六維力傳感器原理：三維力與六維力傳感器的工作原理
在多維力傳感器中，工程技術(shù)師們會(huì)經(jīng)常接觸到三維力傳感器及六維力傳感器，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，產(chǎn)品技術(shù)也有所更新和變化，我們先來(lái)了解一下它們的工作原理是什么?
一、三維力傳感器的工作原理：
三維力傳感器基于應(yīng)變式測(cè)力傳感器的基礎(chǔ)上采用電阻應(yīng)變式原理，也稱(chēng)應(yīng)變式三維力傳感器。有彈性元件、電阻應(yīng)變計(jì)和惠斯通電橋電路組成。被測(cè)物體的重量作用在彈性元件上使其變形而產(chǎn)生應(yīng)變量，粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)將與物體重量成正比的應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為電阻變化，再通過(guò)惠斯通電橋電路將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出，通過(guò)顯示儀表將測(cè)得此電壓輸出值即可完成測(cè)量計(jì)量任務(wù)。
ME K3D160 三維力傳感器
三維力傳感器的特點(diǎn)：
它可以同時(shí)檢測(cè)三個(gè)方向的力值變化情況，X軸、Y軸、Z軸(垂直力)，同時(shí)輸出三組電壓信號(hào)，該傳感器有三種測(cè)量載荷可選(每通道)，可以通過(guò)多通道顯示儀表顯示數(shù)據(jù)值。
三維力傳感器被廣泛的應(yīng)用在汽車(chē)制造、航空航天、輕紡工業(yè)等領(lǐng)域。
二、六維力傳感器的工作原理：
六維力傳感器的每一個(gè)力對(duì)應(yīng)一個(gè)矢量，它們既有大小又有方向，它的標(biāo)定都是假設(shè)傳感器系統(tǒng)是一個(gè)線性系統(tǒng)，即傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型滿(mǎn)足
F=CV
V是它的6路原始輸出信息(列信息，單位是V)，F(xiàn)是經(jīng)過(guò)計(jì)算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過(guò)數(shù)據(jù)采集上采樣得到的傳感器6個(gè)輸出信號(hào)矢量組V求出標(biāo)定矩陣C，傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)6路電壓信號(hào)組成的矢量。
在不考慮傳感器的非線性因素影響下，只要給傳感器施加6個(gè)線性無(wú)關(guān)的力矢量，并測(cè)得對(duì)應(yīng)6個(gè)力矢量的傳感器的輸出電壓信號(hào)矢量V，就可以得到一個(gè)惟一解C。
ME F6D80-40 六維力傳感器
六維力傳感器由于靈敏度高、剛性好、維間耦合小、有機(jī)械過(guò)載保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用在機(jī)器人、機(jī)械裝配、產(chǎn)品測(cè)試、機(jī)械加工等行業(yè)中。
多維力傳感器的出現(xiàn)，加速了科技強(qiáng)國(guó)的發(fā)展，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也讓我們的生活變得更加智能化，生活更加便利。
六維力傳感器原理：六維力傳感器原理和設(shè)計(jì).ppt
案例：六維力傳感器的原理與設(shè)計(jì) 每個(gè)力對(duì)應(yīng)一個(gè)矢量 既有大小又有方向 單維力傳感器: 只有力大小已知 某些方面應(yīng)用時(shí)需要已知更多的信息 單維力傳感器：兩個(gè)力看起來(lái)都是5N 六維力/力矩傳感器 六維力傳感器 三維空間：需要知道 每個(gè)軸上的力和力矩 六維力傳感器的結(jié)構(gòu) 3豎直支承六維力傳感器 4豎直支承六維力傳感器 圓筒形六維力傳感器 雙環(huán)形六維力傳感器 十字叉式 六維力傳感器 8豎直支承六維力傳感器 6維力傳感器的結(jié)構(gòu) 非徑向三梁結(jié)構(gòu)六維力傳感器 T型桿結(jié)構(gòu)六維力傳感器 高等人發(fā)明的六維力傳感器 Stewart 力傳感器樣機(jī) Dwarakanath et al. 的 六維力/力矩傳感器 Nguyen et al. 的 六維力/力矩傳感器 Ranganath et al. 