CN103411728B - 一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法。标定时，根据待标定传感器的尺寸、量程、材料特性等不同，标定程序计算标定参数和标定路径。在标定程序的控制下，由加载头水平、垂直旋转机构配合角度编码器调整三维力加载头姿态；X\Y\Z三轴移动机构配合光栅尺实现标定位置准确定位；非切向力加载时驱动Z轴移动机构，切向力加载时驱动X\Y两轴移动机构，在标准力传感器闭环控制下，对三维柔性阵列触觉传感器实现逐点三维载荷的独立、复合加载，通过解耦算法分析标定数据，得到传感器的标定耦合网络。本发明提供了一种三维柔性阵列触觉传感器的自动化、智能化标定方法，标定方法简易，标定精度高、准确可靠。

Description

一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法

技术领域  本发明是涉及自动化领域，特别涉及传感器领域中的一种适用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法。

背景技术  相比于其他的知觉形式，触觉是人类获取环境信息无法替代的感知方式，通过触觉人类不仅仅可以获知皮肤所受到的外力大小，还可以感知物体的物理性质。随着机器人探索世界的不断深入，作为其获取信息必不可少的工具，三维柔性阵列触觉传感器已成为机器人皮肤研究的热点之一，但是由于生产流程、制作工艺的非同一性，三维柔性阵列触觉传感器不同部分的特性会出现非均一性，测量的误差大，给三维柔性阵列触觉传感器的广泛应用带来极大的困难。因而三维柔性阵列触觉传感器标定装置的设计和标定方法的研究至关重要，其标定结果将直接影响三维柔性阵列触觉传感器的测量精度。

但是目前尚很少有三维柔性阵列触觉传感器的标定装置及其标定方法，在现有的触觉传感器的标定装置中，公开号为CN101281073A的“一种力学传感器阵列标定装置及其工作方法”和公开号为CN102175388A的“一种曲面柔性触觉传感器阵列的三维标定装置”的专利文件和本发明专利接近。经检索查新，其中公开号为CN101281073A的专利公布了一种阵列式力学传感器的标定装置，并给出一种可行的工作方法。但是该专利文件提到的标定装置和工作方法仅能对单维阵列触觉传感器进行标定，不能对三维柔性阵列式的触觉传感器进行标定，其标定平台采用机械式限位器对传感器矩阵的范围进行限定，定位装置是开环控制，定位精度不高。而公开号为CN102175388A的专利是与本发明最接近的专利，它公布了一种空间曲面柔性阵列式触觉传感器的标定装置，提出了基于三坐标机导轨机器人和并联结构的一种空间曲面柔性阵列触觉传感器标定装置，该专利文件提到的标定装置结构庞大且过于复杂，通过并联机器人实现三维力加载算法复杂度高，设计成本高。针对三维柔性阵列触觉传感器标定过程的要求，以及现有技术中此类标定方法的不足，本发明专利提出了一种结构简单、低成本、标定方法方便易行的三维柔性阵列触觉传感器三维标定装置的工作方法。

发明内容  本发明的目的是：避免现有技术中三维柔性阵列触觉传感器标定装置标定方法的不足之处，提出一种适用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的工作方法，该发明不仅适用于三维柔性阵列触觉传感器受正压力不为零的单维力、三维力标定，也适用于正压力为零的切向力标定；不仅适用于独立三维柔性触觉传感器的标定，同样也适用于柔性阵列式三维触觉传感器的标定。

本发明的技术方案是：一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法，根据待标定三维柔性阵列触觉传感器的尺寸、量程、材料特性等不同，在标定程序上设置相应参数，运用独立于本发明之外的控制算法，标定程序计算标定路径、标定点点数、各标定点坐标、加载三维力大小及个数；并在标定程序的控制下实现三维力加载机构的姿态调整、加力点的定位和三维力的准确加载；其中三维力加载机构姿态由待加载三维载荷的合力方向确定，在水平\垂直编码器的闭环控制下，由加载头水平\垂直旋转机构调整其姿态；结合X\Y\Z三轴光栅尺和水平\垂直角度编码器的测量值，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器表面的准确定位；不同载荷的加载采用不同的加载机构和加载方法，在标准力传感器的闭环控制下，实现对三维柔性阵列触觉传感器三维载荷的独立、复合加载；该标定方法是按以下步骤完成的：

