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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，工程技術師們會經常接觸到三維力傳感器及六維力傳感器，隨著工業4.0時代的到來，產品技術也有所更新和變化，我們先來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變式測力傳感器的基礎上采用電阻應變式原理，也稱應變式三維力傳感器。有彈性元件、電阻應變計和惠斯通電橋電路組成。被測物體的重量作用在彈性元件上使其變形而產生應變量，粘貼在彈性元件上的電阻應變計將與物體重量成正比的應變量轉化為電阻變化，再通過惠斯通電橋電路將電阻變化轉化為電壓輸出，通過顯示儀表將測得此電壓輸出值即可完成測量計量任務。

ME K3D160 三維力傳感器
三維力傳感器的特點：
它可以同時檢測三個方向的力值變化情況，X軸、Y軸、Z軸(垂直力)，同時輸出三組電壓信號，該傳感器有三種測量載荷可選(每通道)，可以通過多通道顯示儀表顯示數據值。
三維力傳感器被廣泛的應用在汽車制造、航空航天、輕紡工業等領域。
二、六維力傳感器的工作原理：
六維力傳感器的每一個力對應一個矢量，它們既有大小又有方向，它的標定都是假設傳感器系統是一個線性系統，即傳感器靜態數學模型滿足
F=CV
V是它的6路原始輸出信息(列信息，單位是V)，F是經過計算的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和通過數據采集上采樣得到的傳感器6個輸出信號矢量組V求出標定矩陣C，傳感器的輸出信號是一個6路電壓信號組成的矢量。
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個線性無關的力矢量，并測得對應6個力矢量的傳感器的輸出電壓信號矢量V，就可以得到一個惟一解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、有機械過載保護功能等優點，被廣泛的應用在機器人、機械裝配、產品測試、機械加工等行業中。
多維力傳感器的出現，加速了科技強國的發展，促進經濟的發展，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計.ppt

案例：六維力傳感器的原理與設計 每個力對應一個矢量 既有大小又有方向 單維力傳感器: 只有力大小已知 某些方面應用時需要已知更多的信息 單維力傳感器：兩個力看起來都是5N 六維力/力矩傳感器  六維力傳感器 三維空間：需要知道 每個軸上的力和力矩 六維力傳感器的結構 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維力傳感器的結構 非徑向三梁結構六維力傳感器 T型桿結構六維力傳感器  高等人發明的六維力傳感器 Stewart 力傳感器樣機 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 結構緊湊 承載能力大 無累積誤差 精度高 反解簡單 傳統的Stewart 力傳感器 傳統的Stewart 力傳感器 關節摩擦力矩較大 易產生機械間隙和遲滯現象 很難使各預緊力一致 傳統的采用球副 預緊式傳感器的結構分析 大大降低了關節摩擦力矩的影響 減小了機械滯后現象 修正后具有單一約束的球副 預緊分支 預緊螺母  有中間預緊分支的預緊式傳感器 上平臺 彈性分支 預緊支路 下平臺 雙層預緊式力傳感器 中間預緊分支的結構相對比較復雜 施加預緊力比較困難 具有7分支的雙層預緊式力傳感器 雙層預緊式力傳感器 （1）測力平臺；（2） 預緊平臺；（3） 測量分支；（4）球窩； （5）下平臺; （6） 球窩；（7）預緊螺栓；（8）基座 8分支上下層預緊式力傳感器 (1) 測力平臺; (2) 預緊平臺; (3) 測量分支;  (4) 球窩;(5) 預緊螺栓;(6) 基座 8分支左右預緊式力傳感器 (1) 測力平臺;  (2) 左預緊平臺;  (3) 測量分支; (4) 右預緊平臺; (5) 預緊螺栓。 實驗研究    具有中間預緊分支的力傳感器樣機 加載面 標準單維力傳感器 六維力傳感器的標定系統  單維力傳感器 數據采集和 處理軟件 六維力傳感器 載荷 導輪 測量誤差 力/力矩分量 測量誤差 Fx 0.2% Fy 0.4% Fz 1.3% Mx 0.1% My 1.1% Mz 0.4% 六維力/力矩傳感器的應用 機械臂的末端感應器 觸覺 微力的測量   六維力/力矩傳感器有著很廣泛的應用，如機械裝配、產品測試、機器人物料輸送、觸覺、微力測量等。

