基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法技术

基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，属于传感器测量技术领域。为了解决现有多维力传感器获得的多维力维间耦合大、精度低、传感器结构刚度小等问题。本发明专利技术建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，根据负载平台坐标系原点在局部坐标系下沿/绕测量轴线的局部变形位移获得可观测量，并计算负载平台在全局坐标系统下的变形位移，根据负载平台在全局坐标系统下的变形位移计算每个应变梁相应局部坐标原点在局部坐标系统下的所有局部变形位移，并根据每个应变梁在局部坐标系统下的局部变形位移计算每个应变梁在局部坐标系统下的局部广义力；通过求解线性方程组得到多维力传感器的多维力。主要用于多维力传感器的多维力获取。

【技术实现步骤摘要】
基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法
本专利技术属于传感器测量
，涉及多维力传感器力的获取方法。
技术介绍
多维力传感器能检测力在空间作用的信息，其中典型的六维力传感器可以获取作用力在空间坐标系所形成的3个分力和3个力矩。在航天机械臂、航天对接、协作机器人、仿生机械、医疗辅助器械、步行机器人、风洞测力、航空航天发动机推力测试、螺旋桨推力测试、汽车碰撞测试、微创手术机器人、打磨抛光器械、搅拌摩擦焊、机床加工力测量等众多领域，六维力传感器发挥着重要作用，其获得的六维力的准确性直接影响着系统的工作性能和控制精度。从六维力传感器结构上分析，六维力传感器主要可以分为整体弹性结构式，Stewart并联结构式，压电晶体式、无摩擦导轨式(气浮、磁悬浮)，柔性结构式等，其中商用小型六维力传感器和MEMS领域主要采用整体弹性结构式，包括三垂直筋、I型梁积木、双环、桶型、马尔蒂斯十字梁、八垂直筋、非径向三梁、E结构、T结构，双悬臂梁等结构。大型六维力传感器主要采用Stewart并联结构式及球支撑并联结构，压电晶体式主要有4、6、8组平面布置结构，用于高频动态测量领域，无摩擦导轨式由于结构体积太大应用极少，柔性结构式主要用于机械手指端抓取，精度很低。整体弹性结构式一般采用柔性铰链或柔性平板结构代替物理铰链，其精度稍高，但结构刚度小，且由于柔性体部分的耦合影响，精度一般在2％～5％，且由于其结构刚度较低，一般还需增加安全结构(避免变形过大损坏)或采用橡胶填充以避免振动过大。Stewart并联结构式结构刚度较大，但由于采用了物理铰链，有较大的摩擦力影响，其精度很低，也有采用柔性铰链代替结构中的物理铰链的方式，但会造成结构刚度低，且柔性铰链中的耦合力矩也无法消除，精度同样不高。压电晶体式一般采用平面多组布置，每一组包含三个晶片分别测量三个轴向力，转矩由多组轴向力进行推算，测力频响较高，但测力精度较低，且由于电荷漂移不适合静态测量。从六维力传感器所用敏感元件分析，主要采用的敏感元件有应变片式(电阻应变、半导体应变、光栅应变等)，压电晶体式、光学传感器式(三角光、共焦光、像散光等)和电学传感器式(电容、电感、电涡流等)。一般情况下，整体弹性结构传感器多采用应变片、光学传感器、电学传感器。压电晶体式传感器多采用多片叠加(一般为3片，分别测量相互垂直的3个轴向力)的压电晶体。Stewart式传感器敏感元件多采用应变片和压电晶体。绝大多数整体弹性结构多维力传感器采用解耦矩阵进行六维力计算，解耦矩阵可以采用实验法或者有限元法获得，这种方法认为根据能量最小原理弹性结构体的某些部位的应变变形一定与六维力呈正比，但实际上这种假设经常存在较大误差。Stewart并联结构六维力传感器通常采用螺旋理论进行计算，这种计算假定所有并联机构的铰链部分为理想铰链，不存在任何摩擦力(力矩)，而在计算中被忽略的摩擦力(力矩)通常对结果产生非常大的影响，因而其精度很差。压电晶体结构六维力传感器通常将所有压电晶体布置在一个平面内，认为压电晶体内只承受3个方向的力，而忽略其上的力矩，这同样会导致很大的计算误差，且由于电荷衰减静态测量效果不好。综上所述，现有六维力传感器在计算方法上都是对应变梁(或压电晶体)的某一些变形应力进行忽略，或者对机械铰链摩擦力进行忽略，进而将模型简化找到求解方法，这就导致其计算精度很差，具体表现为维间耦合(Crosstalk，Crosscoupling，Dimentionalcoupling，ClassIIerror)非常大，为了解决该类问题而在某些维度采用了柔性非常大的结构，进而导致了传感器在某些维度的刚度又非常小，工作时稳定性很差，甚至必须采用大变形时保护结构，且即使刚度很小，维间耦合过大问题也难以根本解决，依然要高达2％～5％。