片、四个矩形梁以及外围固定支撑组成，其应变单元有三个：四根矩形梁单元(测量力矩：mz)、上e型膜片单元(测量力矩：mx和my)和下e型膜片单元(测量力：fx、fy和fz)。这三个独立的应变单元经过顺序串联到一起，构成一个六维力传感器。
4.根据应变式多维力传感器设计准则和力的传递原理，我们对传感器施加载荷时，载荷在传感器中的传递路径如下：当在加载环施加载荷时，载荷经由4根矩形梁传递给中间传力环，中间传力环上的载荷经由上e型膜片传递给中间传力柱，中间传力柱上的载荷经由下e型膜片传递至下端固定环。
5.目前，双e型膜六维力传感器在实验室中的标定台采用的是传统的手动加载砝码的方式进行标定，人工加载砝码方式不仅效率低下，最重要的是此种方法只适用于中小量程及中小尺寸的六维力传感器，无法标定大量程与大尺寸的六维力传感器。
6.中国专利cn101776506a公开了一种适用于大量程六维力传感器的自动化加载平台，但是该平台待标定传感器固定座不具有升降功能，不适用于不同高度的双e型膜六维力传感器；中国专利zl200510050834.4公开了一种无级升降式六维力传感器标定装置，中国专利zl200510050822.1公开了一种并联六维力传感器标定装置，龙门式框架军采用绳索，不易实现力矩及大载荷的加载，不适用于双e型膜六维力传感器；中国专利zl201410647126.8公布了一种组合式小型多维力传感器标定加载装置，结构简单紧凑，装配调试方便，易实现加载力连续可调，但不适用于大量程的六维力传感器的标定；中国专利cn103616128a公开了一种六维力传感器的自动标定装置，该装置采用18个加载单元，整体结构过于复杂。
7.因此，如何开发出一种针对于双e型膜六维力传感器的自动化标定装置及方法已经成为急需解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的是为了解决现有技术中无法针对大量程、大尺寸的双e型膜六维力传感器进行自动化标定的缺陷，提供一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置及其标定方法来解决上述问题。
9.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
10.一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置，包括平台组件和双e型膜六维力传感器标定固件，所述的双e型膜六维力传感器标定固件包括双e型膜六维力传感器和安装在双e型膜六维力传感器上的标定帽，平台组件的光学平台上固定安装有十字支撑梁和固定座，
11.光学平台上安装有位于同一水平面上的x向力加载单元、y向力加载单元和z向扭矩加载单元，十字支撑梁上安装有z向力加载单元，固定座的侧面安装有x向弯矩加载单元和y向弯矩加载单元，x向弯矩加载单元与y向弯矩加载单元的延长线相交且均与光学平台相平行，所述z向力加载单元、x向力加载单元、y向力加载单元、z向扭矩加载单元、x向弯矩加载单元和y向弯矩加载单元均朝向双e型膜六维力传感器标定固件。
12.所述的z向力加载单元、x向力加载单元、y向力加载单元和z向扭矩加载单元结构均相同，所述的z向力加载单元包括滑台，滑台上安装有电动缸固定座，电动缸固定座上安装有电动缸，电动缸的电动缸推拉杆的前端通过推拉缸与挠性连接件相连，挠性连接件的前端安装有标准单维力传感器和加载头。
13.所述的平台组件包括基座，基座上耸立安装四根支撑杆，光学平台安装在支撑杆上。
14.所述的基座上安装有升降机构固定座，升降机构固定座上安装有升降机构，升降机构的运动方向穿过光学平台，双e型膜六维力传感器标定固件安装在升降机构上。
15.所述推拉缸的中部为腔体结构，所述电动缸推拉杆的前端设有顶块，顶块为圆台形，电动缸推拉杆通过其前端的顶块限位在推拉缸中部的腔体结构内，电动缸推拉杆的顶块厚度小于推拉缸腔体结构的深度。
16.一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置的标定方法，包括以下步骤：
17.进行标定固件的安装，将双e型膜六维力传感器标定固件安装至升降机构上；
18.双e型膜六维力传感器标定固件的调整：根据待标定的传感器的高度与直径大小，调整升降机构的高度，从而调整标定固件的高度，使得fx、fy的加载位置刚好与双e型膜六维力传感器的上e型膜在同一高度；
19.进行f
x
的标定：通过x向力加载单元进行自动加载，其余加载单元不工作，x向力加载单元通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器x轴正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成f
x
标定数据集；
20.进行fy的标定：通过y向力加载单元进行自动加载，其余加载单元不工作，y向力加载单元通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器y轴正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成fy标定数据集；
