本發(fā)明屬于機(jī)器人加工應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種力傳感器的解耦標(biāo)定及濾波方法，具體涉及一種用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法與裝置。

背景技術(shù)：

在力控制磨削中，經(jīng)常用三維力傳感器作為測量接觸力的方法，由于三維力傳感器沒有檢測力矩的通道，只能在固定點(diǎn)受力，即如果三維力傳感器的受力點(diǎn)發(fā)生改變，則必須重新進(jìn)行標(biāo)定，否則由于力矩產(chǎn)生的輸出電壓誤差就會(huì)疊加到各軸的測量力上，從而導(dǎo)致三個(gè)軸的測量值都不準(zhǔn)確，因此，在使用電阻應(yīng)變式三維力傳感器之前，需要對受力點(diǎn)的解耦矩陣進(jìn)行標(biāo)定。力傳感器在使用的過程中不可避免的要受到外部干擾的影響，在實(shí)時(shí)力反饋控制中，如果直接用輸出信號(hào)進(jìn)行反饋，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩甚至不穩(wěn)定，所以需要對力信號(hào)進(jìn)行濾波，在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，濾波過程既要去掉大部分噪聲又要計(jì)算簡單容易實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供了一種用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法，該方法計(jì)算簡單、易于控制、通用性強(qiáng)。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是，一種用于恒力磨削的三維力傳感器 解耦標(biāo)定及濾波方法，該方法包括以下步驟：

1)根據(jù)三維力傳感器固定點(diǎn)受力的特點(diǎn)，在受力點(diǎn)附近的三個(gè)方向上分別加載恒定的重量，分別測量并記錄三個(gè)通道的輸出電壓，為了避免電壓矩陣為奇異矩陣，進(jìn)行多次測量，得到標(biāo)定矩陣方程；

2)根據(jù)步驟1)的標(biāo)定矩陣方程，求出三維力傳感器在該受力點(diǎn)處的解耦矩陣，通過解耦方程就能求出各方向的實(shí)際受力；

3)根據(jù)步驟2)求出的解耦矩陣，為了驗(yàn)證該解耦矩陣的有效性，通過在受力點(diǎn)的任意方向施加一個(gè)力，對比理論力值與實(shí)際測量值，確保實(shí)際測量誤差滿足應(yīng)用要求；

4)采用力信號(hào)的自適應(yīng)慣性濾波方法，對根據(jù)步驟3)得到的力傳感器信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理；

5)根據(jù)步驟1)得到的力傳感器三個(gè)通道的模擬量電壓信號(hào)，通過信號(hào)放大器轉(zhuǎn)換成0～10V的模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過端子板的A/D轉(zhuǎn)換模塊后，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制器，并在運(yùn)動(dòng)控制器中完成解耦與濾波處理。

進(jìn)一步地，所述步驟1具體包括：

步驟11)、在三維力傳感器的受力點(diǎn)附近的三個(gè)方向懸掛已知重量的砝碼，分別測量三個(gè)通道的輸出電壓，得到矩陣方程：

其中，f_x表示X方向加載的力，C是解耦矩陣，v_x表示加載力為f_x時(shí)三個(gè)通道的輸出電壓；

步驟12)、根據(jù)步驟11)的矩陣方程，求解出解耦矩陣C＝V^-1·F， 并將該矩陣用于三維力傳感器的測量中。

進(jìn)一步地，所述步驟4具體包括：

步驟41)、由于步驟12)所述的三維傳感器信號(hào)中有噪聲的影響，采用自適應(yīng)慣性濾波策略進(jìn)行濾波處理，其中濾波參數(shù)調(diào)整策略為：

其中，s₁和s₂表示連續(xù)兩次采樣信號(hào)的變化方向，Δ表示濾波系數(shù)的調(diào)整速度，M表示信號(hào)變化閥值；

步驟42)、根據(jù)步驟41)的濾波參數(shù)調(diào)整方法，得到的慣性濾波為：

y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)

其中，α(k)表示k時(shí)刻的濾波系數(shù)，y(k)和y(k-1)分別表示當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的濾波值，x(k)表示當(dāng)前時(shí)刻的采樣值。

本發(fā)明還提供了實(shí)現(xiàn)所述用于恒力控制磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法的裝置，所述裝置包括控制部分和機(jī)械部分；其中控制部分有：PC主機(jī)、嵌入式控制器、端子板、信號(hào)放大器、三維力傳感器、伺服驅(qū)動(dòng)器和三坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中機(jī)械部分主要包括：工作臺(tái)架、x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器裝夾架、加工工具；