对标定装进进行水平和垂直位置校准，水平位置的校准使用水平仪，通过校准使得传感器安装平台、龙门架水平梁和水平方向X\Y两轴移动机构处于水平位置，垂直位置的校准使用直角规，使得龙门架垂直杆、Z轴移动机构垂直于水平面；在龙门架水平梁中心建立三维坐标系X\Y\Z，标定装置在初始位置时，三维柔性阵列触觉传感器样件中心处于传感器安装平台的(Xmax，-Ymax，Zmax)处，Xmax，Ymax由水平方向X\Y轴移动机构的最大移动范围决定，Zmax由垂直方向Z轴移动机构的最大移动范围决定，调整三维力加载头使其轴向与Z轴方向一致，指向基座；

对标定装置的三维坐标系进行归零操作，在标定程序归零命令的控制下，由人工控制X\Y\Z三轴带细分驱动的步进电机、水平\垂直旋转带细分驱动的步进电机，使得三维力加载头锥形嘴与传感器安装平台侧面的对零孔重合，标定程序标记此时的X\Y\Z三轴光栅尺、X\Y\Z三轴移动机构及水平\垂直旋转机构的读数为三维坐标零点，实现标定装置三维坐标的归零操作；

将三维柔性阵列触觉传感器样件粘贴于传感器安装平台中央，根据待标定三维柔性阵列触觉传感器的尺寸、量程、材料特性等不同，在标定程序上设置相应参数，运用独立于本发明之外的控制算法，标定程序计算标定过程中相应参数，包括标定路径、标定点点数、各标定点坐标、加载三维力大小以及个数；根据计算结果形成标定报表，标定过程结束后可存储打印相应报表；

由标定程序设定的标定方法，标定装置按序选择某一三维载荷(F_x，F_y，，F_z)，并从待标定点中按序选择某一标定点，坐标为(x，y，z)；根据加载非纯切向力和纯切向力不同，选用不同的加载机构和标定方法进行标定，在标准力传感器的闭环控制下，实现对三维柔性阵列触觉传感器三维载荷(F_x，F_y，F_z)的一次独立、复合加载，通过数据采集装置标定程序记录标定点坐标、载荷大小和三维柔性阵列触觉传感器输出等信息；进一步标定装置按序选择下一个待标定点，并将该载荷加载到新的标定点，直至该载荷逐点对三维柔性阵列触觉传感器表面所有待标定点加载完毕；

在标定程序的控制下，标定装置按序选择下一个待加载三维力，依次将其逐点施加到所有待标定点上，并由标定程序记录下数据采集装置采集的标定信息，直至所有载荷都逐点在所有待标定点上加载完毕；

由数据采集装置采集的标定信息，运用独立于本发明之外的解耦算法，标定程序计算三维柔性阵列触觉传感器的标定耦合网络；

检验三维柔性阵列触觉传感器的标定耦合网络是否符合要求，如果不符合要求，需要重新按照上述步骤对三维柔性阵列触觉传感器进行标定，否则标定结束。

当对三维柔性阵列触觉传感器进行非纯切向力标定时，以三维力加载头锥形嘴进行标定，三维力加载头姿态由待加载三维载荷的合力方向确定，根据式(1)～(3)标定程序计算出三维载荷的合力F_合大小及方向，并控制水平、垂直旋转机构使得三维力加载头水平调整角度α、垂直调整角度β，其中在垂直旋转带细分驱动的步进电机驱动下，三维力加载头在垂直面XOZ内旋转β角度；在水平旋转带细分驱动的步进电机驱动下，三维力加载头在水平面内旋转，使得三维力加载头与X轴夹角为α度，当角度α、β为正时，三维力加载头沿顺时针方向调整角度，角度α、β为负时，三维力加载头沿逆时针方向调整角度；配合水平\垂直角度编码器的角度闭环控制，调整三维力加载头角度直至与三维合力方向一致；

