基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法

摘要

基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，属于传感器测量技术领域。为了解决现有多维力传感器获得的多维力维间耦合大、精度低、传感器结构刚度小等问题。本发明建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，根据负载平台坐标系原点在局部坐标系下沿/绕测量轴线的局部变形位移获得可观测量，并计算负载平台在全局坐标系统下的变形位移，根据负载平台在全局坐标系统下的变形位移计算每个应变梁相应局部坐标原点在局部坐标系统下的所有局部变形位移，并根据每个应变梁在局部坐标系统下的局部变形位移计算每个应变梁在局部坐标系统下的局部广义力；通过求解线性方程组得到多维力传感器的多维力。主要用于多维力传感器的多维力获取。

说明书

技术领域

本发明属于传感器测量技术领域，涉及多维力传感器力的获取方法。

背景技术

多维力传感器能检测力在空间作用的信息，其中典型的六维力传感器可以获取作用力在空间坐标系所形成的3个分力和3个力矩。在航天机械臂、航天对接、协作机器人、仿生机械、医疗辅助器械、步行机器人、风洞测力、航空航天发动机推力测试、螺旋桨推力测试、汽车碰撞测试、微创手术机器人、打磨抛光器械、搅拌摩擦焊、机床加工力测量等众多领域，六维力传感器发挥着重要作用，其获得的六维力的准确性直接影响着系统的工作性能和控制精度。

从六维力传感器结构上分析，六维力传感器主要可以分为整体弹性结构式，Stewart并联结构式，压电晶体式、无摩擦导轨式(气浮、磁悬浮)，柔性结构式等，其中商用小型六维力传感器和MEMS领域主要采用整体弹性结构式，包括三垂直筋、I型梁积木、双环、桶型、马尔蒂斯十字梁、八垂直筋、非径向三梁、E结构、T结构，双悬臂梁等结构。大型六维力传感器主要采用Stewart并联结构式及球支撑并联结构，压电晶体式主要有4、6、8组平面布置结构，用于高频动态测量领域，无摩擦导轨式由于结构体积太大应用极少，柔性结构式主要用于机械手指端抓取，精度很低。

整体弹性结构式一般采用柔性铰链或柔性平板结构代替物理铰链，其精度稍高，但结构刚度小，且由于柔性体部分的耦合影响，精度一般在2％～5％，且由于其结构刚度较低，一般还需增加安全结构(避免变形过大损坏)或采用橡胶填充以避免振动过大。Stewart并联结构式结构刚度较大，但由于采用了物理铰链，有较大的摩擦力影响，其精度很低，也有采用柔性铰链代替结构中的物理铰链的方式，但会造成结构刚度低，且柔性铰链中的耦合力矩也无法消除，精度同样不高。压电晶体式一般采用平面多组布置，每一组包含三个晶片分别测量三个轴向力，转矩由多组轴向力进行推算，测力频响较高，但测力精度较低，且由于电荷漂移不适合静态测量。

从六维力传感器所用敏感元件分析，主要采用的敏感元件有应变片式(电阻应变、半导体应变、光栅应变等)，压电晶体式、光学传感器式(三角光、共焦光、像散光等)和电学传感器式(电容、电感、电涡流等)。一般情况下，整体弹性结构传感器多采用应变片、光学传感器、电学传感器。压电晶体式传感器多采用多片叠加(一般为3片，分别测量相互垂直的3个轴向力)的压电晶体。Stewart式传感器敏感元件多采用应变片和压电晶体。

绝大多数整体弹性结构多维力传感器采用解耦矩阵进行六维力计算，解耦矩阵可以采用实验法或者有限元法获得，这种方法认为根据能量最小原理弹性结构体的某些部位的应变变形一定与六维力呈正比，但实际上这种假设经常存在较大误差。Stewart并联结构六维力传感器通常采用螺旋理论进行计算，这种计算假定所有并联机构的铰链部分为理想铰链，不存在任何摩擦力(力矩)，而在计算中被忽略的摩擦力(力矩)通常对结果产生非常大的影响，因而其精度很差。压电晶体结构六维力传感器通常将所有压电晶体布置在一个平面内，认为压电晶体内只承受3个方向的力，而忽略其上的力矩，这同样会导致很大的计算误差，且由于电荷衰减静态测量效果不好。