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
　　六維力傳感器標定原理
　　六維力傳感器的標定均在假設傳感器系統為線性系統的情況下進行，即傳感器靜態數學模型滿足
　　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是經過計算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
　　傳感器靜態標定的實質就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過數據采集上采樣得到的傳感器6個輸出信號矢量組V求出標定矩陣C，傳感器的輸出信號是一個6路電壓信號組成的矢量。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個線性無關的力矢量，并測得對應6個力矢量的傳感器的輸出電壓信號矢量V，就可以得到一個惟一解C。

　　 六維力傳感器標定裝置簡介
　　“氣動力—慣性力復合離心試驗”六維力傳感器標定系統由測試系統和標定裝置兩部分組成，測試系統主要包括力傳感器，信號測量及放大裝置，數據采集卡，計算機以及標定軟件;傳感器標定裝置由六維力承力墻、承力鋼梁、過渡法蘭、L型加載梁，液壓協調加載系統等組成。其中承力墻、過渡法蘭、承力鋼梁主要用于傳感器和液壓作動筒的轉接和固定，液壓協調加載系統是載荷施加和控制裝置。
　　作為標定裝置的核心部件—型加載梁：其設計精巧，簡單實用，確保力傳遞的連續型和準確性。其8個45°均布的安裝螺孔，使L型加載梁的安裝位置45°可調，從而使xF和yF載荷的施加可以實現，L型的外形設計，使該加載裝置不僅可以實現單唯力的施加，而且可以根據需要完成不同方向和大小的力矩和單唯力的同時施加，這種裝置從結構設計上滿足了六維力傳感器標定所需所用載荷狀態的實現;后，L型加載梁周身所布置的8個半球狀加載坑，以點一點接觸的方式確保了載荷施加方向的準確性。
　　 六維力傳感器安裝需要注意什么?
　　安裝稱六維力感器重要的問題就是 要是合理的,能夠讓其在日后的工作當中正常的使用。所以進行合理的安裝是非常關鍵的。那么在安裝六維力傳感器的過程當中需要注意什么問題。
　　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,所以出現任何一點震動導致的沖擊或者是發生掉落的情況都會導致出現非常大的數據輸出誤差。因此，安裝六維傳感器要做到輕拿輕放。
　　2、在進行加載裝置設計或者是安裝的時候,要確保加載力的受力和稱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到低狀態。
　　3、假如使用的是六維力傳感器,在安裝底座的時候要使用水平儀進行調整,達到水平狀態才能安裝。如果是安裝多個傳感器一起進行測量 ,那么就要讓多維傳感器的底部盡可能保持在一個水平面上。 這樣的發就可以確保任何一個傳感器所承受的力差不多是一樣的。與此同時,在加載裝置的兩側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候,在其表面還需要涂抹凡士林,這樣可以很好的避免出現化學腐蝕。另外還要盡可能避免太陽光的長時間直接照射,或者是環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的,如果要加長的發就要在接頭的地方進行錫焊而且還要使用有防潮效果的密封膠。
　　 機器人六維力傳感器的使用誤區有什么?
　　六維力傳感器一般分成固定端(機器人端)和加載端(工具端)。兩端相對受力時，傳感器發生彈性變形，傳感器內部的應變計電阻發生變化，進而轉換成電壓信號輸出。使用時需要要根據具體的應用場合考慮，精度和分辨率決不能等同看待。分辨率是指傳感器能分辨的較小信號，精度是指傳感器測量值與標稱值的較小差異。六維力傳感器的精度一般在0.5%F.S以內，M38系列六維力傳感器精度高達0.2%F.S，分辨率約為滿量程的1/5000，能夠滿足各種應用需求。XYZ三維空間內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。