$\mathrm{\α}=\mathrm{arctg}\frac{F_x}{F_y}---\left(2\right)$

$\mathrm{\β}=\arccos \frac{F_z}{\sqrt{(F_x^2+F_y^2+F_z^2)}}---\left(3\right)$

在对三维力加载头姿态调整的同时，由X\Y\Z三轴光栅尺和水平\垂直角度编码器的测量值，标定程序解算出三维力加载头锥形嘴尖端点的X\Y\Z坐标；通过比对其与三维柔性阵列触觉传感器表面待标定点X\Y\Z坐标位置之间的偏差，在X\Y\Z三轴光栅尺和水平\垂直角度编码器的闭环控制下，调整X\Y\Z三轴移动机构使上述两三维坐标位置重合，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器表面的准确定位，其中水平方向X\Y两轴移动机构实现加力点在水平面内的位置调整，Z轴移动机构实现加力点高度调整；

驱动Z轴移动机构使得三维载荷施加到三维柔性阵列触觉传感器表面的待标定点，在标准力传感器的闭坏控制下，调整Z轴带细分驱动的步进电机直至标准力传感器检测的力与所需三维合力大小一致，最终指定方向、大小的三维非纯切向力准确地加载到三维柔性阵列触觉传感器表面，实现对三维柔性阵列触觉传感器三维非纯切向载荷(F_x，F_yF_z)的独立、复合加载；

与非纯切向力标定不同，当需要对三维柔性阵列触觉传感器加载纯切向力(F_x，F_y，0)时，此时F_z＝0，β＝90°，为了实现纯切向力的加载，将切向力加载臂通过螺栓装配于锥形嘴后端，切向力加载臂底面附有薄粘胶，由切向力大小，根据式(4)～(5)标定程序计算切向力合力大小及方向，在水平\垂直角度编码器的闭环控制下，通过调整加载头水平、垂直旋转机构使得切向力加载臂轴向与切向力合力方向一致，且其底面与待标定三维柔性阵列触觉传感器表面相切：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{f_y}{f_x}\right)---\left(5\right)$

在对切向力加载臂姿态调整的同时，标定程序对切向力加载臂底面中心点进行定位，由X\Y\Z三轴光栅尺和水平\垂直角度编码器测量值，标定程序解算出该加力点的X\Y\Z坐标；通过比对其与三维柔性阵列触觉传感器表面上待标定点X\Y\Z坐标位置之间的偏差，在X\Y\Z三轴光栅尺和水平\垂角度编码器的闭环控制下，调整X\Y\Z三轴移动机构使上述两三维坐标位置重合，直至X\Y\Z三轴光栅尺测量的三维坐标与待标定点坐标一致，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器表面的准确定位；

切向力加力臂底面中心加力点指向三维柔性阵列触觉传感器待标定点，通过薄粘胶粘贴于三维柔性阵列触觉传感器表面，纯切向力的加载通过驱动水平方向X\Y两轴移动机构，使得水平方向X轴移动机构和Y轴移动机构沿着切向力合力方向以力矩比驱动传感器安装平台，在标准力传感器闭环控制下，驱动水平方向X\Y两轴移动机构直至标准力传感器检测的力与所需切向力合力大小一致，实现了纯切向力在三维柔性阵列触觉传感器上的加载。

有益效果相对于现有技术，本发明提出一种适用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法，该发明的标定方法在归零命令的控制下，使得标定装置的X\Y\Z方向驱动机构以及水平、垂直旋转机构处于初始零位置；标定时，在标定程序的控制下实现三维力加载机构的姿态调整、加力点的定位和三维力的准确加载；不同载荷的加载采用不同的加载方法，实现对三维柔性阵列触觉传感器三维载荷的独立、复合加载；该标定方法不仅实现了在三维柔性阵列触觉传感器表面非切向力的标定，而且解决了在柔性材料表面切向力加载的困难。