综上所述，现有六维力传感器在计算方法上都是对应变梁(或压电晶体)的某一些变形应力进行忽略，或者对机械铰链摩擦力进行忽略，进而将模型简化找到求解方法，这就导致其计算精度很差，具体表现为维间耦合(Crosstalk，Crosscoupling，Dimentionalcoupling，Class II error)非常大，为了解决该类问题而在某些维度采用了柔性非常大的结构，进而导致了传感器在某些维度的刚度又非常小，工作时稳定性很差，甚至必须采用大变形时保护结构，且即使刚度很小，维间耦合过大问题也难以根本解决，依然要高达2％～5％。

现有的商用六维力传感器制造商主要有ATI，JR3，AMTI，Kistler，HBM，Schunk，Sunrise Instruments(宇立)，ME，Optoforce(Onrobot)，Hypersen(海伯森)等，这些公司的产品基本上采用的也是上述的一些基本结构，其中以整体弹性式和压电晶体式为主，其传感器精度基本上都在2％～5％，由于计算方法限制，进而导致结构限制，很难进一步提高。

由于现有的六维力传感器精度很低且其刚度很小，在商用领域，除打磨、抛光、夹持、汽车碰撞试验、车轮力测量等所需传感器精度很低的情况外，几乎很难进行大规模商业应用，而上述的打磨、抛光、夹持等应用场合可以很容易地用气动、弹性等元器件进行替代，因此应用也不多。以需要高精度测力的协作力控机器人为例，当前真正的商品化力控机器人，例如iiwa，几乎都采用单轴力传感器进行替代，但由于机器人的每一个轴都需要采用一个单轴力传感器，造成机器人结构极其复杂，成本极高，且造成高速运动时惯性力解算极其困难。以需要高精度测力的医疗微创手术机器人为例，几乎所有操作医生均认为手术过程中的力反馈对操作者影响很大，但由于现有六维力传感器精度太低，因而其只在研究中有所应用，所有当前真正商用化的微创手术机器人，例如da Vinci，都放弃了采用六维力传感器而只采用图像传感器。

现有的三维力传感器，包括三个轴向力和平面内两个轴向力和一个转矩类型，以及其它多维力传感器(两维、四维、五维)同样存在精度不高的问题，解决最通用的空间六维力传感器及平面三维力传感器的高精度求解问题则可以通过忽略一些维度力的方法解决所有多维力传感器高精度求解问题。

发明内容

本发明为了解决现有多维力传感器获得的多维力精度低(主要是维间耦合过大)、传感器结构刚度小、计算过程太复杂实时性差等问题。

基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，包括以下步骤：

建立附着于支撑平台上的全局坐标系统oxyz；

外力作用下负载平台在全局坐标系统oxyz下产生位移

分别建立以应变梁与负载平台接触面中心为局部坐标系原点o

以应变梁与支撑平台接触面中心为局部坐标系原点

根据应变梁和支撑平台的结构关系确定每个局部坐标系统与全局坐标系统的关系；

局部坐标系统中应变梁在力作用下产生变形位移，

根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；根据空间矢量变换利用所述的部分局部坐标系下的局部变形位移，即可观测量，计算出负载平台在全局坐标系统oxyz下产生位移