现有的商用六维力传感器制造商主要有ATI，JR3，AMTI，Kistler，HBM，Schunk，SunriseInstruments(宇立)，ME，Optoforce(Onrobot)，Hypersen(海伯森)等，这些公司的产品基本上采用的也是上述的一些基本结构，其中以整体弹性式和压电晶体式为主，其传感器精度基本上都在2％～5％，由于计算方法限制，进而导致结构限制，很难进一步提高。由于现有的六维力传感器精度很低且其刚度很小，在商用领域，除打磨、抛光、夹持、汽车碰撞试验、车轮力测量等所需传感器精度很低的情况外，几乎很难进行大规模商业应用，而上述的打磨、抛光、夹持等应用场合可以很容易地用气动、弹性等元器件进行替代，因此应用也不多。以需要高精度测力的协作力控机器人为例，当前真正的商品化力控机器人，例如iiwa，几乎都采用单轴力传感器进行替代，但由于机器人的每一个轴都需要采用一个单轴力传感器，造成机器人结构极其复杂，成本极高，且造成高速运动时惯性力解算极其困难。以需要高精度测力的医疗微创手术机器人为例，几乎所有操作医生均认为手术过程中的力反馈对操作者影响很大，但由于现有六维力传感器精度太低，因而其只在研究中有所应用，所有当前真正商用化的微创手术机器人，例如daVinci，都放弃了采用六维力传感器而只采用图像传感器。现有的三维力传感器，包括三个轴向力和平面内两个轴向力和一个转矩类型，以及其它多维力传感器(两维、四维、五维)同样存在精度不高的问题，解决最通用的空间六维力传感器及平面三维力传感器的高精度求解问题则可以通过忽略一些维度力的方法解决所有多维力传感器高精度求解问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有多维力传感器获得的多维力精度低(主要是维间耦合过大)、传感器结构刚度小、计算过程太复杂实时性差等问题。基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，包括以下步骤：建立附着于支撑平台上的全局坐标系统oxyz；外力作用下负载平台在全局坐标系统oxyz下产生位移其中，为全局坐标系oxyz下的直线位移；为全局坐标系oxyz下的转角位移；分别建立以应变梁与负载平台接触面中心为局部坐标系原点oi，附着于应变梁上的局部坐标系统oixiyizi；i表示应变梁的序号；以应变梁与支撑平台接触面中心为局部坐标系原点分别建立支撑平台局部坐标系统根据应变梁和支撑平台的结构关系确定每个局部坐标系统与全局坐标系统的关系；局部坐标系统中应变梁在力作用下产生变形位移，其中为局部坐标系oixiyizi下的直线位移；为局部坐标系oixiyizi下的转角位移；根据应变梁的受力变形关系确定和根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；根据空间矢量变换利用所述的部分局部坐标系下的局部变形位移，即可观测量，计算出负载平台在全局坐标系统oxyz下产生位移进而计算出所有应变梁局部坐标系下的局部位移根据所述的得到的所有应变梁的得到所有应变梁的局部广义力其中为局部坐标系oixiyizi下的力，为局部坐标系oixiyizi下的力本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：/n建立附着于支撑平台上的全局坐标系统；/n分别建立基于应变梁和位移传感器的局部坐标系统，建立之后应变梁和位移传感器分别对应的局部坐标系统不随应变梁和位移传感器运动；/n根据空间矢量变换法则建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，包括广义力变换关系、广义变形位移变换关系和位移传感器变换关系；/n所述的广义力包括力和力矩，所述广义变形位移包括直线位移和转角位移；/n根据理论力学、材料力学和弹性力学建立局部坐标系统下的应变梁、支撑平台及负载平台的变形和受力的关系矩阵，即局部刚度矩阵和局部柔度矩阵；/n根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿/绕测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；/n根据所述负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系沿/绕测量轴线的局部变形位移计算负载平台在全局坐标系统下的变形位移，包括三个直线位移和三个转角位移；/n根据负载平台在全局坐标系统下的变形位移计算每个应变梁相应局部坐标原点在局部坐标系统下的所有局部变形位移；/n根据每个应变梁在局部坐标系统下的局部变形位移计算每个应变梁在局部坐标系统下的局部广义力；/n将所有应变梁在局部坐标系统下的局部广义力根据局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系平移到全局坐标系统原点并求和，得到多维力传感器的多维力。/n...