21.进行mz的标定：y向力加载单元沿着x负方向移动至指定位置，与z向扭矩加载单元同时施加拉力或者压力，其余加载单元不工作，实现双e型膜六维力传感器mz扭矩正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成mz标定数据集；
22.进行fz的标定：通过z向力加载单元进行自动加载，其余加载单元不工作，z向力加
载单元通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器z轴正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成fz标定数据集；
23.进行m
x
标定：通过mx向弯矩加载单元进行自动加载，其余加载单元不工作，m
x
向弯矩加载单元通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器x向弯矩mx正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成mx标定数据集；
24.进行my标定：通过my向弯矩加载单元进行自动加载，其余加载单元不工作，my向弯矩加载单元通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器y向弯矩my正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成my标定数据集；
25.标定结果的获得：双e型膜六维力传感器f
x
、fy、fz、m
x
、my、mz六个方向的输入数据形成输入矩阵f，电压输出值形成输出矩阵n，根据公式，通过bp神经网络算法计算得到传感器的解耦矩阵,检测六维力传感器的解耦矩阵是否符合要求，如果不符合要求，需要重新对六维力传感器进行标定，否则标定结束。
26.有益效果
27.本发明的一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置及其标定方法，与现有技术相比适用于不同量程与尺寸的六维力传感器自动化标定平台，可实现各个方向单维力的单独加载，具有操作方便、标定精度高、速度快等特点。
28.本发明通过电动缸可以产生拉力和压力的方式来实现自动加载，因此在标定帽上只需布置6个施力点，通过6组单维力加载单元、加载单元固定座和六维力传感器升降机构及固定座构成加载系统，实现双e型膜六维力传感器的自动化标定。
29.本发明的加载单元中含有推拉缸机构，当不需要力产生时，电动缸带动推拉杆运动，使得推拉杆头处在推拉缸的中间位置，即推拉杆头与推拉缸拉/压面均有一定的间隙，此间隙可以保证当其它方向的电动缸发力时不产生干涉。加载单元中含有挠性连接件，其具有的机械解耦功能，使得标准单维力传感器测得的力基本上是只沿加载方向的力，而由于加工、安装误差等产生的其他方向的干扰力几乎仅仅导致挠性连接件的变形，故不能够由标准单维力传感器测得，从而提高六维力传感器标定的精度。
30.本发明的自动化标定装置改进了传统的挂砝码式手动标定方法中无法标定双e型膜六维力传感器轴向力fz的负方向的缺点。
附图说明
31.图1为本发明的结构示意图；
32.图2为图1的右视图；
33.图3为本发明的结构俯视图；
34.图4为本发明中固定座的结构示意图；
35.图5为本发明的局部结构放大图；
36.图6为本发明中z向力加载单元的结构示意图；
37.图7为本发明中电动缸推拉杆的结构示意图；
38.图8a和图8b均为本发明中推拉缸的结构示意图；
39.图9a为本发明中电动缸推拉杆位于推拉缸内施加压力时的状态示意图；
40.图9b为本发明中电动缸推拉杆位于推拉缸内施加拉力时的状态示意图；
41.图9c为本发明中电动缸推拉杆位于推拉缸内不加载力时的状态示意图；
42.图10为标定固件安装在升降机构上的示意图；
43.图11为图10的正视图；
44.图12为本发明中标定帽与标定螺钉结构示意图；
45.图13为本发明中挠性连接件的结构示意图。
46.其中，1-基座、2-支撑杆、3-光学平台、4-十字支撑梁、5-x向力加载单元、6-z向力加载单元固定座、7-z向力加载单元、8-y向弯矩加载单元、9-固定座、10-双e型膜六维力传感器标定固件、11-y向力加载单元、12-升降机构固定座、13-升降机构、14-x向弯矩加载单元、15-z向扭矩加载单元、16-滑台、17-电动缸、18-电动缸固定座、19-电动缸推拉杆、20-推拉缸、21-挠性连接件、22-标准单维力传感器、23-加载头、31-标定帽、32-双e型膜六维力传感器、33-双e型膜六维力传感器固定底座、34-fx、fy、mz加载孔、35-fz、mx、my加载孔、36-标定螺钉。
具体实施方式
47.为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