所述三坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別由x軸、y軸、z軸三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在工作臺(tái)架上，y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾珠滑塊上，z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在y軸方 向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾珠滑塊上，三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別通過各自伺服電機(jī)連接的滾珠絲杠，驅(qū)動(dòng)各自滾珠絲杠上安裝的滾珠滑塊移動(dòng)；與所述z軸滾珠滑塊連接固定的傳感器裝夾架上，裝有三維力傳感器；三維力傳感器的測力面與末端為球形的加工工具連接。

所述控制部分的三維力傳感器與信號(hào)放大器通過信號(hào)導(dǎo)線與連接，信號(hào)放大器通過串口與PC主機(jī)連接，信號(hào)放大器輸出數(shù)字量力信號(hào)到PC主機(jī)，在PC主機(jī)上進(jìn)行顯示和記錄實(shí)時(shí)測量的力信號(hào)；將記錄的力信號(hào)利用三維力傳感器解耦標(biāo)定算法的步驟1，計(jì)算出解耦矩陣，并利用步驟4的自適應(yīng)慣性濾波算法，得到濾波之后的測量力信號(hào)。

本發(fā)明所述的解耦標(biāo)定及濾波方法能簡單有效的實(shí)現(xiàn)對三維力的解耦標(biāo)定及精確濾波，避免了由于三維力傳感器的耦合效應(yīng)或噪聲導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)在恒力控制中對接觸力信號(hào)的精確及有效的測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法的裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)示意圖；

圖3為本發(fā)明的三維力傳感器在不同受力點(diǎn)的示意圖；

圖4為本發(fā)明的三維力傳感器解耦標(biāo)定效果圖；

圖5為本發(fā)明的自適應(yīng)慣性濾波結(jié)果圖。

圖中：1.PC主機(jī)，2.嵌入式控制器，3.端子板，4.信號(hào)放大器，5. 三維力傳感器，6.伺服驅(qū)動(dòng)器，7.三坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，8.工作臺(tái)架，9.x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，10.y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，11.z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，12.傳感器裝夾架，13.加工工具，14.滾珠滑塊，15.伺服電機(jī)，16.滾珠絲杠。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明的發(fā)明目的作進(jìn)一步詳細(xì)地描述，

本發(fā)明用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法，該方法包括以下步驟：

1)根據(jù)三維力傳感器固定點(diǎn)受力的特點(diǎn)，在受力點(diǎn)附近的三個(gè)方向上分別加載恒定的重量，分別測量并記錄三個(gè)通道的輸出電壓，為了避免電壓矩陣為奇異矩陣，進(jìn)行多次測量，得到標(biāo)定矩陣方程；

2)根據(jù)步驟1)的標(biāo)定矩陣方程，求出三維力傳感器在該受力點(diǎn)處的解耦矩陣，通過解耦方程求出各方向的實(shí)際受力；

3)根據(jù)步驟2)求出的解耦矩陣，為了驗(yàn)證該解耦矩陣的有效性，通過在受力點(diǎn)的任意方向施加一個(gè)力，對比理論力值與實(shí)際測量值，確保實(shí)際測量誤差滿足應(yīng)用要求；

4)采用力信號(hào)的自適應(yīng)慣性濾波方法，對根據(jù)步驟3)得到的力傳感器信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理；

5)根據(jù)步驟1)得到的力傳感器三個(gè)通道的模擬量電壓信號(hào)，通過信號(hào)放大器轉(zhuǎn)換成0～10V的模擬量電壓信號(hào)，經(jīng)過端子板的A/D轉(zhuǎn)換模塊后，進(jìn)入運(yùn)動(dòng)控制器，并在運(yùn)動(dòng)控制器中完成解耦與濾波處理。

本發(fā)明步驟1)具體包括：

步驟11)、在三維力傳感器的受力點(diǎn)附近的三個(gè)方向懸掛已知重量的砝碼，分別測量三個(gè)通道的輸出電壓，得到矩陣方程：

其中，f_x表示X方向加載的力，C是解耦矩陣，v_x表示加載力為f_x時(shí)三個(gè)通道的輸出電壓；

步驟12)、根據(jù)步驟11)的矩陣方程，求解出解耦矩陣C＝V^-1·F，并將該矩陣用于三維力傳感器的測量中。

本發(fā)明步驟4)具體包括：

步驟41)、由于步驟12)所述的三維傳感器信號(hào)中有噪聲的影響，采用自適應(yīng)慣性濾波策略進(jìn)行濾波處理，其中濾波參數(shù)調(diào)整策略為：

其中，s₁和s₂表示連續(xù)兩次采樣信號(hào)的變化方向，Δ表示濾波系數(shù)的調(diào)整速度，M表示信號(hào)變化閥值。

步驟42)、根據(jù)步驟41)的濾波參數(shù)調(diào)整方法，得到的慣性濾波為：

y(k)＝α(k)·x(k)+[1-α(k)]·y(k-1)

