柔性力传感器标定测试平台及方法技术

本发明专利技术涉及柔性力传感器标定测试平台及方法。该标定测试平台包括呈平台状的基座，基座具有水平轨道、第一滑动座和第二滑动座；第一滑动座具有通道，通道的一端设有活塞柱，活塞柱伸出通道的末端固连有单维力传感器，通道的另一端设有调节杆，通道内设有传动机构，调节杆经传动机构与活塞柱传动连接；第二滑动座具有固定压块；平台还包括活动压块、待标定的柔性力传感器以及一组带钩的砝码，活动压块具有挂钩。本发明专利技术能够对柔性力传感器在受到剪切应力时的输出数据进行标定，并获得修正算法来消除剪切应力的影响，进而在柔性力传感器实际应用中使其数据更加贴近实际情况。

【技术实现步骤摘要】
柔性力传感器标定测试平台及方法
本专利技术涉及一种柔性力传感器标定测试平台及方法，属于传感器标定

技术介绍
据申请人所知，接触界面间力的测量通常通过压力的测量间接实现，而压力通常表示为相对于物体的表面每单位面积施加的力，因此为了实现有效的接触力测量，良好的接触面控制显得尤为重要，对于人与外界的接触复杂性，这一点更为重要。随着传感器技术的发展和相关应用需要的增加，以及人体运动检测领域应用的爆发性增长，一方面，以柔性力传感器为代表的传感器性能不断增强，另一方面，传感器灵敏度的要求也越来越高。针对触觉反馈需要，接触力信息的测量大多使用柔性力传感器实现(Stassi,etal.,2014)，柔性力传感器提供与测量压力成正比的电信号输出(电压或电流)；在传感器性能方面，柔性力传感器所需的关键规格包括线性度、迟滞、温度敏感性、传感尺寸和压力范围等(Almassri,etal.,2015；Stassi,etal.,2014)；柔性力传感器按照感应材料可分为电容式传感器、电阻式传感器、压电式传感器和压阻式传感器(Majumder,etal.,2017)。电容式传感器由一个悬浮结构极板电容器组成，在外力作用下，极板或电极区域之间的距离缩短，从而产生两个电极之间的电容变化。电容式触觉压力传感技术是检测小挠度变化最敏感的技术之一，具有高空间分辨率、良好的频率响应、低功耗和大量程的动态范围等特点。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括德国Novel公司的EMED足底压力系统和PEDAR鞋垫系统。电阻式传感器通常由导电聚合物力敏电阻构成，当施加压力时导电层变化，两个电极之间的电阻变小、电流增加。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括美国Tekscan公司matscan压力系统和F-scan鞋垫系统。压电式传感器是将施加的应力或力转化为电压的传感器，因其压电材料可作为传感器和执行器的特性故被认为是一种智能材料(Almassri,etal.,2015)。压电式传感器具有机械柔性、高压电系数、尺寸固定、重量轻、工作稳定等特性。当施加力时，压电材料也具有高电压输出时的高灵敏度，灵敏度能达到130pC/N。压电式传感器是一种无源传感器，具有高可靠性，适用于各种应用。然而，由于其电压输出随着时间的推移而减小，同时其内部电阻过大，测量静态力优势不明显，因此仅适用于动态力的检测；主要压电材料有石英陶瓷(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)等，其中石英陶瓷主要用于动态触觉感测，而聚偏氟乙烯更适合触觉压力应用。由于压电器件具有高阻抗，容易受到过多的电干扰，导致不可接受的信号-噪声比，为此在设计压电传感器的电路时，一个超薄的输入阻抗必不可少。基于该传感器的商业化人体运动识别系统包括美国MeasurementSpecialties系统和美国Piezotronics公司的PCB系统。压阻式传感器由基于半导体材料的压电材料构成，压电材料受力的影响产生形变，电阻率会随之发生变化，一般情况下，没有外力作用时传感器电阻率高，有外力作用下电阻率降低。压阻式传感器具有成本低、灵敏度高、结构相对简单、长期稳定性低、噪声低、准确度高、可靠性高、技术成熟等优点，但它只能测量一个固定点压力。它们可以定制成各种形状和尺寸，并且可以用于许多应用中，尤其适合检测物体两个表面之间的接触力。