【技术特征摘要】
1.基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立附着于支撑平台上的全局坐标系统；
分别建立基于应变梁和位移传感器的局部坐标系统，建立之后应变梁和位移传感器分别对应的局部坐标系统不随应变梁和位移传感器运动；
根据空间矢量变换法则建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，包括广义力变换关系、广义变形位移变换关系和位移传感器变换关系；
所述的广义力包括力和力矩，所述广义变形位移包括直线位移和转角位移；
根据理论力学、材料力学和弹性力学建立局部坐标系统下的应变梁、支撑平台及负载平台的变形和受力的关系矩阵，即局部刚度矩阵和局部柔度矩阵；
根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿/绕测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；
根据所述负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系沿/绕测量轴线的局部变形位移计算负载平台在全局坐标系统下的变形位移，包括三个直线位移和三个转角位移；
根据负载平台在全局坐标系统下的变形位移计算每个应变梁相应局部坐标原点在局部坐标系统下的所有局部变形位移；
根据每个应变梁在局部坐标系统下的局部变形位移计算每个应变梁在局部坐标系统下的局部广义力；
将所有应变梁在局部坐标系统下的局部广义力根据局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系平移到全局坐标系统原点并求和，得到多维力传感器的多维力。


2.根据权利要求1所述的基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于，所述方法的具体过程如下：
建立附着于支撑平台上的全局坐标系统oxyz；
外力作用下负载平台在全局坐标系统oxyz下产生位移其中，为全局坐标系oxyz下的直线位移；为全局坐标系oxyz下的转角位移；
分别建立以应变梁与负载平台接触面中心为局部坐标系原点oi，附着于应变梁上的局部坐标系统oixiyizi；i表示应变梁的序号；
以应变梁与支撑平台接触面中心为局部坐标系原点分别建立支撑平台局部坐标系统
局部坐标系统中应变梁在力作用下产生变形位移，其中为局部坐标系oixiyizi下的直线位移；为局部坐标系oixiyizi下的转角位移；
根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；根据空间矢量变换利用所述的部分局部坐标系下的局部变形位移，即可观测量，计算出负载平台在全局坐标系统oxyz下产生位移进而计算出所有应变梁局部坐标系下的局部位移
根据所述的得到的所有应变梁的得到所有应变梁的局部广义力其中为局部坐标系oixiyizi下的力，为局部坐标系oixiyizi下的力矩；
定义应变梁在局部坐标原点oi的柔度矩阵为获得应变梁的在局部坐标原点oi的柔度矩阵
对于负载平台和支撑平台，将负载平台和支撑平台看做半弹性空间；定义负载平台在局部坐标原点oi的柔度矩阵为定义支撑平台在支撑平台局部坐标原点的柔度矩阵为确定柔性矩阵和的近似值；
将支撑平台对应的柔度矩阵移动到点oi，在局部坐标oi处负载平台、支撑平台的弹性变形部分与应变梁的柔度矩阵之和为：表示从局部坐标系到局部坐标系oixiyizi的空间矢量变换矩阵；进而获得柔度和矩阵的逆矩阵，即其刚度矩阵
将局部坐标系转换到全局坐标下得到全局坐标下刚度矩阵Tig表示从坐标系oi到坐标系o的空间矢量变换矩阵；
则在全局坐标系下的原点处的所有应变梁、负载平台、支撑平台的刚度矩阵和为
全局坐标系下负载平台承受的外部广义力为全局坐标系下负载平台在承受外部力时的广义位移为
全局坐标系统下广义力和广义位移、刚度的关系为：
全局坐标系统下的广义力和应变梁局部坐标系统下的局部广义力的关系为：
根据上述获得的和采用公式计算六维力或者根据上述获得的采用公式计算六维力