其中，α(k)表示k時(shí)刻的濾波系數(shù)，y(k)和y(k-1)分別表示當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的濾波值，x(k)表示當(dāng)前時(shí)刻的采樣值。

本發(fā)明用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法的裝 置，如圖1和圖2所示，該裝置包括控制部分和機(jī)械部分；其中控制部分有：PC主機(jī)1、嵌入式控制器2、端子板3、信號(hào)放大器4、三維力傳感器5、伺服驅(qū)動(dòng)器6和三坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7，其中機(jī)械部分包括：工作臺(tái)架8、x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)9、y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)10、z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11、傳感器裝夾架12、加工工具13；

本發(fā)明三坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7分別由x軸、y軸、z軸三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)9固定在工作臺(tái)架8上，y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)10固定在x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)9的滾珠滑塊14上，z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11固定在y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)10的滾珠滑塊14上，三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分別通過各自伺服電機(jī)15連接的滾珠絲杠16，驅(qū)動(dòng)各自滾珠絲杠16上安裝的滾珠滑塊14移動(dòng)；于所述z軸滾珠滑塊14連接固定的傳感器裝夾架12上，裝有三維力傳感器5，三維力傳感器5的測力面與末端為球形的加工工具13連接；本發(fā)明控制部分的三維力傳感器5與信號(hào)放大器4通過信號(hào)導(dǎo)線與連接，信號(hào)放大器4通過串口與PC主機(jī)1連接，信號(hào)放大器4輸出數(shù)字量力信號(hào)到PC主機(jī)1，在PC主機(jī)1上進(jìn)行顯示和記錄實(shí)時(shí)測量的力信號(hào)；將記錄的力信號(hào)利用三維力傳感器解耦標(biāo)定算法的步驟1，計(jì)算出解耦矩陣，并利用步驟4的自適應(yīng)慣性濾波算法，得到濾波之后的測量力信號(hào)。

實(shí)施例

本發(fā)明的裝置用于恒力磨削的三維力傳感器解耦標(biāo)定及濾波方法的工作步驟：

(1)所使用的三維力傳感器為A3D46-20kg的力傳感器，量程為20kg，其非線性小于±1％F.S.，重復(fù)性小于±0.5％F.S.。由于三維力傳感器沒有能夠檢測力矩信息的通道，只能在固定點(diǎn)受力，如果受力點(diǎn)改變，必須重新進(jìn)行標(biāo)定，否則會(huì)產(chǎn)生力耦合使測得的力值不正確，導(dǎo)致機(jī)器人誤操作。三維力傳感器在不同點(diǎn)的受力情況如圖3所示，當(dāng)在P₁點(diǎn)受到X方向的力F_x′時(shí)，傳感器相當(dāng)于在O點(diǎn)受到f_x的力和m_x的扭矩。如果在O點(diǎn)單獨(dú)作用力f_x時(shí)輸出的電壓是v_o，而在O點(diǎn)同時(shí)作用f_x和m_x時(shí)輸出的電壓是v_p。由于三維力傳感器沒有測量力矩的通道，由m_x產(chǎn)生的變形影響到其他通道的輸出電壓，使得v_o≠v_p。而利用公式F＝C_ov_p進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，由m_x導(dǎo)致的輸出電壓誤差就會(huì)疊加到各軸的測量力值上，導(dǎo)致三個(gè)軸的測量值都不準(zhǔn)確。所以根據(jù)以上分析可知，在利用三維力傳感器進(jìn)行其他操作之前，必須先進(jìn)行解耦標(biāo)定，而在標(biāo)定過程中需要在不同位置、不同受力點(diǎn)受力，所以采用了如圖1所示的裝置，該裝置可以將三維力傳感器移動(dòng)到任意位置，三維力傳感器可以在各個(gè)方向受力。

(2)由(1)的分析可知，對三維力傳感器的解耦標(biāo)定需要傳感器在多個(gè)方向、多個(gè)位置受力，所以設(shè)計(jì)了如圖1和圖2所示的裝置，該裝置主要包括控制部分和機(jī)械部分；其中控制部分有：PC主機(jī)1、嵌入式控制器2、端子板3、信號(hào)放大器4、三維力傳感器5、伺服驅(qū)動(dòng)器6和三坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7，其中機(jī)械部分包括：工作臺(tái)架8、x軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)9、y軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)10、z軸方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)11、傳感器裝夾架12、加工工具13；

