双模式六维力/力矩传感器标定装置论文和设计-张世忠

全文摘要

本实用新型涉及一种双模式六维力\/力矩传感器标定装置，属于传感器标定领域。双模式为一般标定模式和Z向力矩标定模式；标定支架安装在标定底座上，标定支架两侧分别安装上滑轮组件、下滑轮组件，标定支架的横梁中部安装一个滑轮A；传感器竖直安装在标定底座上、力\/力矩加载臂通过螺栓连接在传感器上构成所述的一般标定模式；或者通过U型支架、Z向力矩加载臂水平安装在标定支架上构成所述的Z向力矩标定模式。结构简单、操作简便、加载力值稳定、精度高、通用性好等优点，能够对各个方向单维力\/力矩进行单独标定，又能对各个方向的力矩进行复合加载，同时整体采用纯机械结构避免电磁干扰对标定精度的影响。

主设计要求

1.一种双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：双模式为一般标定模式和Z向力矩标定模式；包括标定底座（1）、标定支架（2）、上滑轮组件（3）、下滑轮组件（4）、力\/力矩加载臂（5），所述标定支架（2）安装在标定底座（1）上，标定支架（2）两侧分别安装上滑轮组件（3）、下滑轮组件（4），标定支架（2）的横梁中部安装一个滑轮A（6）；传感器（7）竖直安装在标定底座（1）上、力\/力矩加载臂（5）通过螺栓连接在传感器（7）上构成所述的一般标定模式；或者通过U型支架（8）、Z向力矩加载臂（9）水平安装在标定支架（2）上构成所述的Z向力矩标定模式。

设计方案

1.一种双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：双模式为一般标定模式和Z向力矩标定模式；包括标定底座（1）、标定支架（2）、上滑轮组件（3）、下滑轮组件（4）、力\/力矩加载臂（5），所述标定支架（2）安装在标定底座（1）上，标定支架（2）两侧分别安装上滑轮组件（3）、下滑轮组件（4），标定支架（2）的横梁中部安装一个滑轮A（6）；

传感器（7）竖直安装在标定底座（1）上、力\/力矩加载臂（5）通过螺栓连接在传感器（7）上构成所述的一般标定模式；或者通过U型支架（8）、Z向力矩加载臂（9）水平安装在标定支架（2）上构成所述的Z向力矩标定模式。

2.根据权利要求1所述的双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：所述的标定底座（1）设置有传感器连接孔A（101）、标定支架连接孔（102）；标定底座（1）底面设置U型槽（103），U型槽内设螺纹孔，为调整螺栓B（403）预留安装空间，通过调整螺栓B（403）与螺纹孔的相对运动实现对下滑轮组件（4）的位置调整；

所述的标定支架（2）上设有U型支架连接孔（201）、标定支架安装孔（202）、上滑轮组件调整孔（203）、下滑轮组件调整孔（205）、长圆孔（207）、方形通孔（209）、通孔A（210）及横梁滑轮安装孔（212），其中横梁滑轮安装孔（212）为滑轮A（6）提供支撑，并使力\/力矩加载臂（5）与滑轮A（6）间的钢丝绳与力\/力矩加载臂（5）的轴线重合。

3.根据权利要求1所述的双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：所述的上滑轮组件（3）包括调整螺栓A（303）、调整架A（305）、滑轮B（307）、滑轮C（308），所述上滑轮组件（3）通过调整螺栓A（303）与调整架A（305）的相对运动，带动上滑轮组件（3）整体在上滑轮组件调整孔（203）内滑动，实现滑轮B（307）、滑轮C（308）位置的调整；

所述的滑轮组件（4）包括调整螺栓B（403）、调整架B（405）、滑轮D（407），所述下滑轮组件（4）通过调整螺栓B（403）与调整架B（405）的相对运动，带动下滑轮组件（4）整体在下滑轮组件调整孔（205）内滑动，实现滑轮D（407）位置的调整。

4.根据权利要求1所述的双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：所述的力\/力矩加载臂（5）包括四个通孔B（501）、上螺栓A（505）、下螺栓A（506）、凹槽A（507）、凹槽B（508）、凹槽C（509）、凹槽D（510）及传感器连接孔B（511），其中上螺栓A（505）、下螺栓A（506）实现钢丝绳一端的紧固。

5.根据权利要求1所述的双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：所述的U型支架（8）整体为U型，为传感器（7）的安装预留空间，并实现Z向力矩的加载；通过U型支架连接孔（201）安装于标定支架（2）中部，传感器（7）水平安装于U型支架（8）内部。