作为对现有三维柔性阵列触觉传感器标定方法的进一步改进，本发明提出了一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法，标定过程由标定程序控制，标定方法简便、成本低，具有精度高、使用安全、可靠的优点，在目前技术背景下，能为此类三维柔性阵列触觉传感器的标定提供一种可靠、低成本、快速现场的标定方法，为三维柔性阵列触觉传感器的应用推广起到重要作用。

附图说明

图1是本发明的标定方法流程图。

图2是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器进行非纯切向力标定示意图。

图3是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器进行非纯切向力标定局部放大图。

图4是本发明的标定装置垂直方向Z轴移动机构、加载头水平、垂直旋转机构示意图。

图5是本发明的三维力加载头示意图。

图6是本发明的标定装置水平方向X轴、Y轴移动机构示意图。

图7是本发明的标定装置初始化示意图。

图8是本发明的标定装置归零示意图。

图9是本发明的标定装置归零局部放大图。

图10是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器进行纯切向力标定示意图。

图11是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器进行纯切向力标定局部放大图。

图12是本发明的非纯切向三维力角度示意图。

图13是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器进行非纯切向力标定的流程图。

图14是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器进行纯切向力标定的流程图。

其中，1、基座，2、龙门架，2-1、龙门架水平梁，2-2、龙门架垂直梁，3、水平方向X轴移动机构，3-1、X轴导轨，3-2、X轴带细分驱动的步进电机，3-3、X轴丝杆，3-4、X轴滑块，3-5、X轴丝杆滑块，3-6、X轴光栅尺，3-6-1、X轴光栅尺滑块，3-6-2、X轴光栅尺条，4、水平方向Y轴移动机构，4-1、Y轴导轨，4-2、Y轴带细分驱动的步进电机，4-3、Y轴丝杆，4-4、Y轴滑块，4-5、Y轴丝杆滑块，4-6、Y轴光栅尺，4-6-1、Y轴光栅尺滑块，4-6-2、Y轴光栅尺条，5、传感器安装平台，5-1、三维柔性阵列触觉传感器，5-2、传感器阵列基座，5-3、对零孔，6、垂直方向Z轴移动机构，6-1、Z轴带细分驱动的步进电机，6-2、Z轴丝杆，6-3、Z轴丝杆滑块，6-4、垂直导管，6-5、垂直滑管，6-6、Z轴光栅尺，6-6-1、Z轴光栅尺滑块，6-6-2、Z轴光栅尺条，7、加载头水平旋转机构，7-1、水平旋转带细分驱动的步进电机，7-2水平角度编码器，7-3、水平旋转支臂，8、加载头垂直旋转机构，8-1、垂直旋转带细分驱动的步进电机，8-2、垂直角度编码器，8-3、力加载头安装火具，9、三维力加载头，9-1、安装支臂，9-2、标准力传感器，9-3、锥形嘴，9-4、切向力加载臂。

具体实施方式  下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的标定方法流程图。在标定程序的控制下标定装置对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行标定，根据待标定三维柔性阵列触觉传感器5-1的尺寸、量程、材料特性等不同，运用独立于本发明之外的控制算法，标定程序计算标定路径、标定点点数、各标定点坐标、加载三维力大小以及个数；并在标定程序的控制下实现三维力加载机构的姿态调整、加力点的定位和三维力的准确加载；其中三维力加载机构姿态由待加载三维力的合力方向确定，在水平\垂直编码器7-2\8-2的闭环控制下，由加载头水平\垂直旋转机构7\8调整其姿态；结合X\Y\Z三轴光栅尺3-6\4-6\6-6和水平\垂直角度编码器7-2\8-2的测量值，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器5-1表面的准确定位；不同载荷的加载采用不同的加载机构和加载方法，在标准力传感器9-2闭环控制下，实现对三维柔性阵列触觉传感器5-1三维载荷的独立、复合加载；该标定方法是按以下步骤完成的：