本發(fā)明的三坐標(biāo)伺服運(yùn)動(dòng)裝置的控制部分包括，如圖2所示，嵌 入式運(yùn)動(dòng)控制器2、用于通信的端子板3、控制x軸、y軸、z軸的伺服驅(qū)動(dòng)器6以及對應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制軟件。其中三維力傳感器設(shè)備還包括與三維力傳感器5連接的信號(hào)放大器4，三維力傳感器5通過信號(hào)導(dǎo)線與信號(hào)放大器4連接，信號(hào)放大器4通過串口與PC主機(jī)1連接，信號(hào)放大器4輸出數(shù)字量力信號(hào)到PC主機(jī)1，在PC主機(jī)上進(jìn)行顯示和記錄實(shí)時(shí)測量的力信號(hào)。將三個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊按照x軸、y軸、z軸依次連接后，將三坐標(biāo)伺服運(yùn)動(dòng)裝置整體安裝在工作臺(tái)架8較高的臺(tái)面上。安裝好三坐標(biāo)伺服運(yùn)動(dòng)裝置后，需要將工具和傳感器安裝到三坐標(biāo)伺服運(yùn)動(dòng)裝置的末端，安裝步驟如下：首先用螺栓將傳感器裝夾架12的L型板一端固定在z軸滾珠滑塊14上，然后將三維力傳感器5的非測力面與L型板的另一端連接，并將三維力傳感器5的信號(hào)輸出線與信號(hào)放大器4連接，然后將力傳感器5的測力面與末端為球形的工具13用內(nèi)六角螺栓連接。

(3)如圖1所示的加工工具13末端作為解耦標(biāo)定的受力點(diǎn)，在該受力點(diǎn)附近的三個(gè)不同方向上分別加載恒定的重量m，等傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄三個(gè)通道的輸出電壓值，為了避免電壓矩陣為奇異矩陣，進(jìn)行多次測量求平均，得到標(biāo)定矩陣方程：

其中，f_x表示X方向加載的力，C是解耦矩陣，v_x表示加載力為f_x時(shí)三個(gè)通道的輸出電壓；

求出矩陣方程的解，得到解耦矩陣C＝V^-1·F，通過解耦矩陣，只 需測量三個(gè)通道的輸出電壓就能通過上式得到各個(gè)方向的作用力。標(biāo)定過程中，在受力點(diǎn)處，分別于三個(gè)受力方向加載21.76N的力，并測量傳感器三個(gè)通道輸出的電壓值，求取電壓的平均值，得到解耦矩陣：

為了驗(yàn)證該解耦矩陣能否準(zhǔn)確測量各軸的力，在X軸與Y軸之間45°的方向加載12N的力，并在6s左右增加到13.5N。結(jié)果如圖4所示，在0-5s時(shí)X和Y軸的理論值是8.49N，7-13s時(shí)X和Y軸的理論值是9.55N；圖中5-7s之間的波動(dòng)是在增加重量時(shí)引起的振動(dòng)。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，X和Y軸的測量誤差不超過±0.5％F.S.，小于廠家的標(biāo)定誤差±1％F.S.。結(jié)果表明，三維力傳感器通過標(biāo)定得到的解耦矩陣能夠準(zhǔn)確測量各軸的力，且具有較高的精度，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

(4)力信號(hào)中包含測量誤差與干擾信號(hào)，需要進(jìn)行濾波處理。設(shè)計(jì)濾波器時(shí)要考慮到力控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性的要求，故采用較簡單的慣性濾波，即一階滯后濾波器。慣性濾波器的傳遞函數(shù)是一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T的慣性環(huán)節(jié)，其簡化的離散表達(dá)式為：y(k)＝αx(k)+(1-α)y(k-1)

其中，慣性濾波系數(shù)0≤α≤1；

為了得到較好的濾波效果，采用自適應(yīng)慣性濾波方法，該方法的表達(dá)式為：

其中，s₁和s₂表示連續(xù)兩次采樣信號(hào)的變化方向，Δ表示濾波系數(shù)的調(diào)整速度，M表示信號(hào)變化閥值。

使用的自適應(yīng)慣性濾波參數(shù)為：初始濾波系數(shù)α(0)＝0.2，信號(hào)變化閥值M＝0.45，濾波系數(shù)的調(diào)整速度Δ＝0.25，采樣周期為T_s＝0.01。

濾波效果如圖5所示，其中上圖為濾波信號(hào)，下圖為濾波系數(shù)變化情況。從圖中可以看出在0～9s及11～20s的時(shí)候，采樣信號(hào)趨于平穩(wěn)，α(k)的值在0附近波動(dòng)，自適應(yīng)慣性濾波信號(hào)也非常平滑，沒有產(chǎn)生波動(dòng)；而在t＝10s左右，采樣值朝一個(gè)方向出現(xiàn)劇烈變化時(shí)，α(k)自動(dòng)增大，達(dá)到α(k)＝0.6左右，濾波值能及時(shí)跟蹤采樣的變化。由圖5的結(jié)果說明，自適應(yīng)慣性濾波能夠根據(jù)實(shí)際采樣數(shù)據(jù)調(diào)整濾波系數(shù)，從而達(dá)到靈敏度高且穩(wěn)定性好的濾波效果。

本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。