力/扭矩传感器温度补偿制造技术

在得出应变计输出之前，机器人力/扭矩传感器上的应变计被单独地温度补偿，以估测传感器上的力和扭矩负载。热传感器被安装靠近每个应变计，并且在已知负载和温度下，获得初始应变计和热传感器输出。力/扭矩传感器随后经历升温，并且再次获得应变计和热传感器输出。这些应变计和热传感器输出被处理，以诸如通过使用最小平方算法而计算对于温度补偿等式的系数。每个应变计输出使用温度补偿等式而被补偿，并且随后组合应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。

Temperature compensation of force / torque sensor

Before the strain gauge output is obtained, the strain gauge on the machine's manpower / torque sensor is individually temperature compensated to estimate the force and torque load on the sensor. The thermal sensor is mounted close to each strain gauge and obtains the initial strain gauge and thermal sensor output at a known load and temperature. The force / torque sensor then undergoes a temperature rise and again obtains the strain gauge and thermal sensor outputs. These strain gauge and thermal sensor outputs are processed to calculate coefficients for the temperature compensation equation, for example, by using the least square algorithm. Each strain gauge output is compensated using a temperature compensation equation, and the temperature compensation output of the strain gauge is then combined to obtain temperature compensation force and torque values.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】力/扭矩传感器温度补偿
本专利技术总体上涉及用于机器人应用的力/扭矩传感器，并且特别地涉及机器人力/扭矩传感器上的应变计的热补偿。
技术介绍
机器人技术是工业、医学、科学和其它应用中不断发展和日渐重要的领域。在其中机器臂或附接到其的工具接触工件的许多情况下，必须密切监测所施加的力和/或扭矩。因此，力/扭矩传感器是许多机器人系统的重要部件。一种传统类型的力/扭矩传感器使用应变计，以测量连接两个机械部件—一个连接到机器臂，并且另一个连接到机器人工具（或到工具的机械联接）—的小梁的变形。例如，在本领域中称为工具适配器板（TAP）的中心“枢纽”连接到工具。围绕TAP环状地布置并且从TAP间隔开的另一主体连接到机器人臂，所述另一主体在本领域中称为安装适配器板（MAP）。MAP和TAP通过多个相对薄（并且因此可机械变形）的梁连接到彼此，所述梁围绕TAP径向布置—在一些情况下类似于车轮的辐条。分别附接到TAP和MAP的物体之间的相对力或扭矩试图相对于TAP移动MAP，而导致梁中的至少一些的略微变形或弯曲。粘附到每个梁的一些或所有表面的应变计产生电信号，所述电信号与由梁经历的变形成比例。通过得出应变计输出的大小，并且记录应变计的位置，可量化梁的应变，并且可估测TAP与MAP之间引起的力和扭矩。数个应变计类型、用于使应变计位于梁表面上的各种配置、使应变计相互连接的不同拓扑和校正其输出的不同方法在本领域中是已知的。机器人力/扭矩传感器中的主要误差来源是由于热漂移而因此导致的不准确性。热漂移来源包括环境温度变化、环境温度梯度和自热。对于硅应变计，由于温度变化而因此导致的输出电压中的变化可为由于所引起的应力而因此导致的输出电压变化的大小的若干倍—与应力传感器相比，装置可被考虑成更好的温度传感器。在半桥拓扑中连接应变计可补偿温度效应（但仅如果应变计是良好匹配的，并且仅如果其被放置成精确地与彼此相对）。此外，除了影响应变计输出之外，机器人力-扭矩传感器中的温度变化可引起由于结构元件的不相等膨胀/压缩而因此导致的机械应力，传感器可将所述机械应力解释成所施加的负载或力。理解和补偿温度误差对于机器人力/扭矩传感器设计和操作是主要挑战。本文件的
技术介绍
部段被提供，以将本专利技术的实施例放置在技术性和操作性上下文中，以帮助本领域技术人员理解所述实施例的范围和应用。除非被明确地识别如此，否则本文的陈述不仅仅通过将其包括在
技术介绍
部段中而被承认为现有技术。
技术实现思路