开始标定(步骤100)，对标定装置进行水平垂直位置校准(步骤110)，水平位置的校准使用水平仪，通过校准使得传感器安装平台5、龙门架水平梁2-1和水平方向X\Y两轴移动机构3\4处于水平位置，垂直位置的校准使用直角规，使得龙门架垂直杆2-2、Z轴移动机构6垂直于水平面；调整三维力加载头9轴向与Z轴方向一致，指向基座1；

对标定装置的三维坐标进行归零操作(步骤120)，在标定程序归零命令的控制下，由人工驱动X\Y\Z三轴带细分驱动的步进电机3-2\4-2\6-1，水平\垂直旋转带细分驱动的步进电机7-1\8-1，使得三维力加载头9锥形嘴9-3与传感器安装平台5侧面对零孔5-3重合，标定程序标记此时的X\Y\Z三轴移动机构3\4\6以及水平\垂直旋转机构7\8的读数为三维坐标零点，实现标定装置的三维坐标归零操作；

将三维柔性阵列触觉传感器5-1样件粘贴于传感器阵列基座5-2中央，根据待标定三维柔性阵列触觉传感器5-1的尺寸、量程、材料特性等不同，在标定程序上设置相应参数(步骤130)，运用独立于本发明之外的控制算法，标定程序计算标定路径、标定点点数、各标定点坐标、加载三维力大小以及个数等参数；根据计算结果形成标定报表，标定过程结束后可存储打印相应报表；

由标定程序设定的标定方法，标定装置按序选择某一三维力(F_x，F_y，，F_z)(步骤140)，并从待标定点中按序选择一个标定点，坐标为(x，y，z)(步骤150)；根据加载非纯切向力和纯切向力不同，选用不同的加载机构和标定方法进行标定，实现对三维柔性阵列触觉传感器5-1的三维载荷的独立、复合加载，用于对加载力的判断，检测该载荷是否为纯切向力(步骤160)？

否则对该标定点进行非纯切向力加载(步骤170)，是则对该标定点进行纯切向力加载(步骤180)，对选定标定点加载选定载荷标定结束后，由数据采集装置采集的数据，标定程序记录标定点坐标、载荷大小和待标定三维柔性阵列触觉传感器5-1输出等信息(步骤190)，检测该载荷是否对三维柔性阵列触觉传感器5-1表面所有待标定点加载完毕吗(步骤200)？

否则转到步骤150进行循环，是则检测是否所有载荷部逐点在三维柔性阵列触觉传感器5-1表面所有待标定点上加载完毕吗(步骤210)？

否则转到步骤140进行循环，是则由标定程序将数据采集装置采集的所有数据，运用独立于本发明之外的解耦算法，计算三维柔性阵列触觉传感器5-1的标定耦合网络(步骤220)；

检验三维柔性阵列触觉传感器5-1的标定耦合网络是否符合要求吗(步骤230)？否则需要重新对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行标定，即返回步骤120进行循环，是则标定结束(步骤240)。

图2是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行非纯切向力标定示意图，图3是其局部放大图。当标定装置对三维柔性阵列触觉传感器5-1表面某标定点进行非纯切向力标定时，标定装置以三维力加载头9的锥形嘴9-3进行标定，在水平\垂直角度编码器7-2\8-2的闭环控制下，调整加载头水平\垂直旋转机构7\8，使三维力加载头9轴向与所需三维力合力方向一致；在X\Y\Z三光栅尺3-6\4-6\6-6的闭环控制下，调整X\Y\Z三轴带细分驱动的步进电机3-2\4-2\6-1实现对加力点的三维定位；在标准力传感器9-2闭环控制下，通过驱动Z轴移动机构6，实现对三维柔性阵列触觉传感器5-1三维非纯切向载荷的独立、复合加载；