根据所述的得到的所有应变梁的

定义应变梁在局部坐标原点o

对于负载平台和支撑平台，将负载平台和支撑平台看做半弹性空间；定义负载平台在局部坐标原点o

将支撑平台对应的柔度矩阵

将局部坐标系转换到全局坐标下得到全局坐标下刚度矩阵

则在全局坐标系下的原点处的所有应变梁、负载平台、支撑平台的刚度矩阵和为

全局坐标系下负载平台承受的外部合力为

多维力是六维力时，包括三个力和三个力矩组成的广义力为

广义力、广义位移变形和刚度矩阵的关系为

在多维力传感器实际测量时，由于刚度矩阵只与实际结构相关，事先已经得到；

测量出负载平台在外力作用下的的微位移，进而得到外部负载力，即多维力传感器获得的多维力，所述多维力包括三维力、六维力。

上述过程可以直接表达为：基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，包括以下步骤：

建立附着于支撑平台上的全局坐标系统；

分别建立基于应变梁和位移传感器的局部坐标系统，建立之后应变梁和位移传感器分别对应的局部坐标系统不随应变梁和位移传感器运动；

根据空间矢量变换法则建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，包括广义力变换关系、广义变形位移变换关系和位移传感器变换关系；

所述的广义力包括力和力矩，所述广义变形位移包括直线位移和转角位移；

多维力为六维力时，广义力包括3个力和3个力矩，广义变形位移包括3个直线位移和3个转角位移；多维力为平面三维力时，广义力包括2个力和1个力矩，广义变形位移包括2个直线位移和1个转角位移。

根据理论力学、材料力学和弹性力学建立局部坐标系统下的应变梁、支撑平台及负载平台的变形和受力的关系矩阵，即局部刚度矩阵和局部柔度矩阵；

根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿/绕测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；

根据所述负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系沿/绕测量轴线的局部变形位移计算负载平台在全局坐标系统下的变形位移，包括三个直线位移和三个转角位移；

根据负载平台在全局坐标系统下的变形位移计算每个应变梁相应局部坐标原点在局部坐标系统下的所有局部变形位移，包括三个直线位移和三个转角位移；

根据每个应变梁在局部坐标系统下的局部变形位移计算每个应变梁在局部坐标系统下的局部广义力，包括三个力和三个转矩；

将所有应变梁在局部坐标系统下的局部广义力根据局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系平移到全局坐标系统原点并求和，得到多维力传感器的多维力。

实际上上述过程也可以用进行调整，也能够作为多维力获取方法，即基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，包括以下步骤：

建立附着于支撑平台上的全局坐标系统；

分别建立基于应变梁和位移传感器的局部坐标系统，建立之后应变梁和位移传感器分别对应的局部坐标系统不随应变梁和位移传感器运动；

根据空间矢量变换法则建立局部坐标系统和全局坐标系统间的矢量变换关系矩阵，包括广义力变换关系、广义变形位移变换关系和位移传感器变换关系；

所述的广义力包括力和力矩，所述广义变形位移包括直线位移和转角位移；

多维力为六维力时，广义力包括3个力和3个力矩，广义变形位移包括3个直线位移和3个转角位移；多维力为平面三维力时，广义力包括2个力和1个力矩，广义变形位移包括2个直线位移和1个转角位移；

根据理论力学、材料力学和弹性力学建立局部坐标系统下的应变梁、支撑平台及负载平台的变形和受力的关系矩阵，即局部刚度矩阵和局部柔度矩阵；

根据空间矢量变换关系，将每个梁的局部刚度矩阵和柔度矩阵平移到全局坐标系统原点并求和，得到多维力传感器的全局刚度矩阵和柔度矩阵；

根据应变梁上粘贴的应变片，或/和压电晶体作为应变梁，或/和负载平台和支撑平台之间设置的位移传感器，得到负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系下沿/绕测量轴线的局部变形位移，称为可观测量；

根据所述负载平台与相应局部坐标系原点重合点在局部坐标系沿/绕测量轴线的局部变形位移计算负载平台在全局坐标系统下的广义变形位移，包括三个直线位移和三个转角位移；

由于广义力与广义变形位移直接呈现线性关系，即广义力等于全局刚度矩阵乘以广义变形位移，根据上述得到的全局刚度矩阵和广义变形位移即可得到多维力传感器的广义力。

本发明中的计算方法中的理论力学计算采用的是牛顿-欧拉原理，实际上采用例如螺旋理论(Screw theory)等也可以计算得到与本发明同样的计算方法，由于螺旋理论等实际上本质上也是基于牛顿-欧拉原理得到，推导方法本质上并无不同。

