[发明专利]三维角位移六自由度传感器系统及测量方法和机械手

权利要求书

1.一种基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，包括：三维弹性应变感知元件和复应变测量元件；

所述三维弹性应变感知元件为柱状或管状结构，所述三维弹性应变感知元件其中一端固定，多个所述复应变测量元件集成设置于所述三维弹性应变感知元件的固定端一侧；

在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于传递函数第一矩阵和应变电测第二矩阵的逆矩阵，确定所述三维弹性应变感知元件的自由端的位移量；

具体地，基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到所述复应变测量元件的应变矢量与所述三维弹性应变感知元件的自由端位移量之间对应关系的所述传递函数第一矩阵；

根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值与应变测量放大电路的输出值，联合标定得到所述应变电测第二矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，还包括应变测量放大电路，所述应变测量放大电路与所述复应变测量元件相连接，所述应变测量放大电路用于将所述复应变测量元件的检测量转换并放大为可识别数字量信号。

3.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述复应变测量元件包括MEMS主动应变片、复合压电陶瓷主动应变片和被动式电阻薄膜应变片。

4.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述复应变测量元件在所述三维弹性应变感知元件上的分布和位置经优化后构成静定或过静定结构。

5.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述三维弹性应变感知元件套设于一中心转轴上，所述三维弹性应变感知元件设置于机械手的关节内部，所述机械手运动时其关节带动所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动。

6.根据权利要求1所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，所述三维弹性应变感知元件采用低阻尼高弹性的低模量橡胶材料制成，所述三维弹性应变感知元件的横截面为圆形、矩形、六边形或圆环形。

7.一种基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，应用于权利要求1至6中任一项所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统，其特征在于，包括：

基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到复应变测量元件的应变矢量与三维弹性应变感知元件的自由端位移量之间对应关系的传递函数第一矩阵；

根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值与应变测量放大电路的输出值，联合标定得到应变电测第二矩阵；

在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于所述传递函数第一矩阵和所述应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到所述三维弹性应变感知元件的自由端发生的位移量。

8.根据权利要求7所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，其特征在于，还包括：

基于弹性力学解析模型或有限元分析，得到所述复应变测量元件的应变矢量与所述三维弹性应变感知元件的独立位移、扭转角和偏转角之间对应关系的传递函数第三矩阵；

在所述三维弹性应变感知元件的自由端发生六自由度运动时，根据所述复应变测量元件的应变矢量检测值，基于所述传递函数第三矩阵和所述应变电测第二矩阵的逆矩阵，计算得到所述三维弹性应变感知元件的自由端发生的独立位移、扭转角和偏转角。

9.根据权利要求7或8所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，其特征在于，基于弹性力学解析模型或有限元分析为基础得到的所述传递函数第一矩阵或所述传递函数第三矩阵，利用不同横截面上的应力传递函数对所述复应变测量元件所安装位置截面位置的应力进行修正补偿。

10.一种机械手，其特征在于，所述机械手的关节内部安装如权利要求1至6中任一项所述的基于复应变测量的三维角位移六自由度传感器系统；

所述机械手还包括处理器，所述处理器根据所述三维角位移六自由度传感器系统的测量值，利用如权利要求7至9中任一项所述的基于复应变测量的六自由度传感器系统的三维角位移测量方法，计算得到所述机械手末端的空间位置和方位。