多维力传感器的负载平台微位移测量方法及测量敏感元件的安装方法技术

多维力传感器的负载平台微位移测量方法及测量敏感元件的安装方法，属于传感器测量技术领域。为了解决六维力传感器测量过程中的负载平台微位移高精度测量问题。本发明专利技术的负载平台微位移测量方法，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；采用空间矢量变换，建立每一个微位移传感器的局部微位移和/或应变梁的局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组；从协调关系方程组中抽取右侧可实际获得可观测量的方程，建立负载平台微位移求解方程组，求解该方程组，得到负载平台微位移，另外通过负载平台微位移求解方程组可以建立可观测量刚度矩阵；主要用于负载平台微位移测量。

【技术实现步骤摘要】
多维力传感器的负载平台微位移测量方法及测量敏感元件的安装方法
本专利技术属于传感器测量
，涉及多维力传感器负载平台微位移测量方法及测量敏感元件的安装方法。
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。在航空航天领域、机器人领域等，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，而大型六维力传感器主要采用Stewart并联结构式，压电晶体式主要用于高频动态测量领域，无摩擦导轨包括气浮和磁悬浮等方式，由于结构体积太大应用极少。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，但结构刚度很小，且由于柔性体部分的耦合影响，精度一般不超过2％。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。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，转矩由多组测力进行推算，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。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、弹性等元器件进行更好的替代，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，真正的商品化力控机器人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，所有真正商用化的手术机器人都放弃了采用六维力传感器而只采用图像传感器。所以目前的多维力传感器精度低，以及目前没有一种高精度的多维力获取方法。而获取高精度多维力的的一个重要步骤为多维力传感器的负载平台微位移高精度测量方法，该测量方法中测量敏感元件的安装方法至关重要，采用该方法获得高精度负载平台微位移后可用于计算多维力，其计算多维力精度可以小于1‰。
技术实现思路
本专利技术为了解决六维力传感器测量过程中的负载平台微位移高精度测量问题及为实现微位移高精度测量的测量敏感元件的安装问题。多维力传感器的负载平台微位移测量方法，包括以下步骤：所述多维力传感器包括支撑平台和负载平台，负载平台和支撑平台之间设置并联杆系；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微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和广义变形位移变换关系；所述广义力简称力，所述广义变形位移简称微位移；所述的广义力包括力和力矩，所述的广义变形位移包括直线位移和转角位移；(A)多维力为六维力时，广义力包括3个力和3个力矩，广义变形位移包括3个直线位移和3个转角位移；根据微位移传感器的局部坐标系统和/或应变梁的局部坐标系统与全局坐标系统的关系，采用空间矢量变换，即广义变形位移变换方式，建立每一个微位移传感器的局部微位移和/或应变梁的局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组；该方程的特点是方程组的左侧变量均为全局坐标系统下负载平台的六个广义变形位移，包括3个直线位移和3个转角位移，方程组的右侧变量均为局部坐标系统下的六个广义变形位移中的一个，即其中的一个直线位移或一个转角位移；根据所述的协调关系方程组，从协调关系方程组中抽取右侧可观测量能够实际获得的方程，建立负载平台微位移求解方程组，该方程的特点是左侧变量均为全局坐标系统下负载平台的六个广义变形位移，方程组的右侧变量均为能够在局部坐标系统中通过测量敏感元件测量得到的可观测量；所述测量敏感元件包括微位移传感器、应变片、压电晶体中的一种或多种；所述将测量敏感元件的安装方式布置为局部坐标系统下只对沿/绕某一个或几个轴敏感，而对沿/绕其它轴不敏感的布置方式，且当具有几个敏感轴时，不同敏感轴之间呈现解耦关系；当出现空间