本发明的有益效果：

本发明可以极大地提高多维力传感器的测量精度，同时可以通过并联杆系(应变梁)方式有效地提高多/六维力传感器的结构刚度，另外由于本计算方法为求解线性方程组，其计算速度极快，可用于实时测量和反馈控制。

本发明的计算方法考虑到了应变梁的所有六维方向的变形及其应力及支撑平台和负载平台的六维弹性变形，进而从原理出发在计算方法上消除了传统计算方法中必然存在的维间耦合，基于该种方法，弹性敏感元件采用了两伪刚体间并联多根应变梁结构，避免了传统结构中弹性结构的耦合，令六维力传感器不但精度高，且结构刚度极大。传统结构中无论是整体弹性结构还是Stewart结构、压电晶体结构，其维间耦合一般都大于2％，而采用本发明，可以令维间耦合小于1‰，由于采用了冗余并联杆系结构，通过适当设计，可以非常容易令结构刚度很大，计算方法采用的是线性方程组求解，计算速度极快，适于实时得到测力结果。

本发明的计算方法最终表现为线性方程组求解，在保证计算精度高的情况下，计算速度极快，对多维力传感器的测量带宽没有任何影响。

附图说明

图1为并联杆系多维力传感器示意图，loading platform为负载平台，supportingplatform为支撑平台；

图2为传感器中的第i根梁局部坐标系统，图中strain gauge为应变片；

图3为梁局部坐标系统的形成及Coordinate Ma的建立方式；

图4为局部坐标系统中应变梁在力作用下的变形示意图；

图5为任意形状应变梁结构示意图；

图6为弹性半空间刚性平面受力示意图；

图7为刚度矩阵坐标示意图，图7(a)为弯梁，图7(b)为直梁；

图8为平面应变梁并联示意图；

图9为传感器沿测量轴线测量示意图，图9(a)为电容传感器测量负载平台位移示意图，图9(b)为三角光传感器测量负载平台位移示意图；

图10为位移传感器布置及坐标建立示意图，图10(a)为位移传感器的布置示意图；图10(b)为位移传感器坐标系的建立示意图；

图11为应变梁上设置应变片的示意图；

图12为应变片测量示意图，图12(a)为1、3应变片测量示意图，图12(b)为应变片2、4测量示意图；

图13为平面应变梁局部坐标系统中应变梁在力作用下的变形示意图；

图14为多维力传感器对应的局部坐标系和全局坐标系的力变换示意图；

图15为设计的平面8梁结构的三维力传感器；

图16为特定载荷下的应力云图；

图17为沿x，y轴的力和绕z轴的力矩；

图18为沿x，y轴的力和绕z轴的力矩误差；

图19为沿x，y轴的力和绕z轴的力矩随机误差；

图20为沿x，y轴的力和绕，z轴的力矩；

图21为沿x，y轴的力和绕z轴的力矩误差；

图22为沿x，y轴的力和绕z轴的力矩随机误差；

图23为采用压电晶体作为应变梁的平面三维力传感器；图23(a)为压电晶体沿自身轴线x

图24为采用压电晶体作为应变梁的六维力传感器；

图25为采用电容传感器的平面三维力传感器；

图26为采用电容传感器的六维力传感器；图26(a)为整体示意图；图26(b)为电容传感器内部布置示意图。

图中中英文对照说明：

Loading platform:负载平台；Supporting platform:支撑平台；Strain gauge:应变片；Fixed on supporting platform:固定于支撑平台；Initial state:初始状态；Rotation about x/y/z:绕x/y/轴旋转；Transformation along x,y,z:沿x,y,z轴移动；Connection with loading platform:与负载平台连接；Displacement of loadingplatform:负载平台位移；Bending deformation by*:由*引起的弯曲变形；Sheardeformation by*:由*引起的剪切变形；View A:视图A；High stiffness along x

具体实施方式

具体实施方式一：

并联杆系多维力传感器，如图1所示，支撑平台和负载平台为刚体(实际应用中支撑平台和负载平台都是伪刚体，即变形量极小的近似刚体)，负载平台和支撑平台通过并联杆系(多根应变梁)连接，并联杆系中的应变梁作为弹性敏感元件；