48.如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明所述的一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置，包括平台组件和双e型膜六维力传感器标定固件10。如图11所示，双e型膜六维力传感器标定固件10包括双e型膜六维力传感器32和安装在双e型膜六维力传感器32上的标定帽31，双e型膜六维力传感器标定固件10则通过传统的双e型膜六维力传感器固定底座33安装在升降机构13上。
49.平台组件包括基座1，基座1上耸立安装四根支撑杆2，光学平台3安装在支撑杆2上。平台组件的光学平台3上固定安装有十字支撑梁4和固定座9，十字支撑梁4和固定座9均用于加载单元的安装使用。光学平台3上安装有位于同一水平面上的x向力加载单元5、y向力加载单元11和z向扭矩加载单元15，十字支撑梁4上安装有z向力加载单元7，z向力加载单元7通过z向力加载单元固定座6安装在十字支撑梁4上。固定座9的侧面安装有x向弯矩加载单元14和y向弯矩加载单元8，x向弯矩加载单元14与y向弯矩加载单元8的延长线相交且均与光学平台3相平行。x向力加载单元5用于x向力的加载标定，y向力加载单元11用于y向力的加载标定，z向扭矩加载单元15用于扭矩mz的加载标定，z向力加载单元7用于z向力的加载标定，x向弯矩加载单元14和y向弯矩加载单元8分别用于向弯矩mx与y向弯矩my的加载标定。z向扭矩mz的标定，加载时需y向力加载单元11向z向扭矩加载单元15加载的标定螺钉的反方向移动，至加载头施加在标定螺钉加载孔内，y向力加载单元11与z向扭矩加载单元15同时施加相同大小的拉压力，实现扭矩mz正负方向的标定。
50.按现有技术的方式，z向力加载单元7、x向力加载单元5、y向力加载单元11、z向扭矩加载单元15、x向弯矩加载单元14和y向弯矩加载单元8的加载部分均朝向双e型膜六维力传感器标定固件10，以待对双e型膜六维力传感器标定固件10的标定帽31进行加载标定，即
针对于双e型膜六维力传感器标定固件10的标定帽31，以此进行双e型膜六维力传感器32的标定。同理，x向弯矩加载单元14与y向弯矩加载单元8也用于对双e型膜六维力传感器32进行x方向弯矩mx与y方向弯矩my的标定。
51.在此，加载单元为自动控制装置，以此取代传统的人工砝码设计。因此，z向力加载单元7、x向力加载单元5、y向力加载单元11和z向扭矩加载单元15结构均相同。如图6所示，以z向力加载单元7为例，z向力加载单元7包括滑台16，滑台16上安装有电动缸固定座18，电动缸固定座18上安装有电动缸17，电动缸17的电动缸推拉杆19的前端通过推拉缸20与挠性连接件21相连，挠性连接件21的前端安装有标准单维力传感器22和加载头23。
52.为了实现各个方向单维力的单独加载，如图7、图8a、图8b和图13所示，推拉缸20的中部为腔体结构，电动缸推拉杆19的前端设有顶块，顶块为圆台形，电动缸推拉杆19通过其前端的顶块限位在推拉缸20中部的腔体结构内，电动缸推拉杆19的顶块厚度小于推拉缸20腔体结构的深度。
53.加载单元是采用电动缸17自动加载，滚珠丝杠16补调加载距离。电动缸17带动推拉杆19在推拉缸20中运动产生拉压力，通过挠性连接件21的机械解耦功能，使得标准单维力传感器22测得的力基本上是只沿加载方向的力，而由于加工、安装误差等产生的其他方向的干扰力几乎仅仅导致挠性连接件的变形，故不能够由标准单维力传感器测得，从而提高六维力传感器标定的精度。
54.如图9a、图9b、图9c所示，单维力的施加方式为：当电动缸17带动推拉杆19向前/向后运动时，推拉杆通过弹性缓冲垫片与推拉缸20压力面/拉力面接触，经过挠性连接件21机械解耦，标准单维力传感器22测得的力为加载头23所受的压力/拉力；标准单维力传感器22直接与加载头23连接，使得标准单维力传感器22所测得力可以真实的反映加载头23所受的力；当不需要力产生时，电动缸17带动推拉杆19运动，使得推拉杆头处在推拉缸20的中间位置，即推拉杆头与推拉缸20拉/压面均有一定的间隙，且此间隙可以保证当其它方向的电动缸发力时不产生干涉。
55.如图10所示，为了方便双e型膜六维力传感器标定固件10的自动化控制移动，基座1上安装有升降机构固定座12，升降机构固定座12上安装有升降机构13，升降机构13的运动方向穿过光学平台3，双e型膜六维力传感器标定固件10安装在升降机构13上。六维力传感器升降台13采用电动丝杠滑台与电动缸同时调距，可以精准的把六维力传感器调到需要的位置。
56.针对双e型膜六维力传感器结构与贴片特点，现有技术中，在标定时根据不同尺寸的六维力传感器设计对应尺寸的标定帽。如图11和图12所示，在本发明中，标定帽31安装在六维力传感器的加载端，标定帽31中沿圆周均匀设有4个标定螺钉36，fx、fy、mz加载孔34为双e型膜六维力传感器fx、fy、mz加载孔，安装时应注意标定帽与标定螺钉的加载孔应沿着传感器的x、y方向，标定螺钉安装好后的fx、fy、mz加载孔34的水平中心面应与双e型膜六维力传感器32上e型膜的贴片位置在同一个平面上，fz、mx、my加载孔35的水平中心面到双e型膜六维力传感器32上e型膜的贴片的位置高度为固定数值，加载头23需加载在fx、fy、mz加载孔34与fz、mx、my加载孔35内并固定，可标定六维力传感器x、y、z正负方向的力/力矩，加载头23不直接施加在传感器表面，防止破坏传感器的外形，影响传感器的测量精度。
