六维力传感器静态标定系统软件设计

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计算机测量与控制.2003.11(12)　Computer Measurement &Control

软件天地

收稿日期:2003-02-22。

基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(863-512-9804-02)

作者简介:张晓辉(1973-)女,黑龙江省人,博士生,主要从事六

维力传感器、虚拟现实技术在机器人中的应用等方面的研究。

文章编号:1671-4598(2003)12-0988-02 中图分类号:T P 24 文献标识码:B

六维力传感器静态标定系统软件设计

张晓辉

(燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛　066004)

摘要:介绍了新型Stewart 并联结构六维力传感器的静态标定系统组成及标定步骤,重点进行了静态标定软件的设计。以机器人手指用六维力传感器为例进行了实验,对实验结果的分析表明了该软件的正确性及实用性。

关键词:六维力传感器;静态标定系统;标定软件

Design of Static Calibration Softwarefor of Six -dimension Force Sensor

ZHANG Xiao -hui

(T he Co lleg e of A utoma tio n Eng ineering ,Y ansha n U niver sity ,Q inhuang dao 066004,China )

Abstract :T he sta tic calibr atio n system constitutio n and calibrat ion pr o cess of six -dimensio n fo rce senso r based on Stew -art para llel str uct ur e ar e inlr oduced.T he design of static calibrat ion softw ar e is pr esented.T he ex per imental resear ch on six -dimension fo rce senso r in r obot fing er is pro vided as an ex ample .T he r esult show s that the desig n o f so ftw ar e is accurate .

Key words :six -dimension fo rce senso r ;stat ic ca libr atio n sy stem;calibr ation softw ar e

1　引言

力传感器的作用是测量机器人的终端执行器与外界环境接触时受力的大小,六维力传感器可以测量笛卡儿坐标系中

沿坐标轴的三个力分量和绕坐标轴的三个力矩分量。由于设计原理和制造加工误差,以及六维力传感器本身力敏元件结构的复杂性等因素的影响,使得传感器的实际静态特性和理论计算值之间存在一定的误差,因此为获得传感器真实的静态特性,通常采用实验的方法来进行标定,其标定精度将直接影响传感器使用时的测量精度[1,2]。此文是针对基于Stew ar t 并联结构的新型六维力传感器[3]

而进行的静态标定系统及标定软件的设计。

图1　六维力传感器静态标定系统

2　静态标定系统结构及标定过程规划

六维力传感器静态标定系统的整体结构如图1所示,主要包括静态标定台、六维力传感器、测量电路及信号放大装置、数据采集卡、计算机以及标定软件等几部分。在进行标定工作时,传感器的下平台与标定台的底座相连,传感器的上平台与加载帽固连,标定过程中采用拉力方式,对六维力传感器施加某个方向上的力或力矩。六维力传感器上6个连杆的应变值通过每个连杆上的测量电桥线性反应出来,这些微弱的电压信号经过放大电路变为可采样的大量

程电压值,经AD 采样后输入计算机,由标定软件滤波处理、保存,并求取标定矩阵。

该研究中的静态标定部分采用加载点大于6且各个力分量分别加载的方法,以获得最准确的标定矩阵,具体步骤如下:

(1)将传感器各个力分量按其满量程分为等间隔的点;(2)每个力分量的加载过程按照由小到大顺序逐渐一点一点地实施,并由计算机记录下每个加载点的传感器输出电压和加载力数据;

(3)当某个力分量加载到最大值后,再按由大到小的顺序逐渐减下来,同时由计算机记录数据;

(4)按(2)、(3)两步的方法,取每个力分量的反方向再加载一遍;

(5)按(2)、(3)、(4)三步的方法,将力传感器的6个分量加载过程全部完成;

(6)检查记录数据是否有误,计算标定矩阵;(7)分析传感器系统的精度指标。

实现上述标定过程的工作流程如图2所示。由上面对标定过程的分析可知,在整个标定系统中,标定软件应该完成记录、计算、分析等功能,是标定系统中重要组成部分。

3　静态标定软件设计

为实现上述标定任务和步骤的要求,设计了六维力

传感器标定软件。软件包括三大部分,第一部分实现标定过程的数据曲线显示、滤波和自动记录,称为数据记录模块;第二部分利用标定过程中记录的数据进行标定矩阵的最小二乘计算和精度计算,称为标定计算模块;第三部分实现传感器的实时测量,主要功能是完成标定

第12期张晓辉:六维力传感器静态标定系统软件设计・989・　

图2　静态标定过程流程图

图3　静态标定软件中的数据记录模块

矩阵的正确性检验,称为测量模块。整个软件采用Visual C++ 6.0,Visual Baisc 6.0和M atlab 混合编制[4]

,用Visual C ++编制程序主框架,其中需要显示采样数据曲线和直方图的部分采用Visual Basic 编制成ActiveX 控件形式,并嵌入到Visual C ++整体程序中;充分利用M atlab 软件强大的矩阵计算功能完成标定计算模块的编制。

3.1　数据记录模块的设计

根据该模块所需完成的功能而设计的程序操作窗体

如图3所示。整个窗口可分为4部分:

(1)曲线显示。其功能是实时观察传感器的工作情况,传感器出现异常时可及时发现。它显示的6条曲线为当前AD 采样得到的传感器6个电桥的输出电压,单位为m V 。每条曲线由400个采样点数据组成,每个通道的数据曲线用不同的颜色表示,以示区别。

(2)数据显示。其功能是显示采样数据经过数字滤波后的电压值,单位为m V 。该6个数据将被保存起来用于标定矩阵的计算。

(3)加载数据区。其功能是人工输入加载数据,每加载一次这些数据需相应修改一次。它们与6路桥压一起被保存在一个数据文件Signal.lo g 中。

(4)功能选择区。在标定以前由于各种干扰因素的存在,通常传感器的6路电压输出信号不为0,需要将当前的状态置为0状态,该功能由“清零”按钮实现。“采样”按钮负责将“加载数据区”内的输入数据和采样得到的6路电压值保存到文件中。同时设定了“坐标值选择”功能,它可任意修改曲线显示区的显示满量程。3.2　标定计算模块和实时测量模块的设计

标定计算模块没有专门的操作界面,直接利用Mat-lab 提供的命令窗口显示标定运算结果。程序工作流程图如图4所示。

图4　标定计算模块流程图

实时测量模块的主要作用是用于检验静态标定矩阵的正确性,它包括电压实时测量和力实时测量两种工作方式。电压测量方式可以不需要标定矩阵,可用直方图显示当前传感器的6路输出电压值。力测量方式下,可用直方图显示传感器受到的广义六维力,它利用上述静态标定的矩阵解耦运算得出当前施加在传感器上的力,因此可方便检验标定矩阵的精度等特性。

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