在支撑平台和负载平台之间布置有测量两者之间微位移(由于应变梁变形导致)的微位移测量传感器，微位移测量传感器包括电学、光学位移传感器及其它非接触或微力接触传感器；电学位移传感器一般采用电容、电感、电涡流等类型电学传感器，光学位移传感器一般采用三角光、共焦光、像散光等类型光学传感器；

和/或，

在弹性敏感元件(应变梁)上粘贴有应变片(strain gauge)，应变片包括电阻应变片、半导体应变片和光学应变片(布拉格光栅FBG)等；

和/或，

采用压电晶体作为弹性敏感元件(应变梁)；

实际上就是，可以在支撑平台和负载平台之间布置微位移测量传感器，或者在弹性敏感元件上粘贴有应变片，或者采用压电晶体作为弹性敏感元件，或者三者结合。

具体实施方式二：

在说明本实施方式之前首先对本发明的空间矢量符号的表示形式进行说明，例如

符号的主体表示空间矢量，Q表示包括力和力矩的广义力，F表示力，M表示力矩；Δ表示包括位移和转角变形的广义变形，ΔD表示位移变形，Δθ表示转角变形；r表示应变梁局部坐标系原点在全局坐标系下的与全局坐标系原点的距离，β表示应变梁局部坐标系绕全局坐标系三个轴的转角；

左上角的上角标代表坐标系统，左上角的上角标为g表示对应的参数为全局坐标系(oxyz)下的参数，左上角的上角标为i表示对应的参数为局部坐标系(o

左下角的下角标代表矢量作用的点，左下角的下角标为o表示对应的矢量作用在全局坐标系(oxyz)的原点o，左下角的下角标为o

右上角的上角标为i表示施加者为第i根应变梁，g或者空白表示为全局量，即施加者为负载平台上的外力；

右下角的下角标代表矢量的方向，右下角的下角标为x表示沿着左上角坐标系中的x轴，如

例如，

基于并联杆系多维力传感器获取多维力，本发明适用于实施方式一中的任何形式的多维力传感器结构。

基于并联杆系多维力传感器的多维力获取方法，包括以下步骤：

首先建立各坐标系：

建立附着于支撑平台上的全局坐标系统，即该坐标系统固联于支撑平台不运动，但为了显示方便，一般将坐标系原点放置于负载平台受力部分中心o。如图2所示，图中全局坐标系为oxyz，简记为xyz；y轴与x轴垂直，z轴与平面y-x垂直；

建立表达应变梁局部変形的的局部坐标系统，图中局部坐标系为o

每个局部坐标系统与全局坐标系统的关系都可以用三个旋转角度和三个平移距离来表示，记为

局部坐标系统中应变梁在力作用下的变形示意图如图4所示；采用Euler梁时(也可采用Timoshenko梁或其它高阶梁)，根据应变梁的受力关系可知：

E为弹性模量，G为剪切模量；l

应变梁在局部坐标原点o

应变梁可以为任意形状应变梁(包括图7中弯梁)，如图5所示。对于任意形状的应变梁，可以采用有限元或试验方法获得应变梁的在局部坐标原点o

弹性半空间刚性平面受力示意图如图6所示，对于负载平台和支撑平台，可以将负载平台和支撑平台看做弹性半空间，其与应变梁连接处的柔度矩阵可以通过弹性半空间上的刚性平面受力位移变形关系得到；