图4～6中，龙门架2位于基座1中部正上方，通过螺栓连接，水平方向Y轴移动机构4位于基座1上方，与基座1连接，水平方向X轴移动机构3位于水平方向Y轴移动机构4上方，与水平方向Y轴移动机构4连接，传感器安装平台5位于水平方向X轴移动机构3上方，与水平方向X轴移动机构3连接，垂直方向Z轴移动机构6位于龙门架2中部，与龙门架2连接，加载头水平旋转机构7位于垂直方向Z轴移动机构6下方与垂直方向Z轴移动机构6连接，加载头垂直旋转机构8位于加载头水平旋转机构7下方与加载头水平旋转机构7连接，三维力加载头9位于加载头垂直旋转机构8一侧，其中三维力加载头9的轴线位于与基座1平面相垂直的面内，并与加载头水平旋转机构7中轴共面。

图7是本发明的标定装置初始化示意图。对标定装置进行水平和垂直位置校准后，标定装置坐标系处于水平，且三维力加载头9和三维柔性阵列触觉传感器5-1处于初始位置。

图8是本发明的标定装置归零示意图，图9是其局部放大图。在标定程序归零命令的控制下，三维力加载头9的锥形嘴9-3和传感器安装平台5侧面的对零孔5-3配对。

图10是本发明的对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行纯切向力标定的示意图，图11是其局部放大图。为了实现纯切向力的加载，将切向力加载臂9-4通过螺栓装配于锥形嘴9-3后端，切向力加载臂9-4底面附有薄粘胶，在水平\垂直角度编码器7-2\8-2的闭环控制下，由加载头水平\垂直旋转机构7\8和Z轴驱动机构6调整切向力加载臂9-4姿态，使其轴向在水平面内与切向力合力方向一致，且底面与三维柔性阵列触觉传感器5-1表面相切；在X\Y\Z三轴光栅尺3-6\4-6\6-6的闭环控制下，调整X\Y\Z三轴带细分驱动的步进电机3-2\4-2\6-1实现加力点的准确定位；在标准力传感器9-2的闭环控制下，驱动水平方向X\Y两轴移动机构3\4，实现纯切向力在三维柔性阵列触觉传感器5-1上的加载。

图12是本发明非纯切向三维力角度示意图，当需要加载三维非纯切向力为(F_x，F_y，F_z)，根据三维力大小标定程序计算的三维力角度α、β和F_合大小，通过驱动加载头水平\垂直旋转带细分驱动的步进电机7-1\8-1使得三维力加载头9水平调整角度α、垂直调整角度β，最终三维力加载头9轴向与三维合力方向一致。

图13是本发明的中对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行非纯切向力标定的流程图。在标定程序控制下，在三维柔性阵列触觉传感器5-1表面(x，y，z)处加载非纯切向力(F_x，F_y，F_z)(步骤300)，标定装置以三维力加载头锥形嘴9-3对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行标定(步骤310)，三维力加载头9的姿态由待加载三维力的合力方向确定，根据三维力大小标定程序计算出三维合力F_合大小及方向(步骤320)，控制水平\垂直旋转机构7\8使得三维力加载头9水平调整角度α、垂直调整角度β，其中在垂直旋转带细分驱动的步进电机8-1驱动下，三维力加载头9在垂直面XOZ内旋转转角度；在水平旋转带细分驱动的步进电机7-1驱动下，三维力加载头9在水平面内旋转，使得三维力加载头9与X轴夹角为α度(步骤330)；用于对角度的闭环控制，数据采集系统将水平\垂直角度编码器7-2\8-2测量的数据反馈至标定程序，检测三维力加载头9角度是否与三维合力方向一致(步骤340)？