　　使用時的誤區有，只考慮力，彎矩考慮不夠。只考慮了外力大小，未考慮力臂(受力點離傳感器中心的距離)引起的彎矩。空間未充分利用。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、通信等問題。量程選擇不合適。傳感器量程用得過滿，碰撞、誤用、機器人移動加速度等引起力和力矩考慮不夠。布置位置不合理。傳感器離受力點太遠，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，能夠同時測量中性坐標系(OXYZ)內的三個力(FX、FY、FZ)和三個矩(MX、MY、MZ)。六維力傳感器一類技術含量相當高的產品，在機器人、國防、汽車等領域都有重要應用。
　　 六維力傳感器未來市場的應用熱點
　　傳感器可對各種旋轉或非旋轉機械部件上的力和扭轉力矩進行感知及檢測，因而被廣泛應用于各種動力設備、過程/流程工業、實驗室測試部門等應用場所。多軸力/扭矩傳感器能夠測量并輸出在笛卡爾直角坐標系中多個坐標軸(X，Y和Z)上的力和扭矩，主要用于工業機器人手臂、遠程控制機器人系統、牙科研究和外科手術、產品測試、汽車部件測試等市場。
　　傳感器市場持續保持著5%左右的低速成長。而同時，在另一方面，由于物聯網建設和中國制造轉型升級的共同，近幾年中國傳感器市場呈現出年均15%以上的發展速度，無線傳感器、六維力傳感器、MEMS傳感器、生物傳感器等新興種類的產品成為重要的增長熱點;此外，在工業自動化控制、汽車電子、航空航天等領域中，伴隨著行業用戶對智能化水平的要求日益高漲，一些較為成熟的測試/測量傳感器也同樣面臨著旺盛的市場需求，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方法
　　多分量力傳感器校準是為了獲得信號與力的對應關系。校準過程可以表達成二次多項式的形式。可以發現，這種表達方式與國內教科書上的不太一樣，我們通常是將力F放在等號的左邊。就校準過程來講，這種表達似乎更加合理，那是因為施加了確定的力，而得到了信號。
　　在校準過程中，所施加的載荷F是已知的，而信號Ri是通過高精度數據采集系統得到的，ε是誤差項。對于六分量的力傳感器，有36個一次項系數，還有126個二次項系數。當然，這些系數的獲取是受到校準設備的限制的，而校準誤差的大小與校準系統的不確定度也有很大關系。
　　國外的一些六維力傳感器的校準方法，只是一份短短的讀書筆記。真正的校準數據處理過程其實很復雜，通常需要用到小二乘法，還有一些數據處理的技巧。在多元回歸過程中有很多成熟的代碼或者軟件可以幫助完成。
　　在校準配套的系統里，甚至還有成熟的軟件直接得到校準結果，校準人員只需要點點鼠標就可以完成校準。但是作為一名合格的力傳感工程師應該從根源上了解背景知識，這樣才能處理校準過程中的問題，并且不斷改進校準質量。

六維力傳感器原理：六維力傳感器工作原理？

六維力傳感器的標定均在假設傳感器系統為線性系統的情況下進行，即傳感器靜態數學模型滿足
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是經過計算的6路力信息(列信息，力的單位是KN，力矩的單位是KNm)[6-7]。
傳感器靜態標定的實質就是利用施加在六維力傳感器上的廣義力矢量組F和通過數據采集上采樣得到的傳感器6個輸出信號矢量組V求出標定矩陣C，傳感器的輸出信號是一個6路電壓信號組成的矢量。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個線性無關的力矢量，并測得對應6個力矢量的傳感器的輸出電壓信號矢量V，就可以得到一個惟一解C。