负载平台在局部坐标原点o

以应变梁与支撑平台接触面中心为局部坐标系原点

可以采用有限元或试验方法获得柔度矩阵均

也可以采用Boussinesq和Mindlin等的弹性半空间理论推导该柔性矩阵近似值：

式中：E-弹性模量；μ-泊松比；A-刚性平面面积；I

应变梁对应的柔度矩阵

为了后续统一理解，现将一种通用的空间矢量变换矩阵进行说明，说明中的两个坐标系统o

为坐标系o

Rot(γ)＝Rot(z,γ

Rot()指空间旋转变换；其逆变换为：

Rot

代表矢量d＝[d

在具体应用

刚度矩阵变换坐标示意图如图7所示，图7(a)中梁为弯梁，图7(b)中梁为直梁；

在局部坐标o

当应变梁为直梁时，

其中

对于每一根应变梁i，在其局部坐标系原点的柔度矩阵都可以采用上述方法获得；

单根应变梁以及分别与负载平台、支撑平台连接处的柔度和矩阵的逆矩阵，即其刚度矩阵

局部坐标系转换到全局坐标下刚度矩阵的转换公式为：

T

以图8所示的平面三维力传感器为例，在全局坐标系下的原点处的所有应变梁、负载平台、支撑平台的刚度矩阵和为

全局坐标系下负载平台承受的外部广义力为

力和位移、刚度的关系可以写为：

在多维力传感器实际测量时，由于刚度矩阵只与实际结构相关，所有结构参数事先已经得到，只要测量出负载平台在外力作用下的六个方向的微位移，即可以得到外部负载力六个分量的大小，即：只要通过支撑平台和负载平台之间布置的微位移测量传感器，和/或，弹性敏感元件上粘贴有的应变片，和/或，采用压电晶体作为敏感元件，测量得到负载平台在外力作用下的六个方向的微位移，即可以得到多维力传感器获得多维力，包括三维力，六维力及其它维度力。

