[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

本发明属于传感器测量技术领域，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。

背景技术

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‰。

发明内容

本发明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；