的 六維力/力矩傳感器 Kang的 六維力/力矩傳感器 剛度大 結(jié)構(gòu)緊湊 承載能力大 無(wú)累積誤差 精度高 反解簡(jiǎn)單 傳統(tǒng)的Stewart 力傳感器 傳統(tǒng)的Stewart 力傳感器 關(guān)節(jié)摩擦力矩較大 易產(chǎn)生機(jī)械間隙和遲滯現(xiàn)象 很難使各預(yù)緊力一致 傳統(tǒng)的采用球副 預(yù)緊式傳感器的結(jié)構(gòu)分析 大大降低了關(guān)節(jié)摩擦力矩的影響 減小了機(jī)械滯后現(xiàn)象 修正后具有單一約束的球副 預(yù)緊分支 預(yù)緊螺母 有中間預(yù)緊分支的預(yù)緊式傳感器 上平臺(tái) 彈性分支 預(yù)緊支路 下平臺(tái) 雙層預(yù)緊式力傳感器 中間預(yù)緊分支的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜 施加預(yù)緊力比較困難 具有7分支的雙層預(yù)緊式力傳感器 雙層預(yù)緊式力傳感器 （1）測(cè)力平臺(tái)；（2） 預(yù)緊平臺(tái)；（3） 測(cè)量分支；（4）球窩； （5）下平臺(tái); （6） 球窩；（7）預(yù)緊螺栓；（8）基座 8分支上下層預(yù)緊式力傳感器 (1) 測(cè)力平臺(tái); (2) 預(yù)緊平臺(tái); (3) 測(cè)量分支; (4) 球窩;(5) 預(yù)緊螺栓;(6) 基座 8分支左右預(yù)緊式力傳感器 (1) 測(cè)力平臺(tái); (2) 左預(yù)緊平臺(tái); (3) 測(cè)量分支; (4) 右預(yù)緊平臺(tái); (5) 預(yù)緊螺栓。 實(shí)驗(yàn)研究 具有中間預(yù)緊分支的力傳感器樣機(jī) 加載面 標(biāo)準(zhǔn)單維力傳感器 六維力傳感器的標(biāo)定系統(tǒng) 單維力傳感器 數(shù)據(jù)采集和 處理軟件 六維力傳感器 載荷 導(dǎo)輪 測(cè)量誤差 力/力矩分量 測(cè)量誤差 Fx 0.2% Fy 0.4% Fz 1.3% Mx 0.1% My 1.1% Mz 0.4% 六維力/力矩傳感器的應(yīng)用 機(jī)械臂的末端感應(yīng)器 觸覺(jué) 微力的測(cè)量 六維力/力矩傳感器有著很廣泛的應(yīng)用，如機(jī)械裝配、產(chǎn)品測(cè)試、機(jī)器人物料輸送、觸覺(jué)、微力測(cè)量等。 
六維力傳感器原理：六維力傳感器工作原理
六維力傳感器工作原理
六維力傳感器標(biāo)定原理
六維力傳感器的標(biāo)定均在假設(shè)傳感器系統(tǒng)為線性系統(tǒng)的情況下進(jìn)行，即傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型滿(mǎn)足
F=CV
其中，V是六維力傳感器輸出的6路原始信息(列信息，單位是V)，F(xiàn)是經(jīng)過(guò)計(jì)算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
傳感器靜態(tài)標(biāo)定的實(shí)質(zhì)就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過(guò)數(shù)據(jù)采集上采樣得到的傳感器6個(gè)輸出信號(hào)矢量組V求出標(biāo)定矩陣C，傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)6路電壓信號(hào)組成的矢量。如果不考慮傳感器的非線性因素的影響，只要給傳感器施加6個(gè)線性無(wú)關(guān)的力矢量，并測(cè)得對(duì)應(yīng)6個(gè)力矢量的傳感器的輸出電壓信號(hào)矢量V，就可以得到一個(gè)惟一解C。
六維力傳感器標(biāo)定裝置簡(jiǎn)介
“氣動(dòng)力—慣性力復(fù)合離心試驗(yàn)”六維力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)由測(cè)試系統(tǒng)和標(biāo)定裝置兩部分組成，測(cè)試系統(tǒng)主要包括力傳感器，信號(hào)測(cè)量及放大裝置，數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)以及標(biāo)定軟件;傳感器標(biāo)定裝置由六維力承力墻、承力鋼梁、過(guò)渡法蘭、L型加載梁，液壓協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)等組成。其中承力墻、過(guò)渡法蘭、承力鋼梁主要用于傳感器和液壓作動(dòng)筒的轉(zhuǎn)接和固定，液壓協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)是載荷施加和控制裝置。
作為標(biāo)定裝置的核心部件—型加載梁：其設(shè)計(jì)精巧，簡(jiǎn)單實(shí)用，確保力傳遞的連續(xù)型和準(zhǔn)確性。其8個(gè)45°均布的安裝螺孔，使L型加載梁的安裝位置45°可調(diào)，從而使xF和yF載荷的施加可以實(shí)現(xiàn)，L型的外形設(shè)計(jì)，使該加載裝置不僅可以實(shí)現(xiàn)單唯力的施加，而且可以根據(jù)需要完成不同方向和大小的力矩和單唯力的同時(shí)施加，這種裝置從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上滿(mǎn)足了六維力傳感器標(biāo)定所需所用載荷狀態(tài)的實(shí)現(xiàn);后，L型加載梁周身所布置的8個(gè)半球狀加載坑，以點(diǎn)一點(diǎn)接觸的方式確保了載荷施加方向的準(zhǔn)確性。
六維力傳感器安裝需要注意什么?