本发明将该计算方法称为Principle Ma。

具体实施方式三：

本实施方式所述通过支撑平台和负载平台之间布置的微位移测量传感器测量负载平台在外力作用下的六个方向的微位移，具体过程如下：

负载平台位移的测量可以采用非接触电学位移传感器或光学位移传感器或者微力接触位移传感器：

如图9所示，图9(a)为电容传感器，只有x

如图10(a)和图10(b)所示，建立附着于位移传感器上的位移传感器局部坐标系统，位移传感器测量的发生位移的方向为局部坐标系统x

对于平面的三维力传感器而言，有3个位移传感器即可完全测量出负载平台的3个位移，当采用更多位移传感器时可以采用最小二乘法进行计算；

对于立体的六维力传感器而言，有6个位移传感器即可完全测量出负载平台的6个位移，当采用更多位移传感器时可以采用最小二乘法进行计算。

针对于六维力传感器而言，位移传感器在位移传感器局部坐标系下与在全局坐标系下的位移关系为：

其中，

上式是一种通用的表达，对于平面三维力和其它维度传感器(二维、四维、五维)而言，实际上只要做适度简化，其公式表达完全一致。

定义如下全局坐标系原点与位移传感器局部坐标系原点的位移协调关系矩阵为

其中的

每一个传感器的全局坐标系下的位姿都可由

式中cβ表示cos(β)，sβ表示sin(β)；

公式(21)与公式(22)完全一致，由于公式(22)中的β

针对于六维力传感器而言，想要获得六维力，可以同时设置至少六个位移传感器获得负载平台六个自由度的位移；

当位移传感器m＝6，即采用6个传感器时，

则可定义

则上述方程组可写为矩阵形式：

A

A

因此根据A

如图26(a)和图26(b)为在支撑平台和负载平台之间布置有多个电容传感器的六维力传感器示意图。

针对于三维力传感器而言，如果在支撑平台和负载平台之间布置有多个电容传感器，如图25所示的平面三维力传感器，电容传感器的测量轴线为沿其局部坐标系统o

具体对于平面三维传感器可以写为：

当有3个以上的传感器时，则可以列出方程组，每一个

其他步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：

本实施方式所述通过弹性敏感元件上粘贴有的应变片测量负载平台在外力作用下的六个方向的微位移，具体过程如下：

采用应变片时，应变片对称粘贴于应变梁的四个(或者两个)侧面，如图11所示；

则应变梁沿其自身局部坐标系统的x

此时由于应变梁的柔度系数已知，沿x

则应变梁沿x

如果将负载平台和支撑平台都视为刚体，则负载平台与支撑平台之间沿局部坐标系统x

如果考虑负载平台和支撑平台的柔度，由于负载平台和支撑平台在x

则负载平台与支撑平台之间沿局部坐标系统x

上述的应变梁、负载平台和支撑平台的柔度系数也可以采用有限元或者试验方式测量的出。

上述方式就相当于将应变梁看做一个可以测量沿其自身局部坐标系统x

其他步骤与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：

上面的分析中采用了空间变换矩阵简化符号

为了更清楚地说明计算方法，本实施方式给出一种平面的三维力获取的具体过程，在该过程中，将上述空间变换符号

平面的三维力传感器获得平面三维力的具体过程：

该传感器采用应变片作为变形测量元件，且负载平台和支撑平台都考虑为纯刚体。

针对于平面的的三维力传感器而言，多维力传感器中局部坐标系统中应变梁在力作用下的图4所示变形示意图简化为图13所示；

在局部坐标系x

E为弹性模量，A

I

那么，在局部坐标系x

上述关系中的

局部坐标系和全局坐标系的力示意图如图14所示；

在局部坐标系x

应变梁上的力从o

上面力的变换公式同样为采用T

因此，负载平台上的总力为

基于以上的公式，基本方程组可以写成

方程组中的变量是：

变量包括全局力

以应变梁n＝3为例，

线性方程系统可以写成

Av＝B (38)

其中，

其中，sβ＝sin(β)，cβ＝cos(β)；

观察线性方程系统Av＝B，最后3行可以直接用来计算全局坐标系中负载平台(刚体)的位移

然后用A的中间6行计算局部力；最后用前3行计算全局力；该方法可进一步提高计算速度。

这可以整理为3个公式：

A

A

A

其中

通过A

当其中观测变量大于3个，即应变梁数量大于3或

这意味着无论在刚性平台上附加多少根应变梁，计算整体力都是非常容易的，通常由于均化效应，随着梁数的增加，计算精度也会提高。

具体实施方式六：

本实施方式中，空间六维力传感器获得六维力的具体过程，上述空间变换矩阵

下面的方法中采用应变片作为变形测量元件，且负载平台和支撑平台都考虑为纯刚体。

下面计算方法将应变梁在空间的Coordinate Ma变换中的沿x轴的旋转变换角度设为0，由于下面的计算中只采用应变梁沿局部坐标系x

当沿x轴的旋转变换角度设为0时，如图3所示的Coordinate Ma的变换的旋转变换及逆变换为：

上述变换与T

相应的力变换可以具体推导：

施加在负载平台原点o点上的力矩应分为两部分：

根据coordinate Ma，

当应变梁上的局部力在全局坐标系中从o

根据方程(50)和(51)，

上述变换即为包括了反对称算子的空间变换T

相应的位移变换可以具体推导：

在全局坐标系xyz中，负载平台的原点o的位移

在全局坐标系xyz中，应变梁上的原点o

在局部坐标系x

加载平台的整体变形

将方程(65)引入到方程(64)中，可得：

因此，在应变梁i的局部坐标系x

根据上述推导可以进行求解，其方法如下：

全局力可分为三步计算。

步骤(1)、计算负载平台的整体位移：

根据公式(66)，局部坐标系x

采用公式(67)来构造A

则公式(67)可以写为：

应变梁为6个，即n＝6，因此可以令i＝1～6，共构造6个方程，组成方程组，写成矩阵形式：

A

相关参数可以参考公式(38)中的矩阵A和向量B获得；

可以使用公式(74)计算负载平台的全局位移。

当应变梁大于6，即n>6时，

用最小二乘法来计算v

A

步骤(2)、计算局部坐标系中局部力：

在计算全局位移Δ的情况下，可以使用公式(63)和(66)计算局部坐标系中的所有局部位移；

然后，根据公式(1)至(6)用于计算局部坐标系中的所有局部力。

也可以采用矩阵方式进行求解：

A

可以用公式(48)分别求每个应变梁i的局部力，所有梁的全部方程式也可以写作：

B

v

A

因此，可以使用公式(85)直接求出所有应变梁的局部力。

步骤(3)、计算加载平台上的全局力：

根据方程(49)和(52)，可以计算出每个梁i对全局原点o施加的每个全局力和力矩。因此，

公式(86)和(87)也可以写作矩阵形式

v

A

采用上述方式即可以计算出传感器六维力，其也可以用一个统一线性方程组来表征。

以上公式(74)、(85)和(91)可以合并成一个方程系统；

B＝[B

v＝[v

Av＝B (95)