57.在此，还提供一种适用于大量程与尺寸的双e型膜六维力传感器自动化标定装置
的标定方法，包括以下步骤：
58.第一步，进行标定固件10的安装，将双e型膜六维力传感器标定固件10安装至升降机构13上。
59.第二步，双e型膜六维力传感器标定固件10的调整。根据待标定的传感器的高度与直径大小，调整升降机构13的高度，从而调整标定固件10的高度，使得fx、fy的加载位置刚好与双e型膜六维力传感器的上e型膜在同一高度。
60.第三步，进行f
x
的标定。通过x向力加载单元5进行自动加载，其余加载单元不工作，x向力加载单元5通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器x轴正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成f
x
标定数据集。
61.第四步，进行fy的标定。通过y向力加载单元11进行自动加载，其余加载单元不工作，y向力加载单元11通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器y轴正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成fy标定数据集。
62.第五步，进行mz的标定。y向力加载单元11沿着x负方向移动至指定位置，与z向扭矩加载单元15同时施加拉力或者压力，其余加载单元不工作，实现双e型膜六维力传感器mz扭矩正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成mz标定数据集。
63.第六步，进行fz的标定。通过z向力加载单元7进行自动加载，其余加载单元不工作，z向力加载单元7通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器z轴正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成fz标定数据集。
64.第七步，进行m
x
标定。通过mx向弯矩加载单元14进行自动加载，其余加载单元不工作，m
x
向弯矩加载单元14通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器x向弯矩mx正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成mx标定数据集。
65.第八步，进行my标定。通过my向弯矩加载单元8进行自动加载，其余加载单元不工作，my向弯矩加载单元8通过施加压力与拉力，实现双e型膜六维力传感器y向弯矩my正负方向的标定；加载时从0开始，依次均匀加载载荷直至满量程，并自动记录每个加载点传感器每路的电压输出值；接着依次均匀卸载，直至0点，循环3次，自动记录，形成my标定数据集。
66.第九步，标定结果的获得。双e型膜六维力传感器f
x
、fy、fz、m
x
、my、mz六个方向的输入数据形成输入矩阵f，电压输出值形成输出矩阵n，根据公式，通过传统的bp神经网络算法计算得到传感器的解耦矩阵,检测六维力传感器的解耦矩阵是否符合要求，如果不符合要求，需要重新对六维力传感器进行标定，否则标定结束。
67.双e型膜六维力传感器的力/力矩的标定中，耦合是双e型膜六维力传感器的一个普遍现象，它是由传感器的结构决定的，解耦是此类传感器必须进行的一项工作。在解耦之前，通过标定得到加载力和采集数字量之间的关系为:
68.f＝wn b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
69.其中，f表示各方向施加的标准广义力(包括沿各轴的力和绕轴的力矩)，这里
70.f＝{fx，fy，fz，mx，my，mz}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
71.n表示通过数据采集卡采集到的数字量，这里
72.n＝{nx，ny，nz，nmx，nmy，nmz}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
73.w是一个6
×
6的解耦矩阵，数据大小表示各维之间耦合的程度。其中主对角线w(i，j)(i＝j，1≤i，j≤6)表示在某维单独受力时力与标定数字量的相关系数，其它系数w(i，j)(i≠j，1≤i，j≤6)表示第j维对第i维的影响程度，即耦合系数。
74.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。