安裝稱(chēng)六維力感器重要的問(wèn)題就是 要是合理的,能夠讓其在日后的工作當(dāng)中正常的使用。所以進(jìn)行合理的安裝是非常關(guān)鍵的。那么在安裝六維力傳感器的過(guò)程當(dāng)中需要注意什么問(wèn)題。
1、三維力傳感器的彈性體的制作材料主要還是合金的鋁材,所以出現(xiàn)任何一點(diǎn)震動(dòng)導(dǎo)致的沖擊或者是發(fā)生掉落的情況都會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)非常大的數(shù)據(jù)輸出誤差。因此，安裝六維傳感器要做到輕拿輕放。
2、在進(jìn)行加載裝置設(shè)計(jì)或者是安裝的時(shí)候,要確保加載力的受力和稱(chēng)重傳感器的受力線是相重疊的,確保傾斜的符合和偏心符合的影響達(dá)到低狀態(tài)。
3、假如使用的是六維力傳感器,在安裝底座的時(shí)候要使用水平儀進(jìn)行調(diào)整,達(dá)到水平狀態(tài)才能安裝。如果是安裝多個(gè)傳感器一起進(jìn)行測(cè)量 ,那么就要讓多維傳感器的底部盡可能保持在一個(gè)水平面上。 這樣的發(fā)就可以確保任何一個(gè)傳感器所承受的力差不多是一樣的。與此同時(shí),在加載裝置的兩側(cè)還需要假裝銅編織線制作而成的旁路器。
4、在安裝六維力傳感器的時(shí)候,在其表面還需要涂抹凡士林,這樣可以很好的避免出現(xiàn)化學(xué)腐蝕。另外還要盡可能避免太陽(yáng)光的長(zhǎng)時(shí)間直接照射,或者是環(huán)境溫度有非常大的變化。
六維力傳感器的電纜線是不可以自行加長(zhǎng)的,如果要加長(zhǎng)的發(fā)就要在接頭的地方進(jìn)行錫焊而且還要使用有防潮效果的密封膠。
機(jī)器人六維力傳感器的使用誤區(qū)有什么?
六維力傳感器一般分成固定端(機(jī)器人端)和加載端(工具端)。兩端相對(duì)受力時(shí)，傳感器發(fā)生彈性變形，傳感器內(nèi)部的應(yīng)變計(jì)電阻發(fā)生變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。使用時(shí)需要要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合考慮，精度和分辨率決不能等同看待。分辨率是指?jìng)鞲衅髂芊直娴妮^小信號(hào)，精度是指?jìng)鞲衅鳒y(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值的較小差異。六維力傳感器的精度一般在0.5%F.S以?xún)?nèi)，M38系列六維力傳感器精度高達(dá)0.2%F.S，分辨率約為滿(mǎn)量程的1/5000，能夠滿(mǎn)足各種應(yīng)用需求。XYZ三維空間內(nèi)施加在傳感器上的力和扭矩都要考慮，外力/扭矩的大小較好是傳感器量程范圍的80%左右。
使用時(shí)的誤區(qū)有，只考慮力，彎矩考慮不夠。只考慮了外力大小，未考慮力臂(受力點(diǎn)離傳感器中心的距離)引起的彎矩?？臻g未充分利用。夾具和工件很大，力傳感器尺寸卻很小。電氣接口選型失誤。電氣接口選型不合適造成精度降低、分辨率不夠、通信等問(wèn)題。量程選擇不合適。傳感器量程用得過(guò)滿(mǎn)，碰撞、誤用、機(jī)器人移動(dòng)加速度等引起力和力矩考慮不夠。布置位置不合理。傳感器離受力點(diǎn)太遠(yuǎn)，使得傳感器承受了多余的力和力矩。
六維力傳感器是一種力傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量中性坐標(biāo)系(OXYZ)內(nèi)的三個(gè)力(FX、FY、FZ)和三個(gè)矩(MX、MY、MZ)。六維力傳感器一類(lèi)技術(shù)含量相當(dāng)高的產(chǎn)品，在機(jī)器人、國(guó)防、汽車(chē)等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。
六維力傳感器未來(lái)市場(chǎng)的應(yīng)用熱點(diǎn)
傳感器可對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件上的力和扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行感知及檢測(cè)，因而被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力設(shè)備、過(guò)程/流程工業(yè)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試部門(mén)等應(yīng)用場(chǎng)所。多軸力/扭矩傳感器能夠測(cè)量并輸出在笛卡爾直角坐標(biāo)系中多個(gè)坐標(biāo)軸(X，Y和Z)上的力和扭矩，主要用于工業(yè)機(jī)器人手臂、遠(yuǎn)程控制機(jī)器人系統(tǒng)、牙科研究和外科手術(shù)、產(chǎn)品測(cè)試、汽車(chē)部件測(cè)試等市場(chǎng)。
