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基于虚拟仪器的六维力传感器标定系统研究
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2016-12-22

一、概述

六维力传感器是机器人最重要的力觉传感器。受制造原理和加工工艺以及应变片贴片准确度等因素的影响,六维力传感器存在着较大的维间干扰即耦合误差。针对目前六维力传感器标定中存在的加载准确度不高、测量误差大、标定系统集成度不足等问题,笔者实验室设计了一种一次装夹下完成对六维力传感器各特征方向进行双向标定的标定系统,并运用虚拟仪器技术开发了能够显示、分析、保存动态数据曲线的分析软件。

二、标定系统组成

研制的六维力传感器标定系统主要由实验台、加载系统、数据采集、分析软件4部分组成。系统组成如图1所示,六维力传感器安装在标定台上,通过加载系统实现对六维力传感器分别加载FxFyFzMxMyMz6个方向的标定载荷,传感器将作用其上的力信号转变为电信号,通过放大、滤波、隔离等处理后,由数据采集系统采集转换成数字信号送至上位机,分析软件能够实现实时数据曲线显示、数据分析处理、存储输出等功能。

<CTSM> 图1 系统组成框图</CTSM>

三、系统构造

1.硬件设计

在六维力传感器标定中,能否准确加载6个方向的单维力/力矩是影响其标定结果准确性的关键因素。在3个轴向力加载时作用力的作用点与基准面原点应该重合,作用力的方向与坐标轴方向应该一致;在3个力矩加载时,作用力应该与基准面重合。目前,传统的六维力传感器标定系统存在作用力方向和位置偏差较大的特征。针对这种不足,本文研制了一种主要由工作台面、回转工作台、横梁、支架组以及定滑轮组等组成的标定实验台,如图2所示。工作台面上具有3路互相垂直的T型槽,以使用带有螺纹孔T型块能够在槽内滑动,并与螺栓配合将支架等部件安装固定在工作台面上。待标定的六维力传感器安装在回转工作台中心,其上端安装有载荷加载盘。支架系统安装在工作台四周,其横向支架可根据需要上下移动。标定时,细绳一端与加载环相连,另一端绕过支架上相应的定滑轮与标准砝码相连,从而实现对六维力传感器对应特征方向加载标定载荷。通过旋转回转工作台可以实现对六维力传感器双向标定,细绳中装有标准力传感器,其示值为实际标定载荷,有效避免传统标定中忽略了细绳与定滑轮间的摩擦力,而直接将标定载荷等效于砝码重力带来的误差。为保证实验结果准确可靠,标定实验前还需对标定实验台进行校准,主要校准载荷力的方向与作用点。以Fx方向校准为例,首先使用水平仪调整工作台面位置水平,然后通过高度千分尺调整定滑轮高度与传感器基准面在同一高度上,最后将调整吊锤放置于对应的定滑轮上,观察并使用回转工作台调整直线过基准面原点,且方向与X轴重合,从而有效保证标定力的方向和位置准确。

根据六维力传感器和标准传感器输出信号为微弱差分信号的特征,设计高增益的放大电路,然后由有源低通滤波器滤波处理,并经数据采集卡采集转换送至上位计,为避免传输过程中信号受到干扰,使传感器直接与放大电路相连。NI USB-6210多功能采集卡是一款USB总线供电M系列多功能外挂式数据采集模块,具有16路模拟输入、250ks/s单通道采样率,每个模拟输入通道有4个电压输入范围(±0.2V~±10V)可以选择,完全满足系统设计要求,与NI推出虚拟仪器开发软件LabVIEW相配合,使用软件提供的驱动程序和专用控件能够大大提高开发效率。

2.软件设计

采集分析软件在LabVIEW开发平台上设计,标定实验时,采集分析软件采集六维力传感器和标准力传感器的实时信号,并进行显示、分析、保存等处理。该软件能够实现同时采集8通道的输入信号,具有信号滤波等处理的功能,能够在波形图中显示信号曲线,具有自动保存数据和抓取数据等功能,程序流程如图3所示。六维力传感器静态标定数据采集分析软件由配置模块和显示模块组成。通过配置模块配置硬件参数、数据处理参数、曲线图显示参数。其中硬件配置参数包括通道选择、采样频率以及电压输入范围;数据处理配置参数包括滤波方式、六维力传感器系数、标准传感器系数;曲线图配置参数包括采样点个数、电压范围、压力范围。完成相关参数配置后,启动标定系统,数据采集分析软件同时采集六维力传感器输出的6路信号,以及2路标准传感器的输出信号。采样数据根据通道以追加方式写入标定数据,同时将该数据文件存储到指定位置,从而可以获得每个通道在整个标定实验中的输出信号。其后打开相应的数据文件,对数据进行分析处理,最终获得所需的标定结果。

<CTSM> 图3 程序流程图</CTSM>

四、结束语

本文设计的基于虚拟仪器的六维力传感器标定系统,能够实现一次装夹下依次完成对六维力传感器6个特征方向的准确加载。通过使用标准力传感器、旋转回转工作台等,有效避免了摩擦力及单向加载引起的误差。通过与虚拟仪器技术相结合,设计出易于操作,具有良好人机交互体验的分析软件,极大提高了标定效率。试验表明,本文研制的标定系统能够满足对六维力传感器的标定要求,获取的标定结果准确可靠。

摘自:中国计量报


【关键词】虚拟仪器,六维力传感器,奥科官网,北京世纪奥科 

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