6.根据权利要求1所述的双模式六维力\/力矩传感器标定装置，其特征在于：所述的Z向力矩加载臂（9）包括连接孔（901）、上螺栓B（902）、下螺栓B（903），Z向力矩加载臂（9）安装于传感器（7）的受力端，且处于上滑轮组件（3）、下滑轮组件（4）的滑轮滑道切线构成的平面内，上螺栓B（902）、下螺栓B（903）实现钢丝绳一端的紧固。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及传感器标定领域，特别涉及一种双模式六维力\/力矩传感器标定装置，适用于六维力\/力矩传感器的标定。

背景技术

六维力传感器是一种能够同时感知空间笛卡尔坐标系中的三维力信息和三维力矩信息的传感器。广泛应用于航空航天、制造与装配、体育竞技以及遥操作机器人等领域。六维力传感器由于制造、装配、贴片误差及电路噪声干扰等影响，造成六维力\/力矩传感器的输入力值与输出值之间的关系不确定。需要通过标定实验来检测六维力传感器的实际性能指标，目的在于确定输入与输出之间的关系。标定装置在六维力传感器的整个研制过程中占有重要的地位。

目前，六维力\/力矩传感器标定装置的加载力方式主要有千斤顶式、液压式、手摇减速机式、砝码式等。其中千斤顶式、液压式、手摇减速机式由于本身加载力值不稳定、加载精度差应用场合较少，普遍采用砝码式加载。中国专利申请公布号为：CN101936797A公开了一种采用砝码加载的方式对六维力传感器进行标定，该装置依然无法实现对六维力\/力矩传感器进行单维力\/力矩施加载荷。中国专利申请公布号为：CN103604561B、CN103528755B公开了可实现单维力\/力矩施加载荷加载的六维力\/力矩传感器标定装置，但两装置同时存在装置复杂、体积大、装配要求高，且由于采用电机驱动工作台对标定有一定电磁干扰的问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种双模式六维力\/力矩传感器标定装置，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型通过砝码加载，能够对各个方向单维力\/力矩进行单独标定，又能对各个方向的力矩进行复合加载，同时整体采用纯机械结构避免电磁干扰对标定精度的影响。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

双模式六维力\/力矩传感器标定装置，双模式为一般标定模式和Z向力矩标定模式；标定装置结构包括标定底座1、标定支架2、上滑轮组件3、下滑轮组件4、力\/力矩加载臂5，所述标定支架2安装在标定底座1上，标定支架2两侧分别安装上滑轮组件3、下滑轮组件4，标定支架2的横梁中部安装一个滑轮A6；

传感器7竖直安装在标定底座1上、力\/力矩加载臂5通过螺栓连接在传感器7上构成所述的一般标定模式；或者通过U型支架8、Z向力矩加载臂9水平安装在标定支架2上构成所述的Z向力矩标定模式。

所述的标定底座1设置有传感器连接孔A101、标定支架连接孔102；标定底座1底面设置U型槽103，U型槽内设螺纹孔，为调整螺栓B403预留安装空间，利用调整螺栓403与螺纹孔的相对运动实现对下滑轮组件4的位置调整；

所述的标定支架2上设有U型支架连接孔201、标定支架安装孔202、上滑轮组件调整孔203、下滑轮组件调整孔205、长圆孔207、方形通孔209、通孔A210及横梁滑轮安装孔212，其中横梁滑轮安装孔212为滑轮A6提供支撑，并使力\/力矩加载臂5与滑轮6间的钢丝绳与力\/力矩加载臂5的轴线重合。

所述的上滑轮组件3包括调整螺栓A303、调整架A305、滑轮B307、滑轮C308，所述上滑轮组件3通过调整螺栓A303与调整架305的相对运动，带动上滑轮组件3整体在上滑轮组件调整孔203内滑动，实现滑轮B307、滑轮C308位置的调整；

所述的滑轮组件4包括调整螺栓B403、调整架B405、滑轮D407，所述下滑轮组件4通过调整螺栓B403与调整架B405的相对运动，带动下滑轮组件4整体在下滑轮组件调整孔205内滑动，实现滑轮D407位置的调整。

所述的力\/力矩加载臂5包括四个通孔B501、上螺栓A505、下螺栓A506、凹槽A507、凹槽B508、凹槽C509、凹槽D510及传感器连接孔B511，其中上螺栓A505、下螺栓A506实现钢丝绳一端的紧固。

所述的U型支架8整体为U型，为传感器7的安装预留空间，并实现Z向力矩的加载；通过U型支架连接孔201安装于标定支架2中部，传感器7水平安装于U型支架8内部。

所述的Z向力矩加载臂9包括连接孔901、上螺栓B902、下螺栓B903，Z向力矩加载臂9安装于传感器7的受力端，且处于上滑轮组件3、下滑轮组件4的滑轮滑道切线构成的平面内，上螺栓B902、下螺栓B903实现钢丝绳一端的紧固。