否则转到步骤330进行循环，是则对加力点进行定位(步骤350)，通过X\Y\Z三轴光栅尺3-6\4-6\6-6和水平\垂直角度编码器7-2\8-2测量值，标定程序解算出三维力加载头9锥形嘴9-3尖端点的X\Y\Z坐标，通过比对其与三维柔性阵列触觉传感器5-1表面上待标定点X\Y\Z坐标位置之间的偏差，调整X\Y\Z三轴移动机构3\4\6使上述两坐标位置重合，其中水平方向X\Y两轴移动机构3\4可以实现三维柔性阵列触觉传感器5-1在水平平面内的准确定位，Z轴移动机构6可进行标定平台上下高度调整，用于对加力点位置的闭环控制，数据采集系统将X\Y\Z三轴光栅尺3-4\4-5\6-6测量的数据反馈至标定程序，检测X\Y\Z三轴光栅尺3-4\4-5\6-6三维坐标是否和待标定点坐标一致(步骤360)？

否则转到步骤350进行循环，是则表明三维力加载头9的锥形嘴9-3沿三维力方向指向三维柔性阵列触觉传感器5-1表面的指定位置，在标定程序的控制下，调整Z轴带细分驱动的步进机6-1，使得三维非切向力加载到三维柔性阵列触觉传感器5-1表面待加载点上(步骤370)，用于对加载外力大小的闭环控制，数据采集系统将标准力传感器9-2测量的数据反馈至标定程序，检测标准力传感器9-2测量的力是否和预加载的非切向力合力大小相同(步骤380)？

否则转到步骤370进行循环，是则表明标定装置已经将指定方向、大小的非纯切向力准确地加载到三维柔性阵列触觉传感器5-1表面，实现了对三维柔性阵列触觉传感器5-1三维非切向力的独立、复合加载，结束本次非切向力标定(步骤390)。

图14是本发明中的对三维柔性阵列触觉传感器5-1进行纯切向力标定的流程图。在标定程序控制下，在三维柔性阵列触觉传感器5-1表面(x，y，z)处加载纯切向力(F_x，F_y，0)(步骤400)，将切向力加载臂9-4通过螺栓装配于锥形嘴9-3后端，切向力加载臂9-4底面附有薄粘胶(步骤410)，由切向力大小标定程序计算出切向力合力方向(步骤420)，在水平\垂直角度编码器7-2\8-2的闭环控制下，通过Z轴驱动机构6、加载头水平\垂直旋转机构7\8调整切向力加载臂9-4角度，使其与切向力合力方向一致，且其底面与待标定三维柔性阵列触觉传感器5-1表面相切(步骤430)；用于对角度的闭环控制，数据采集系统将水平\垂直角度编码器7-2\8-2测量的数据反馈至标定程序，检测切向力加载臂9-4轴向是否与切向力合力方向一致(步骤440)？

否则转到步骤430进行循环，是则对切向力加载臂9-4底面中心加力点进行定位(步骤450)，由X\Y\Z三轴光栅尺3-4\4-5\6-6和水平\垂直角度编码器7-2\8-2的测量值，标定程序解算出加力点的X\Y\Z坐标；通过比对其与待标定点X\Y\Z坐标位置之间的偏差，调整X\Y\Z三轴移动机构3\4\6使上述两坐标位置重合，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器5-1表面的准确定位，用于对加力点位置的闭环控制，数据采集系统将X\Y\Z三轴光栅尺3-4\4-5\6-6测量的数据反馈至标定程序，检测X\Y\Z三轴光栅尺3-4\4-5\6-6三维坐标是否和待标定点坐标一致(步骤460)？

否则转到步骤450进行循环，是则表明切向力加力臂9-4沿切向力合力方向指向三维柔性阵列触觉传感器5-1表面待标定位置，加力点通过柔性胶粘贴在三维柔性阵列触觉传感器5-1上，在标定程序控制下，驱动水平方向X\Y两轴移动机构3\4，使得水平方向X轴移动机构3和Y轴移动机构4沿着切向力合力方向以力矩比驱动传感器安装平台5(步骤470)，用于对加载外力大小的闭环控制，数据采集系统将标准力传感器9-2测量的数据反馈至标定程序，检测标准力传感器9-2测量的力是否和预加载的切向力合力大小相同(步骤480)？