公式(95)也是Principle Ma考虑了全局位移、全局力和局部力的一种书写方式，当n＝6时，即有6个可观测量时，可以直接求解该齐次线性方程组；如果它是超定线性方程组，即n>6时，则可以使用最小二乘法A

具体实施方式七：

本实施方式为一种多维力获取方法，多维力为三维力或六维力。本实施方式中，平面三维力传感器获得三维力的具体过程中，或空间六维力传感器获得六维力的具体过程中，采用压电晶体作为应变梁获取多维力。

平面三维力传感器获得三维力的计算方法与具体实施方式五基本一致；

下面的方法中采用压电晶体作为应变梁，且负载平台和支撑平台都考虑为纯刚体。压电晶体采用预压紧方式安装，保证受力过程中不会与支撑平台和负载平台脱离接触。

如图23(a)所示压电晶体沿自身轴线x

压电晶体的预紧方法如图23(b)所示，将支撑平台分为上装支撑平台(Uppersupporting platform)和下装支撑平台(Lower supporting platform)两部分，两部分用多组交叉布置的螺栓进行固定并同时施加预加载力；

对于空间六维力获取方式可以采用图24所示的原理图。

实施例

如图15所示，为设计的平面8梁结构的三维力传感器。

该结构的材料是铝合金7075，其性能如表1所示，

表1

平面8梁结构的三维力传感器结构参数如表2所示

表2

仿真中，在负载平台上施加两条单轴加载曲线。第一个加载曲线沿x轴，第二个加载曲线绕轴z。

第一加载曲线的输入力表示为

F

加载曲线上特定点的计算数据如表3所示。特定载荷下的应力云图如图16。

表3

在有限元软件中将输入力施加在负载平台上以计算结构的应力。此后，在有限元软件中测量梁沿轴x

计算结果，计算误差和计算出的随机误差分别如图17，图18和图19所示。计算出的力和扭矩误差是使用输入力和计算力之间的差值，如图18所示。可以观察到误差是线性的。因此，可以通过线性校正来校正误差。

线性校正后的随机误差如图19所示。沿轴x和沿轴y的力的随机误差约为0.0006(N)，测量范围的标度为±100(N)，因此F.S的相对误差是0.0006/200＝0.0003％。绕轴z的扭矩随机误差约为0.000012(Nm)，测量范围的标度为±10(Nm)，因此F.S的相对误差是0.000012/20＝0.00006％。

来自FE软件的应力数据的有效位为6，如表3所示。因此截断误差为0.0005％。

可以看出，力和扭矩的计算随机误差甚至小于来自FE软件的初始计算数据的截断误差。原因在于均化效应，在结构中使用了8个应变梁。沿轴x的加载对沿轴y和绕轴z的计算结果具有小的线性影响。线性影响可以很容易地纠正。校正后几乎没有观察到维间耦合。

沿轴y的输入力的结果与沿轴x的输入力的结果完全相同，因此这里将不再示出结果。第二曲线的输入扭矩表示为F

加载曲线上特定点的计算数据如表4所示，

表4

计算结果，计算误差和计算出的随机误差分别如图20，图21，图22所示。

图22中所示的随机误差与图19中所示的类似。这意味着在FE软件中使用上述求解方法的计算结果几乎无法观测到误差(包括I类误差，即沿力加载轴线误差，和II类误差，即维间耦合误差)。使用不同的FE软件(Solidworks simulation，Ansys，Abaqus)或使用不同的网格时(梁部位网格密度需要足够大)，结果基本类似。