美国Tekscan公司的Flexiforce传感器和德国Paromed公司的Parotec传感器是典型代表。这些柔性力传感器能够感测触觉和适应不同形状，除了所需的模拟人体皮肤的高整合性，他们的主要缺点在于特殊条件下滞后传感响应，影响了测量的重复性，因此针对这些传感器的特性进行进一步研究，以使其进行高精度的测量应用(Stassi,etal.,2014；Wong,2012)；此外，通过有效的信号提取也能弥补测量上不足(Aroca,etal.,2013)。目前，人体运动信息获取技术的发展趋势表明，日常生活参数实时、实地测量必须适应快速变化和科学复杂的生活环境(Razak,etal.,2012)。为了实现不间断人与外界接触的作用力信息测量，并如实反应现实生活中的日常人体活动，采用能实现可移动、没有附着感、与接触面测量的柔性力传感器成为了充分整合目标环境下的有效措施。上世纪90年代初，Zhu等使用7个力敏电阻传感器(FSR)开发了一种用于测量鞋内足底压力分布的系统，用于区分不同步态之间的压力特征(Zhu,etal.,1991)。随后，类似的研究开始越来越多。2011年，Feng等基于Flexiforce柔性力传感器设计了一个采用动态足底压力人体识别系统，他们比较了不同位置关键点压力信息和使用支持向量机(SVM)分类算法进行步态识别，系统能达到96％的识别精度(Feng,etal.,2011)。Salpavaara等人选择标枪运动设计一种基于电容式传感器的系统，用来监测投掷运动员下肢的发力时机(Salpavaara,etal.,2009)。这些研究证实了柔性力传感器可以很好的适用于足底压力信息的实时获取，可以测量足与地面的接触力信息以获得步态等关键信息。作为人与外界接触信息的另一种来源，近年来研究者们也开始关注手部接触力信息的实时获取。Rogers等开发了一种低成本的系统，使用兼容MRI力敏电阻(FSR)评估指序列任务期间的表现，该系统还提供了手指协调的信息，包括序列之间的间隔时间、敲击之间的间隔和敲击持续时间(Rogers,etal.,2010)。Komi等基于Flexiforce柔性力传感器设计了一个高尔夫球手套系统，测量高尔夫挥杆中握力特征(Komi,etal.,2007)。Aroca等整合Flexiforce柔性力传感器等设计了一种可穿戴采摘水果评级系统，通过手套式系统用来分析和测量水果的属性(Aroca,etal.,2013)。所有上述研究都是无线系统应用，目的均是为了尽量避免设备对人体运动的阻碍，同时研究均使用商业化柔性力传感器。然而，在柔性力传感器的实际应用场景中，横向剪切应力对于纵向压力测量结果具有不可避免的影响，同时剪切应力经常发生在手的动态操作过程中，为了促进柔性力传感器对手操作过程中压力的精确测量，有必要对其在剪切应力条件下输出响应特性进行研究。经检索发现，专利号CN200810097896.4、授权公告号CN101281073B、名称《一种力学传感器阵列标定装置及其工作方法》的中国专利技术专利，其装置包括定位传动部件和与其电连接的控制部件，其中定位传动部件包括标定的工作平台和压力头测试部件，压力头测试部件通过Z向直线步进电机伸缩头连接一个测力传感器。专利号CN201110023954.0、授权公告号CN102175388B、名称《一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置》的中国专利技术专利，其装置包括三坐标导轨机器人、三维力加载机构、阵列平台以及与其电连接的控制部分；所述三坐标导轨机器人包括X轴导轨、Y轴导轨和Z轴导轨,三者均安装了带位置检测功能的光栅尺。所述三维力加载机构通过并联机构安装法兰安装在Z轴导轨下端，三维力加载机构包括并联机构和三维力检测部件，三维力检测部件安装于并联机构操作末端。