本实用新型的有益效果在于：整体采用纯机械结构，避免了使用电机及其相关部件造成的体积大、结构复杂，同时避免了电机的电磁干扰对标定精度的影响；整体结构紧凑、结构简单、操作简便、加载力值稳定、精度高、通用性好；通过砝码加载，能够对各个方向单维力\/力矩进行单独标定，又能对各个方向的力矩进行复合加载，通过对实验数据进行分析，获得其静态性能指标，最后对产生误差的原因进行分析，对于六维力传感器设计改进有着重要意义；为建立六维力传感器计量标准和量值溯源提供参考。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型装置的一般标定模式结构示意图；

图2为本实用新型装置的Z向力矩标定模式结构示意图；

图3为本实用新型装置的标定底座结构示意图；

图4为本实用新型装置的标定支架结构示意图；

图5为本实用新型装置的上滑轮组件、下滑轮组件及其调整架结构示意图；

图6为本实用新型装置的力\/力矩加载臂结构示意图；

图7为本实用新型装置的U型支架结构示意图；

图8为本实用新型装置的Z向力矩加载臂结构示意图；

图9为本实用新型装置的力值F<\/i>_{X<\/i><\/sub>、F<\/i>Y<\/i><\/sub>方向标定示意图；}

图10为本实用新型装置的力值F<\/i>_{Z<\/i><\/sub>方向标定示意图；}

图11为本实用新型装置的力矩M<\/i>_{X<\/i><\/sub>、M<\/i>Y<\/i><\/sub>方向标定示意图；}

图12为本实用新型装置的力矩M<\/i>_{Z<\/i><\/sub>方向标定示意图。}

图中：1、标定底座；101、传感器连接孔A；102、标定支架连接孔；103、U型槽；2、标定支架；201、U型支架连接孔；202、标定支架安装孔；203、上滑轮组件调整孔；205、下滑轮组件调整孔；207、长圆孔；209、方形通孔；210、通孔A；212、横梁滑轮安装孔；3、上滑轮组件；303、调整螺栓A；305、调整架A；307、滑轮B；308、滑轮C；4、下滑轮组件；403、调整螺栓B；405、调整架B；407、滑轮D；5、力\/力矩加载臂；501、通孔B；505、上螺栓A；506、下螺栓A；507、凹槽A；508、凹槽B；509、凹槽C；510、凹槽D；511、传感器连接孔B；6、滑轮A；7、传感器；8、U型支架；9、Z向力矩加载臂；901、连接孔；902、上螺栓B；902、下螺栓B。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1及图2所示，本实用新型的双模式六维力\/力矩传感器标定装置，双模式为一般标定模式和Z向力矩标定模式；标定装置结构包括标定底座1、标定支架2、上滑轮组件3、下滑轮组件4、力\/力矩加载臂5，所述标定支架2安装在标定底座1上，标定支架2两侧分别安装上滑轮组件3、下滑轮组件4，标定支架2的横梁中部安装一个滑轮A6；

传感器7竖直安装在标定底座1上、力\/力矩加载臂5通过螺栓连接在传感器7上构成所述的一般标定模式；或者通过U型支架8、Z向力矩加载臂9水平安装在标定支架2上构成所述的Z向力矩标定模式。

参见图3所示，所述的标定底座1设置有传感器连接孔A101、标定支架连接孔102；标定底座1底面设置U型槽103，U型槽内设螺纹孔，为调整螺栓B403预留安装空间，利用调整螺栓403与螺纹孔的相对运动实现对下滑轮组件4的位置调整；

参见图4所示，所述的标定支架2上设有U型支架连接孔201、标定支架安装孔202、上滑轮组件调整孔203、下滑轮组件调整孔205、长圆孔207、方形通孔209、通孔A210及横梁滑轮安装孔212，其中横梁滑轮安装孔212为滑轮A6提供支撑，并使力\/力矩加载臂5与滑轮6间的钢丝绳与力\/力矩加载臂5的轴线重合。

参见图5所示，所述的上滑轮组件3包括调整螺栓A303、调整架A305、滑轮B307、滑轮C308，所述上滑轮组件3通过调整螺栓A303与调整架305的相对运动，带动上滑轮组件3整体在上滑轮组件调整孔203内滑动，实现滑轮B307、滑轮C308位置的调整。

所述的滑轮组件4包括调整螺栓B403、调整架B405、滑轮D407，所述下滑轮组件4通过调整螺栓B403与调整架B405的相对运动，带动下滑轮组件4整体在下滑轮组件调整孔205内滑动，实现滑轮D407位置的调整。