3.根据权利要求2所述的基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于，所述每个局部坐标系统oixiyizi与所述全局坐标系统oxyz的关系以及和oixiyizi的关系确定方法如下：
假设初始状态为局部坐标系与全局坐标系重合，将应变梁相对初始位置沿着x旋转再沿着y旋转再沿着z旋转然后沿着xyz坐标轴分别平移
每个局部坐标系统oixiyizi与全局坐标系统oxyz的关系都用三个旋转角度和三个平移距离来表示，记为和同理，和oixiyizi也同样用三个旋转角度和三个平移距离来表示，记为和


4.根据权利要求2所述的基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法和权利要求3所述的坐标系之间的关系，其特征在于，所述Rot(·)指坐标旋转，S(ri)和S(li)分别代表矢量ri和li对应的反对称算子。


5.根据权利要求2、3或4所述的基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于，所述负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿测量轴线的局部变形位移通过支撑平台和负载平台之间布置的微位移测量传感器获得，具体过程如下：
a、针对六维力传感器的微位移测量传感器测量负载平台在外力作用下的各个方向的微位移：
负载平台位移的测量采用电学微位移传感器或光学微位移传感器：
建立附着于微位移传感器上的位移传感器局部坐标系统，位移传感器测量的发生位移的方向为局部坐标系统xj轴；测量出沿位移传感器局部坐标系统xj轴的负载平台位移；
位移传感器在位移传感器局部坐标系下与在全局坐标系下的位移关系为
具体针对沿局部坐标系统xj轴微位移，上述变换关系具体写为：



方程中sβ＝sin(β)，cβ＝cos(β)，上式即为全局坐标系原点与位移传感器局部坐标系原点的位移协调关系方程，该方程进一步简写为：



式中，分别为方程系数，可见这些系数完全由和确定，由位移传感器测量得出；该方程称为沿局部坐标系统xj轴方向的协调关系方程；
当有6个以上的传感器，即j≥6时，则由上述协调关系方程组成方程组，方程组称为负载平台微位移求解方程组，每一个由传感器直接测量得到，进而获得负载平台六个自由度的微位移；
b、针对三维力传感器的微位移测量传感器测量负载平台在外力作用下的各个方向的微位移，协调关系方程写为：



当有3个以上的传感器时，则列出负载平台微位移求解方程组，每一个都由传感器直接测量得到，进而得到负载平台的位移。


6.根据权利要求2、3或4所述的基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于所述负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿测量轴线的局部变形位移通过弹性敏感元件上粘贴有的应变片实现获得，具体过程如下：
采用应变片时，应变片对称粘贴于四个应变梁侧面或者两个相对的应变梁侧面；
则应变梁沿其自身局部坐标系统的xi轴的拉伸力由以下差动电路获得，只用两个相对的侧面的应变片求得应变梁沿xi的拉伸力或者采用四个侧面的应变片求得，即对两组相对的侧面确定的求平均值；
应变梁的柔度系数已知，沿xi轴的拉伸柔度系数为E为弹性模量，Ai为应变梁横截面面积，li是应变梁长度；或者，采用有限元分析方法或者试验方式测量确定则应变梁沿xi轴的拉伸变形为
如果将负载平台和支撑平台都视为刚体，则负载平台与支撑平台之间沿局部坐标系统xi轴的位移视为等于上述应变梁沿xi轴的拉伸变形；从而获得负载平台六个自由度的位移；
如果考虑负载平台和支撑平台的柔度，由于负载平台和支撑平台在xi轴柔度均为已知有Ai是应变梁的截面面积，μ是泊松比；或者，采用有限元分析方法或者试验方式测量确定则负载平台与支撑平台之间沿局部坐标系统xi轴的位移为从而获得负载平台六个自由度的位移。


7.基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立附着于支撑平台上的全局坐标系统；
分别建立基于应变梁和位移传感器的局部坐标系统，建立之后应变梁和位移传感器分别对应的局部坐标系统不随应变梁和位移传感器运动；
根据空间矢量变换法则建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，包括广义力变换关系、广义变形位移变换关系和位移传感器变换关系；
所述的广义力包括力和力矩，所述广义变形位移包括直线位移和转角位移；
根据理论力学、材料力学和弹性力学建立局部坐标系统下的应变梁、支撑平台及负载平台的变形...

【专利技术属性】
技术研发人员：马洪文，邢宇卓，
申请(专利权)人：马洪文，邢宇卓，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23