然而，上述技术方案并不能标定剪切应力对柔性力传感器的影响，亟待研制出能满足该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性力传感器标定测试平台，包括呈平台状的基座，其特征是，所述基座具有水平轨道、第一滑动座和第二滑动座，所述第一滑动座和第二滑动座分别与水平轨道构成水平滑移副；所述第一滑动座具有通道，所述通道的一端设有活塞柱，所述活塞柱伸出通道的末端固连有单维力传感器，所述单维力传感器的测力方向为水平方向，所述通道的另一端设有调节杆，所述通道内设有传动机构，所述调节杆经传动机构与活塞柱传动连接；所述第二滑动座具有固定压块；所述第一滑动座和第二滑动座还分别具有将自身固定在水平轨道上的锁定部件；所述平台还包括活动压块、待标定的柔性力传感器以及一组带钩的砝码，所述活动压块具有挂钩；所述单维力传感器的信号输出端、柔性力传感器的信号输出端分别与外部数据采集设备连接；当平台处于标定状态时，第一滑动座和第二滑动座分别经相应的锁定部件固定在水平轨道上，活动压块和柔性力传感器被夹持于单维力传感器和固定压块之间，柔性力传感器位于活动压块和固定压块之间，且活动压块下方挂有砝码，活塞柱的中心轴线、单维力传感器的中心轴线、固定压块的中心轴线、活动压块的中心轴线以及柔性力传感器的中心轴线相互重合。

【技术特征摘要】
1.一种柔性力传感器标定测试平台，包括呈平台状的基座，其特征是，所述基座具有水平轨道、第一滑动座和第二滑动座，所述第一滑动座和第二滑动座分别与水平轨道构成水平滑移副；所述第一滑动座具有通道，所述通道的一端设有活塞柱，所述活塞柱伸出通道的末端固连有单维力传感器，所述单维力传感器的测力方向为水平方向，所述通道的另一端设有调节杆，所述通道内设有传动机构，所述调节杆经传动机构与活塞柱传动连接；所述第二滑动座具有固定压块；所述第一滑动座和第二滑动座还分别具有将自身固定在水平轨道上的锁定部件；所述平台还包括活动压块、待标定的柔性力传感器以及一组带钩的砝码，所述活动压块具有挂钩；所述单维力传感器的信号输出端、柔性力传感器的信号输出端分别与外部数据采集设备连接；当平台处于标定状态时，第一滑动座和第二滑动座分别经相应的锁定部件固定在水平轨道上，活动压块和柔性力传感器被夹持于单维力传感器和固定压块之间，柔性力传感器位于活动压块和固定压块之间，且活动压块下方挂有砝码，活塞柱的中心轴线、单维力传感器的中心轴线、固定压块的中心轴线、活动压块的中心轴线以及柔性力传感器的中心轴线相互重合。2.根据权利要求1述及的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述调节杆由螺杆和旋帽固连而成；所述通道呈圆柱形；所述第一滑动座在通道的另一端固连有环状件，所述螺杆与环状件具有的螺纹内壁螺纹连接；所述传动机构包括内压块和弹性件，所述内压块的一侧与螺杆固连或抵接，所述内压块的另一侧与弹性件的一端固连，所述弹性件的另一端与活塞柱位于通道内的末端固连；所述内压块、活塞柱分别呈圆柱形且与通道内壁相贴；所述螺杆的中心轴线、通道的中心轴线、环状件的中心轴线以及内压块的中心轴线相互重合。3.根据权利要求2述及的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述第一滑动座还在通道的另一端设有U形件，所述U形件的两端分别与第一滑动座固连，所述U形件的中部设有供螺杆穿过的小孔，所述小孔的中心轴线与螺杆的中心轴线重合；所述小孔内壁光滑，或者，所述小孔内壁具有与螺杆螺纹连接的内螺纹。4.根据权利要求1述及的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述水平轨道由两道平行且呈长条形的凸台组成；所述第一滑动座、第二滑动座分别具有横跨水平轨道的卡槽，所述卡槽的一侧内壁与一凸台外侧抵接，所述卡槽的另一侧内壁与另一凸台外侧抵接；在卡槽与水平轨道的配合下，第一滑动座、第二滑动座分别与水平轨道构成沿水平轨道延伸方向运动的水平滑移副。5.根据权利要求4述及的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述第一滑动座、第二滑动座还分别具有位于卡槽上方的座主体，所述座主体的上部呈半圆柱形，所述座主体的下部呈棱台；所述半圆柱形沿水平方向延伸，所述棱台的四个侧面分别带有弧度；所述半圆柱形与棱台之间经弧面过渡；所述棱台的高度至少为半圆柱形直径的1.5倍；所述活塞柱、单维力传感器、固定压块分别处于半圆柱形与棱台连接处所处高度。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶强，高杉，高润，胡冠宇，
申请(专利权)人：叶强，高杉，高润，胡冠宇，
类型：发明
国别省市：江苏,32