参见图6所示，所述的力\/力矩加载臂5包括四个通孔B501、上螺栓A505、下螺栓A506、凹槽A507、凹槽B508、凹槽C509、凹槽D510及传感器连接孔B511，其中上螺栓A505、下螺栓A506实现钢丝绳一端的紧固。

参见图7所示，所述的U型支架8整体为U型，为传感器7的安装预留空间，并实现Z向力矩的加载；通过U型支架连接孔201安装于标定支架2中部，传感器7水平安装于U型支架8内部。

参见图8所示，所述的Z向力矩加载臂9包括连接孔901、上螺栓B902、下螺栓B903，Z向力矩加载臂9安装于传感器7的受力端，且处于上滑轮组件3、下滑轮组件4的滑轮滑道切线构成的平面内，上螺栓B902、下螺栓B903实现钢丝绳一端的紧固。

参见图1至图12所示，力值加载及数据采集

1.1、在一般标定模式下，将钢丝绳一端连接于下螺栓A506并将螺母旋入拧紧，将钢丝绳紧固，穿过力\/力矩加载臂的凹槽A507、标定支架的长圆孔207，绕过下滑轮组件4中的滑轮D407并竖直向下延伸，调节调整螺栓B403使力\/力矩加载臂5至下滑轮组件4之间的钢丝绳位置水平，在钢丝绳竖直方向末端加载不同质量砝码，记录加载力值与六维力\/力矩传感器的六通道输出值，完成F<\/i>_{X<\/i><\/sub>正、负方向的力值加载及数据采集；}

1.2、将传感器顺时针旋转90°安装，重复步骤1.1，完成F<\/i>_{Y<\/i><\/sub>正、负方向的力值加载及数据采集；}

1.3、在一般标定模式下，将钢丝绳一端连接于上螺栓A505并将螺母旋入拧紧，将钢丝绳紧固，穿过标定支架的方形通孔209，绕过滑轮A6水平延伸，继续绕过上滑轮组件3中的滑轮B307并竖直向下延伸，调节调整螺栓B403使滑轮A6至上滑轮组件3之间的钢丝绳位置水平，在钢丝绳竖直方向末端加载不同质量砝码，记录加载力值与六维力\/力矩传感器的六通道输出值，完成F<\/i>_{Z<\/i><\/sub>正方向的力值加载及数据采集；}

1.4、在一般标定模式下，卸掉力\/力矩加载臂5，在传感器7受力端中心直接加载砝码，记录加载力值与六维力\/力矩传感器的六通道输出值，完成F<\/i>_{Z<\/i><\/sub>正方向的力值加载及数据采集。}

力矩加载及数据采集

2.1、在一般标定模式下，将钢丝绳一端连接于上螺栓A505并将螺母旋入拧紧，将钢丝绳紧固，依次穿过力\/力矩加载臂的通孔B501、标定支架的通孔A210，绕过上滑轮组件3中的滑轮C308并竖直向下延伸，调节调整螺栓B403使力\/力矩加载臂5至上滑轮组件3之间的钢丝绳位置水平；取另一钢丝绳，将钢丝绳一端连接于下螺栓A506并将螺母旋入拧紧，将钢丝绳紧固，穿过力\/力矩加载臂的凹槽C509、标定支架的长圆孔207，绕过下滑轮组件4中的滑轮D407并竖直向下延伸，调节调整螺栓B403使力\/力矩加载臂5至下滑轮组件4之间的钢丝绳位置水平；在两条钢丝绳竖直方向末端同时加载等重量砝码，依次改变砝码重量，记录加载力值与六维力\/力矩传感器的六通道输出值，完成M<\/i>_{Y<\/i><\/sub>正、负方向的力矩加载及数据采集；}

2.2、将传感器顺时针旋转90°安装，重复步骤2.1，完成M<\/i>_{X<\/i><\/sub>正、负方向的力矩加载及数据采集；}

2.3、在Z向力矩标定模式下，将钢丝绳一端连接于上螺栓B902并将螺母旋入拧紧，将钢丝绳紧固，穿过标定支架的通孔A210，绕过上滑轮组件3中的滑轮C308并竖直向下延伸，调节调整螺栓B403使Z向力矩加载臂9至上滑轮组件3之间的钢丝绳位置水平；取另一钢丝绳，将钢丝绳一端连接于下螺栓B903并将螺母旋入拧紧，将钢丝绳紧固，穿过标定支架长圆孔207，绕过下滑轮组件4中的滑轮D407并竖直向下延伸，调节调整螺栓B403使Z向力矩加载臂9至下滑轮组件4之间的钢丝绳位置水平；在两条钢丝绳竖直方向末端同时加载等重量砝码，依次改变砝码重量，记录加载力值与六维力\/力矩传感器的六通道输出值，完成M<\/i>_{Z<\/i><\/sub>正、负方向的力矩加载及数据采集。}

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图