以下呈现了本公开的简化概括，以便为本领域技术人员提供基本理解。此概括不是本公开的广泛概述，并且不旨在识别本专利技术的实施例的关键/重要元素或描述本专利技术的范围。本概括的唯一目的是以简化的形式作为稍后呈现的更详细描述的前奏而呈现本文公开的一些构思。根据本文描述和要求保护的一个或多个实施例，机器人力/扭矩传感器上的应变计在得出应变计输出之前被单独地温度补偿，以估测传感器上的力和扭矩负载。热传感器靠近每个应变计被安装，并且在已知负载和温度下获得初始应变计和热传感器输出。力/扭矩传感器随后经历升温，并且再次获得应变计和热传感器输出。这些应变计和热传感器输出被处理，以诸如通过使用最小平方算法而对于温度补偿等式计算系数。每个应变计输出使用温度补偿等式而被补偿，并且随后组合应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。一个实施例涉及操作机器人力/扭矩传感器的温度补偿方法。机器人力/扭矩传感器包括工具适配器板（TAP）和安装适配器板（MAP），所述工具适配器板（TAP）是操作性的，以连接到第一物体，所述安装适配器板（MAP）是操作性的，以连接到第二物体。力/扭矩传感器是操作性的，以测量第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小。在已知负载和温度下，获得粘附到连接MAP和TAP的构件的应变计和测量MAP和TAP的温度的热传感器的初始输出。在传感器经历温度变化之后，获得应变计和热传感器输出。基于初始输出和温度变化之后的输出，计算对于每个应变计温度补偿等式的系数。使用温度补偿等式而补偿每个应变计输出。组合所有应变计的温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。另一实施例涉及温度补偿机器人力/扭矩传感器。机器人力/扭矩传感器包括：工具适配器板（TAP），是操作性的，以连接到第一物体；安装适配器板（MAP），是操作性的，以连接到第二物体；一个或多个可变形梁，将TAP连接到MAP；至少一个应变计，粘附到每个梁的至少一侧，应变计是操作性的，以将梁的一侧的表面上由梁的变形导致的拉伸和压缩力转变成电信号；第一热传感器，粘附到TAP；第二热传感器，粘附到MAP；以及测量电路，是操作性的，以响应于来自所有应变计的电信号和来自所有热传感器的温度输出而测量第一与第二物体之间的力和扭矩的温度补偿方向和大小。附图说明现在将在下文中参考附图更充分地描述本专利技术，在附图中，示出了本专利技术的实施例。然而，不应将本专利技术视为限制于本文阐述的实施例。相反地，这些实施例被提供，使得本公开将是透彻和完整的，并且将使本专利技术的范围充分传达到本领域技术人员。贯穿全文，相同数字指代相同元件。图1是表面安装热敏电阻的一种安装方法的截面图。图2是四分之一电桥传感器拓扑测量的示意性电路图。图3是电桥电路中的电压和电流的示意性电路图。图4是从电桥电流测量计算的对于半桥电路拓扑的最坏情况最小/最大温度误差的图表。图5描绘了机器人力/扭矩传感器上的热传感器放置。图6是未补偿力和扭矩读数的图表。图7是在温度补偿之后图5的力和扭矩读数的图表。图8A–8C是在各种加热和负载条件下不使用温度补偿（8A）、无应力应变计输出补偿（8B）和每个应变计温度补偿（8C）的对于机器人力/扭矩传感器的力/扭矩解的图表。图9是机器人力/扭矩传感器的截面透视图，示出了无应变构件或温度补偿应变计的安装。图10是操作机器人力/扭矩传感器的方法的流程图。具体实施方式为了简洁性和说明性目的，本专利技术通过主要参考其示例性实施例而描述。在以下描述中，阐述了数个具体细节，以便于提供本专利技术的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员将显而易见的是，可实施本专利技术，而不限于这些具体细节。在此描述中，未详细描述众所周知的方法和结构，以免不必要地模糊本专利技术。热误差来源。本领域中已知的是，温度漂移是机器人力/扭矩传感器中的主要不准确性来源。本专利技术人已识别出四种主要温度误差来源。第一，硅应变计的使用引入了热误差。与金属箔应变计相比，硅应变计由于其高敏感性而因此是优选的。然而，其展现了显著更差的温度性能。硅应变计中存在两种主要温度效应—应变计电阻温度系数（TCR）和应变计应变计因子温度系数（TCGF）。TCR随着硅应变计的电阻随其温度改变而出现。在一些应变计中，与电阻由于满量程传感器负载而因此改变相比，电阻可在0-50℃温度摆动上改变更多。许多此温度变化可通过在半桥配置中布线应变计而消除；然而，总是存在影响性能的一些不匹配。TCGF随着硅应变计的应变计因子（也称本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.操作具有工具适配器板（TAP）和安装适配器板（MAP）的机器人力/扭矩传感器的温度补偿方法，所述工具适配器板(TAP)是操作性的，以连接到第一物体，所述安装适配器板（MAP）是操作性的，以连接到第二物体，所述力/扭矩传感器是操作性的，以测量所述第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小，所述方法包括：/n在已知负载和温度下，获得粘附到连接所述MAP和TAP的构件的应变计和测量所述MAP和TAP的温度的热传感器的初始输出；/n在所述传感器经历温度变化之后，获得应变计和热传感器输出；/n基于所述初始输出和所述温度变化之后的输出，计算对于每个应变计温度补偿等式的系数；/n使用所述温度补偿等式而补偿每个应变计输出；以及/n组合所有应变计的所述温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170425 US 62/4895251.操作具有工具适配器板（TAP）和安装适配器板（MAP）的机器人力/扭矩传感器的温度补偿方法，所述工具适配器板(TAP)是操作性的，以连接到第一物体，所述安装适配器板（MAP）是操作性的，以连接到第二物体，所述力/扭矩传感器是操作性的，以测量所述第一与第二物体之间的力和扭矩的方向和大小，所述方法包括：
在已知负载和温度下，获得粘附到连接所述MAP和TAP的构件的应变计和测量所述MAP和TAP的温度的热传感器的初始输出；
在所述传感器经历温度变化之后，获得应变计和热传感器输出；
基于所述初始输出和所述温度变化之后的输出，计算对于每个应变计温度补偿等式的系数；
使用所述温度补偿等式而补偿每个应变计输出；以及
组合所有应变计的所述温度补偿输出，以得出温度补偿力和扭矩值。