傳感器市場(chǎng)持續(xù)保持著5%左右的低速成長(zhǎng)。而同時(shí)，在另一方面，由于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和中國(guó)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)的共同，近幾年中國(guó)傳感器市場(chǎng)呈現(xiàn)出年均15%以上的發(fā)展速度，無(wú)線傳感器、六維力傳感器、MEMS傳感器、生物傳感器等新興種類(lèi)的產(chǎn)品成為重要的增長(zhǎng)熱點(diǎn);此外，在工業(yè)自動(dòng)化控制、汽車(chē)電子、航空航天等領(lǐng)域中，伴隨著行業(yè)用戶(hù)對(duì)智能化水平的要求日益高漲，一些較為成熟的測(cè)試/測(cè)量傳感器也同樣面臨著旺盛的市場(chǎng)需求，其中就包括力傳感器/扭矩傳感器、以及多軸力/扭矩傳感器等。
六維力傳感器的校準(zhǔn)方法
多分量力傳感器校準(zhǔn)是為了獲得信號(hào)與力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。校準(zhǔn)過(guò)程可以表達(dá)成二次多項(xiàng)式的形式?？梢园l(fā)現(xiàn)，這種表達(dá)方式與國(guó)內(nèi)教科書(shū)上的不太一樣，我們通常是將力F放在等號(hào)的左邊。就校準(zhǔn)過(guò)程來(lái)講，這種表達(dá)似乎更加合理，那是因?yàn)槭┘恿舜_定的力，而得到了信號(hào)。
在校準(zhǔn)過(guò)程中，所施加的載荷F是已知的，而信號(hào)Ri是通過(guò)高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的，ε是誤差項(xiàng)。對(duì)于六分量的力傳感器，有36個(gè)一次項(xiàng)系數(shù)，還有126個(gè)二次項(xiàng)系數(shù)。當(dāng)然，這些系數(shù)的獲取是受到校準(zhǔn)設(shè)備的限制的，而校準(zhǔn)誤差的大小與校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度也有很大關(guān)系。
國(guó)外的一些六維力傳感器的校準(zhǔn)方法，只是一份短短的讀書(shū)筆記。真正的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程其實(shí)很復(fù)雜，通常需要用到小二乘法，還有一些數(shù)據(jù)處理的技巧。在多元回歸過(guò)程中有很多成熟的代碼或者軟件可以幫助完成。
在校準(zhǔn)配套的系統(tǒng)里，甚至還有成熟的軟件直接得到校準(zhǔn)結(jié)果，校準(zhǔn)人員只需要點(diǎn)點(diǎn)鼠標(biāo)就可以完成校準(zhǔn)。但是作為一名合格的力傳感工程師應(yīng)該從根源上了解背景知識(shí)，這樣才能處理校準(zhǔn)過(guò)程中的問(wèn)題，并且不斷改進(jìn)校準(zhǔn)質(zhì)量。
六維力傳感器原理：六維力傳感器工作原理？
六維力傳感器的標(biāo)定均在假設(shè)傳感器系統(tǒng)為線性系統(tǒng)的情況下進(jìn)行，即傳感器靜態(tài)數(shù)學(xué)模型滿(mǎn)足
F=CV
其中，V是六維力傳感器輸出的6路原始信息(列信息，單位是V)，F(xiàn)是經(jīng)過(guò)計(jì)算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
傳感器靜態(tài)標(biāo)定的實(shí)質(zhì)就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過(guò)數(shù)據(jù)采集上采樣得到的傳感器6個(gè)輸出信號(hào)矢量組V求出標(biāo)定矩陣C，傳感器的輸出信號(hào)是一個(gè)6路電壓信號(hào)組成的矢量。如果不考慮傳感器的非線性因素的影響，只要給傳感器施加6個(gè)線性無(wú)關(guān)的力矢量，并測(cè)得對(duì)應(yīng)6個(gè)力矢量的傳感器的輸出電壓信號(hào)矢量V，就可以得到一個(gè)惟一解C。