六维位移时，通过测量敏感元件只测量沿/绕敏感轴的直线位移或转角位移，而非敏感轴微位移对测量敏感元件不起作用，即可以将测量敏感元件测量结果作为可观测量，这也保证了所述的负载平台微位移求解方程组每个方程的右侧一定为可以通过测量敏感元件得到的可观测量；当所述的负载平台微位移求解方程组中方程数量大于等于六个，且保证该方程组为非病态方程组时，即可求解该方程组，得到负载平台六个广义变形位移，即负载平台微位移；(B)多维力为平面三维力时，广义力包括2个力和1个力矩，广义变形位移包括2个直线位移和1个转角位移；将所有的测量敏感元件安装方式布置为平面测量方式，测量方式与六维力相同；当所述的负载平台微位移求解方程组中方程数量大于等于三个，且保证该方程组为非病态方程组时，即可求解该方程组，得到负载平台三个广义变形位移，即负载平台微位移。得到负载平台微位移的目的是可以利用负载平台微位移进一步求解每一根应变梁的所有局部广义位移，更进一步求解每一根应变梁的局部广义力，并最终可以通过力变换后求和的方式得到六维力传感器所受的六维力。进一步地，所述协调关系方程组的确定过程如下：采用空间矢量变换方式建立每一个微位移传感器和应变梁的局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组；所述的应变梁包括粘贴应变片式应变梁和压电晶体式应变梁，所述的协调关系方程组分别为和(A)当传感器为六维力传感器时，上式中的为负载平台在全局坐标系统oxyz(即g)下与坐标原点o重合矢量点的微位移，分别为沿/绕x、y、z轴的直线位移和转角位移；和分别为在传感器和应变梁局部坐标系统ojxjyjzi(即j)和oixiyizi(即i)下与相应局部坐标原点oj和oi重合矢量点的微位移，和分别为沿/绕自身局部坐标xj/xi、yj/yi、zj/zi轴的直线位移和转角位移；和分别指将全局坐标系统oxyz下的微位移矢量变换到局部坐标系统ojxjyjzi和oixiyizi下的微位移矢量和的空间矢量变换；所述的空间矢量变换与传感器和应变梁的局部坐标系统在全局坐标系统中的位置参数和相关，其中和分别表示传感器和应变梁局部坐标系统原点与全局坐标系原点的距离，和分别表示传感器和应变梁局部坐标系统三个轴与全局坐标系统三个轴的夹角，j和i分别表示第j个传感器和第i根应变梁，当共有M个传感器和N个应变梁时，j＝1,2,…,M，i＝1,2,…,N；则对传感器，Rot(βj)代表绕坐标轴旋转变换，其可以表达为：指分别绕x、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多维力传感器的负载平台微位移测量方法，所述多维力传感器包括支撑平台和负载平台，负载平台和支撑平台之间设置并联杆系；/n其特征在于，所述方法包括以下步骤：/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微位移传感器的局部坐标系统；/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和广义变形位移变换关系；所述广义力简称力，所述广义变形位移简称微位移；所述的广义力包括力和力矩，所述的广义变形位移包括直线位移和转角位移；/n(A)多维力为六维力时，/n根据微位移传感器的局部坐标系统和/或应变梁的局部坐标系统与全局坐标系统的关系，采用空间矢量变换，建立每一个微位移传感器的局部微位移和/或应变梁的局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组；该方程的特点是方程组的左侧变量均为全局坐标系统下负载平台的六个广义变形位移，方程组的右侧变量均为局部坐标系统下的六个广义变形位移中的一个，即其中的一个直线位移或一个转角位移；/n根据所述的协调关系方程组，从协调关系方程组中抽取右侧可观测量可以实际获得的方程，建立负载平台微位移求解方程组，该方程的特点是左侧变量均为全局坐标系统下负载平台的六个广义变形位移，方程组的右侧变量均为能够在局部坐标系统中通过测量敏感元件测量得到的可观测量；所述测量敏感元件包括微位移传感器、应变片、压电晶体中的一种或多种；/n所述将测量敏感元件的安装方式布置为局部坐标系统下只对沿/绕某一个或几个轴敏感，而对沿/绕其它轴不敏感的布置方式，且当具有几个敏感轴时，不同敏感轴之间呈现解耦关系；当出现空间六维位移时，通过测量敏感元件只测量沿/绕敏感轴的直线位移或转角位移，将测量敏感元件测量结果作为可观测量；/n当所述的负载平台微位移求解方程组中方程数量大于等于六个，且保证该方程组为非病态方程组时，即可求解该方程组，得到负载平台六个广义变形位移，即负载平台微位移；/n(B)多维力为平面三维力时，将所有的测量敏感元件安装方式布置为平面测量方式，测量方式与六维力相同；当所述的负载平台微位移求解方程组中方程数量大于等于三个，且保证该方程组为非病态方程组时，即可求解该方程组，得到负载平台三个广义变形位移，即负载平台微位移。/n...