2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述热传感器测量所述机器人力/扭矩传感器的所述MAP与TAP之间的热梯度；以及
所述每个应变计温度补偿等式包括表示所述MAP-TAP热梯度的项。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述MAP-TAP热梯度项是线性的。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示每个应变计的温度的项。


5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述机器人力/扭矩传感器还包括靠近一个或多个应变计的热传感器，以及其中，所述热传感器指示每个应变计的温度。


6.根据权利要求4所述的方法，其中，应变计连接在半桥或全桥电路拓扑中，以及其中，每个半桥或全桥电路中的应变计的温度从所述电桥电路处的电流和电压的关系推导。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，电桥电路中的应变计的平均温度由以下给定：



其中，V是所述半桥或全桥电路的电压输出，以及
I是通过所述半桥或全桥电路的电流。


8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式包括表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的项。


9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式中表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的所述项是线性的。


10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式中表示应变计的电阻中随温度的变化和应变计的增益中随温度的变化的所述项是二次的。


11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式是



其中，Gn是所述应变计读数，
Tn是所述应变计的温度，
Tmap是所述MAP的温度，以及
Ttap是所述TAP的温度。


12.根据权利要求1所述的方法，其中，基于所述初始输出和所述传感器经历温度变化之后的输出而计算对于每个应变计温度补偿等式的系数包括使用最小平方算法而计算所述系数。


13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从安装在无应力传感器构件上的应变计和相关热传感器获得输出；以及
独立于负载，使用所述无应力输出，以随温度追踪应变计输出。


14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述应变计是硅应变计。


15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述热传感器是热敏电阻。


16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述每个应变计温度补偿等式还包括与虚拟温度传感器相关联的项的矩阵，所述项解释瞬时温度。


17.根据权利要求16所述的方法，其中，与虚拟温度传感器相关联的项的所述矩阵包括：

。


18.温度补偿机器人力/扭矩传感器，包括：
工具适配器板(TAP)，是操作性的，以连接到第一物体；
安装适配器板(MAP)，是操作性的，以连接到第二物体；
一个或多个可变形梁，将所述TAP连接到所述MAP；
至少一个应变计，粘附到每个梁的至少一侧，所述应变计是操作性的，以将梁的一侧的表面上由梁的变形导致的拉伸和压缩力转变成电信号；
第一热传感器，粘附到所述TAP；
第二热传感器，粘附到所述MAP；以及
测量电路，是操作性的，以响应于来自所有应变计的电信号和来自所有热传感器的温度输出而测量所述第一与第二物体之间的力和扭矩的温度补偿方向和大小。


19.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，还包括靠近每个应变计粘附的热传感器。


20.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述应变计是硅应变计。


21.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，其中，所述热传感器是热敏电阻。


22.根据权利要求18所述的机器人力/扭矩传感器，还包括被安装在无应力传感器构件上的应变计和热传感器。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：D弗莱斯纳，A格卢西克，
申请(专利权)人：奥腾工业自动化廊坊有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US