[发明专利]一种用于六维力传感器标定装置的标定方法

说明书

技术领域  本发明涉及自动化领域，特别涉及传感器领域中的一种适用于大量程、大尺寸六维力传感器标定装置的标定方法。

背景技术  六维力传感器能够同时检测三维空间的全力信息，即三维力信息(Fx、Fy、Fz)和三维力矩信息(Mx、My、Mz)，主要应用在力及力/位置控制场合，如轮廓跟踪、精密装配、双手协调、试验系统中的六维力信息检测等，尤其是在航空机器人、宇宙空间站对接仿真、火箭发动机推力测试等领域，大量程六维力传感器发挥了极其重要的作用。

传感器的测量精度是评定传感器最重要的性能指标之一，其误差包括随机误差和系统误差。对于六维力传感器来说，其随机误差主要是由内部信号处理电路、量化误差、外界干扰等因素引起；系统误差则主要是由标定系统的标定精度所决定，六维力传感器由于其本身机械结构的复杂性，以及传感器在制造、粘贴应变片等加工工艺环节存在误差，传感器的各输入输出通道之间存在相互耦合的问题，需要通过标定确定各个方向输入输出的耦合关系，计算其耦合矩阵，并通过解耦补偿各维之间耦合带来的影响。因此传感器标定装置的设计和标定方法的研究至关重要，其标定精度将直接影响其使用时的测量精度。

六维力传感器的标定就是通过对六维力传感器施加空间坐标系中独立的力/力矩，或是线性无关的多个力/力矩，读取六维力传感器在各种状态下标定时的输出，计算得到耦合矩阵。根据实际应用需求，六维力传感器的标定分为静态标定和动态标定，静态标定主要用于检测传感器的静态性能指标，如静态灵敏度、非线性、回差、重复性等；动态标定主要用于检测传感器的动态特性，如动态灵敏度、频率响应和固有频率等。

目前六维力传感器静态标定所采用的加载方式主要有测力环式和砝码式两种。其中测力环式加载采用顶杆方式，由测力环读出加载力值，这种加载允许有较大的加载力，但读数精度较低，高精度的测力环则价格昂贵。砝码式标定是采用等级砝码提供标准加载力，直接用等级砝码作为基准，力值精度较高，在中、小量程六维力传感器的标定中使用比较普遍，但是不适合大量程六维力传感器的标定。

对于大量程六维力传感器的标定装置来说，由于空间尺寸大，要保证足够的标定精度，除了存在材料处理、加工精度保证等方面的困难外，如何实现对各维力/力矩分量的独立加载也是一个棘手的问题。

在现有技术中有多种结构的传感器标定测试装置，专利号为CN1715856的“无级升降式六维力传感器标定装置”和专利号为CN100337105C的“并联六维力传感器标定装置”等，经检索查新，其中专利号为CN100337105C的专利是最接近的专利技术。它具体公开了一种并联六维力传感器标定装置，包括长短框组成的龙门式支撑框架、加载减速机、标准单向力传感器、加载坐标十字架、标定装置固定平台、载荷传递绳索和滑轮组，标定装置采用大速比减速机来施加载荷，采用龙门式结构作支撑框架。

现有技术中的标定装置及标定方法存在着不足之处，其一，标定装置通过调整载荷传递绳索与水平面之间的角度来改变施加载荷的方向，在体积较大或者绳索较长时，调整载荷传递绳索与水平面之间的角度很难保证足够的精度，从而使施加的载荷具有较大的方向误差，将直接影响标定精度；其二，标定装置中采用滑轮来施加载荷，而滑轮具有摩擦力，此摩擦力会造成比较大的加载误差，从而影响标定精度；其三，标定装置中对六维力传感器施加的是复合力/力矩，无法实现对各维力/力矩分量的独立加载。

发明内容  本发明的目的是：避免上述现有技术中六维力传感器标定测试装置及标定方法的不足之处，提供一种使用简单、操作方便、标定精度高的标定方法，适用于大量程、大尺寸六维力传感器的标定和测试。

本发明的技术方案是：

一种用于六维力传感器标定装置的标定方法，特别是：设定标准单维力传感器和第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶、第四千斤顶对分别六维力传感器进行加载，通过加载位置的改变实现各个力/力矩分量的独立加载，加载时，标准单维力传感器前面的加载帽与加载板上的侧面加载孔或正面加载孔刚性接触，通过标准单维力传感器测量实际加载力的大小，该方法是按以下步骤完成的：

先将六维力传感器标定装置安装好，并检测第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶与底座的垂直度，第四千斤顶与千斤顶固定支座的垂直度；

设定重力校准六维力传感器的标定坐标系；

设定第一千斤顶、第二千斤顶、第三千斤顶对六维力传感器的Fx、Fy、Mz进行加载标定，并记录数据；

设定第四千斤顶对六维力传感器的Fz、Mx、My进行加载标定，并记录数据；