【技术特征摘要】
1.多维力传感器的负载平台微位移测量方法，所述多维力传感器包括支撑平台和负载平台，负载平台和支撑平台之间设置并联杆系；
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
建立附着于支撑平台上的全局坐标系统；
分别建立基于应变梁和微位移传感器的局部坐标系统；
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和广义变形位移变换关系；所述广义力简称力，所述广义变形位移简称微位移；所述的广义力包括力和力矩，所述的广义变形位移包括直线位移和转角位移；
(A)多维力为六维力时，
根据微位移传感器的局部坐标系统和/或应变梁的局部坐标系统与全局坐标系统的关系，采用空间矢量变换，建立每一个微位移传感器的局部微位移和/或应变梁的局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组；该方程的特点是方程组的左侧变量均为全局坐标系统下负载平台的六个广义变形位移，方程组的右侧变量均为局部坐标系统下的六个广义变形位移中的一个，即其中的一个直线位移或一个转角位移；
根据所述的协调关系方程组，从协调关系方程组中抽取右侧可观测量可以实际获得的方程，建立负载平台微位移求解方程组，该方程的特点是左侧变量均为全局坐标系统下负载平台的六个广义变形位移，方程组的右侧变量均为能够在局部坐标系统中通过测量敏感元件测量得到的可观测量；所述测量敏感元件包括微位移传感器、应变片、压电晶体中的一种或多种；
所述将测量敏感元件的安装方式布置为局部坐标系统下只对沿/绕某一个或几个轴敏感，而对沿/绕其它轴不敏感的布置方式，且当具有几个敏感轴时，不同敏感轴之间呈现解耦关系；当出现空间六维位移时，通过测量敏感元件只测量沿/绕敏感轴的直线位移或转角位移，将测量敏感元件测量结果作为可观测量；
当所述的负载平台微位移求解方程组中方程数量大于等于六个，且保证该方程组为非病态方程组时，即可求解该方程组，得到负载平台六个广义变形位移，即负载平台微位移；
(B)多维力为平面三维力时，将所有的测量敏感元件安装方式布置为平面测量方式，测量方式与六维力相同；当所述的负载平台微位移求解方程组中方程数量大于等于三个，且保证该方程组为非病态方程组时，即可求解该方程组，得到负载平台三个广义变形位移，即负载平台微位移。


2.根据权利要求1所述的多维力传感器的负载平台微位移测量方法，其特征在于，所述协调关系方程组的确定过程如下：
采用空间矢量变换方式建立每一个微位移传感器和应变梁的局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组；所述的应变梁包括粘贴应变片式应变梁和压电晶体式应变梁，所述的协调关系方程组分别为和
(A)当传感器为六维力传感器时，

为负载平台在全局坐标系统oxyz下与坐标原点o重合矢量点的微位移，分别为沿/绕x、y、z轴的直线位移和转角位移；和分别为在传感器和应变梁局部坐标系统ojxjyjzi和oixiyizi下与相应局部坐标原点oj和oi重合矢量点的微位移，和分别为沿/绕自身局部坐标xj/xi、yj/yi、zj/zi轴的直线位移和转角位移；和分别指将全局坐标系统oxyz下的微位移矢量变换到局部坐标系统ojxjyjzi和oixiyizi下的微位移矢量和的空间矢量变换；
微位移传感器局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组可以具体写为：



方程组中sβ＝sin(β)，cβ＝cos(β)；
该方程组可以进一步简化写为：



简化方程组的所有参数a，包括均由相应第j个微位移传感器的位置参数rj及βj获得；其中：



应变梁局部微位移与负载平台全局微位移的协调关系方程组与上述方程组描述形式相同；...

【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