基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正

　　1　引　　言

　　六维力/力矩传感器是机器人操作的关键部件。国内外很早就开展了六维力传感器的静态解耦研究。六维力传感器将施加在其上的各方向载荷转化成测量电桥的电压。这种线性转换关系可以描述为F1×6=C6×n·Vn×1。六维力传感器的标定任务就是要通过准确施加各方向已知载荷Fi,并同时记录对应的各路电桥电压信号输出Vi,从而求解出标定矩阵C。标定矩阵C的求解通常采用冗余数据的最小二乘法[1],这样就需要大量的F-V数据。为方便并准确加载,通常采用可以在各个方向独立加载的标定台,此种标定工作台,需要较高的制作精度[2-3]。同时每次加载后变换加载方向需要重新调整工作台,并且需要精心操作,造成加载方向不连续,操作费时费力。采用此种标定方法时,传感器是静止的,通过变换加载方向对传感器施加不同方向上的力和力矩。

　　传感器经过一段时间的使用其内部的某些参数会发生变化,因此需要重新校正,在某些场合下若要将传感器拆卸下来再进行校正是不方便甚至不可能的。同时,传感器智能化要求传感器应具有自校正、自补偿的功能[4]。所以,需要一种能进行自动校正的方法,在不拆卸传感器的条件下,且无需复杂的步骤和加载实验台,而对其进行“在轨”自校正[5-6]。

　　为提高标定效率,简化标定步骤,本文提出一种基于三轴加速度计的多维力传感器静态自校正方法:通过旋转集成了三轴加速度计的多维力传感器,并在传感器上悬挂砝码,在旋转过程中,砝码重力相对传感器坐标发生变化,因而产生加载在多维力传感器上的不同方向的力和力矩,并同时通过三轴加速度计测量力传感器的旋转角度姿态,计算得到砝码重力施加在传感器上的力向量。最终求解得到多维力传感器的校正矩阵C,实现多维力传感器的自动校正。

　　2　基于加速度计的六维力传感器自校正

　　2.1　三轴加速度计的工作原理

　　当加速度计静止时,由于重力加速度的作用,可用来检测其敏感轴与重力加速度之间的夹角。当夹角在-180°~0°之间变化时,加速度计输出会在-1g~+1g之间变化。加速度计敏感轴与重力加速度夹角可表示为:

　　式(1)中可以看出,加速度计的输出电压与角度变化之间是非线性三角函数变化规律。对于某一轴的夹角在±90°左右具有最佳的分辨力,在0°和±180°左右分辨力较差。其总体分辨力取决于A/D转换精度及电路噪声抑制水平。

　　2.2　基于三轴加速度计的多维力传感器自校正

　　将未标定的六维力传感器与三轴加速度计集成在一起,使其相对位置固定,并使得六维力传感器具有与三轴加速度计平行的坐标系{X′, Y′, Z′}。将三轴加速度计与六维力传感器同时匀速自由旋转,根据式(1),由加速度计的输出电压求得对应各轴与重力加速度夹角θ,并分别表示为α、β、γ。由于重力加速度方向Z不变,α、β、γ表示旋转后的六维力传感器及三轴加速度计的三轴{X′,Y′,Z′}与重力加速度方向Z的夹角。此过程也可描述为重力加速度矢量在传感器坐标系中的相对运动。在校正过程中六维力传感器顶部安装一个“L”型校正柱。校正柱高H,臂长为L,旋转前在校正柱的末端悬挂一个已知质量的砝码,以便对六维力传感器产生施加各方向力和力矩。由于传感器的自由旋转运动,使得方向不变的砝码重力施加在传感器上力/力矩随之变化。校正原理如图1所示。