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多维力传感器耦合分析及解耦方法的研究

曹会彬;孙玉香;刘利民;冯勇;王以俊;葛运建

【摘要】Couplingisacommonphenomenoninthemulti-axisforcesensor.

Ifwemeasurethedatawithoutdecoupling,itwillcauseincorrectoperation

oftherobots.Aimingatcouplingphenomenon,thispaperanalyzesthe

reasonswhycouplingexistsinthemulti-axisforcesensor.Dividingfrom

thecausestherearetwotypesofmulti-axisforcesensors,structure

couplinganderrorcoupling.Weputforwardalineardecouplingmethod

basedonneuralnetwork.Comparingtothetraditionaldecoupling

method,thismethodimprovestheprecisionofdecouplinggreatly.Inthe

endofthispaper,comparedwiththetraditionaldecouplingmethodfrom

experiments,thismethodwasproveditseffectiveness.%耦合现象普遍存在于

多维力传感器中,多维力传感器输出如不经过解耦,数据直接应用到机器人操作中,会

导致机器人的误操作.针对存在的耦合现象,本文首先分析了多维力存在的耦合原因,

根据产生原因将耦合分为两种形式:结构耦合和误差耦合,然后提出了一种新的解耦

方法-基于线性神经网络解耦方法,与传统解耦方法相比,该方法大大提高了解耦合精

度.最后通过实验验证了该方法的有效性和优越性.

【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2011(027)008

【总页数】5页(P1136-1140)

【关键词】多维力传感器;解耦;神经网络;结构耦合;误差耦合

【作者】曹会彬;孙玉香;刘利民;冯勇;王以俊;葛运建

【作者单位】中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031;中国科学技术大学,合

肥230026;中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031;中国科学技术大学,合肥

230026;中国科学技术大学,合肥230026;中国科学技术大学,合肥230026;中国科

学院合肥智能机械研究所,合肥230031;中国科学院合肥智能机械研究所,合肥

230031;中国科学技术大学,合肥230026

【正文语种】中文

【中图分类】TP212.12

多维力传感器是机器人实现智能化应用最重要的传感器之一［1－4］。根据应用

的场合不同，能够设计成不同维数(1维－6维)的传感器，从而测量三维空间的全

力信息(3个力分量和3个力矩分量)。由于力传感器在机械设计中要求体积小，结

构紧凑、功能强等特点，这同时也带来了多维力传感器的共性问题，即维间耦合问

题。消除维间耦合是多维传感器准确测量的核心，也是机器人实现智能化控制的重

要前提［5－8］。

目前常用的传感器静态解耦的主要方法［9］:一是基于线性标定的静态解耦算法。

假设传感器为线性系统的前提下，通过对六维力传感器各方向进行实验标定，进而

确定标定矩阵。二是基于最小二乘法线性拟合的静态解耦算法。根据最小二乘法，

依据标定数据进行线性拟合，可得到广义外力各分别单独加载时，力分量与各电桥

输出电压之间的线性回归方程［10－11］。

对于多维力传感器的解耦问题并没有统一的处理方法，本文以我们研制的六维腕力

传感器为依托，提出了一种基于神经网络的多维力传感器的解耦方法［12］。通

过对解耦后数据分析，证实了该方法解耦的可行性和优越性。这样工程实现时可以

大大提高机械手的控制精度，满足机器人智能控制的要求。

1多维力传感器的耦合分析

多维力传感器的耦合从产生的原因上分为两种:结构性耦合和误差性耦合。以我们

研制的六维力传感器为例，结构如图1所示(六维力传感器上膜测量三维力矩:Mx，

My，Mz;下膜测量三维力:Fx，Fy，Fz)。

图1六维力传感器结构图