否则转到步骤470进行循环，是则实现了纯切向力在三维柔性阵列触觉传感器5-1上的加载，结束本次纯切向力标定流程(步骤490)。

Claims (2)

1.一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法，其特征是：使用标定程序控制标定装置对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）进行标定，根据待标定三维柔性阵列触觉传感器（5-1）的尺寸、量程、材料特性不同，实现三维力加载头（9）的姿态调整、加力点的定位和三维力的准确加载；其中三维力加载装置姿态由待加载三维载荷的合力方向确定，在水平\垂直编码器（7-2\8-2）的闭环控制下，由加载头水平\垂直旋转机构（7\8）调整其姿态；结合X\Y\Z三轴光栅尺（3-6\4-6\6-6）和水平\垂直角度编码器（7-2\8-2）的测量值，实现加力点在三维柔性阵列传感器（5-1）表面的准确定位；不同载荷的加载采用不同的加载头和加载方法，在标准力传感器（9-2）的闭环控制下，实现对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）三维载荷的独立、复合加载；该标定方法是按以下步骤完成的：

对标定装置进行水平垂直位置校准，水平位置的校准使用水平仪，通过校准使得传感器安装平台（5）、龙门架水平梁（2-1）和水平方向X\Y两轴移动机构（3\4）处于水平位置，垂直位置的校准使用直角规，使得龙门架垂直杆（2-2）、Z轴移动机构（6）垂直于水平面；调整三维力加载头（9）使其轴向与Z轴方向一致，指向基座（1）；

对标定装置的三维坐标系进行归零操作，在标定程序归零命令的控制下，由人工驱动X\Y\Z三轴带细分驱动的步进电机（3-2\4-2\6-1），水平\垂直旋转带细分驱动的步进电机（7-1\8-1），使得三维力加载头锥形嘴（9-3）与传感器安装平台（5）侧面的对零孔（5-3）重合，标定程序标记此时的X\Y\Z三轴移动机构（3\4\6）及水平\垂直旋转机构（7\8）的读数对应为标定装置三维坐标零点；

将三维柔性阵列触觉传感器（5-1）样件粘贴于传感器阵列基座（5-2）中央，在标定程序的控制下标定装置按序选择某一待加载三维力，并从待标定点中按序选择某一坐标的标定点，检验载荷是否是纯切向力，采用不同的加载方法对该标定点进行加载；通过数据采集装置标定程序记录下标定点坐标、载荷大小及三维柔性阵列触觉传感器（5-1）输出等信息；进一步标定装置按序选择下一个待标定点，并将该载荷加载到新的标定点，直至该载荷逐点对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面所有待标定点加载完毕；

标定装置按序选择下一个待加载三维力，并逐点将该载荷加载到所有待标定点上，通过数据采集装置标定程序记录下所有标定信息，直至所有载荷都逐点在所有待标定点上加载完毕；

由采集的标定信息标定程序计算三维柔性阵列触觉传感器（5-1）的标定耦合网络，并检验标定耦合网络是否符合要求，如果不符合要求，需要重新按照上述步骤对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）进行标定，否则标定结束；

所述的标定方法用于对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）加载纯切向力(F_x,F_y,0)时，将切向力加载臂（9-4）通过螺栓装配于锥形嘴（9-3）后端，且切向力加载臂（9-4）底面附有薄粘胶；根据切向力大小标定程序计算出切向力合力大小及方向，在水平\垂直角度编码器（7-2\8-2）的闭环控制下，调整加载头水平\垂直旋转机构（7\8）使得切向力加载臂（9-4）轴向与切向力合力方向一致，且其底面与待标定三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面相切；

在对切向力加载臂（9-4）姿态调整的同时，标定程序对切向力加载臂（9-4）底面中心点进行定位，由X\Y\Z三轴光栅尺（3-6\4-6\6-6）和水平\垂直角度编码器（7-2\8-2）的测量值，标定程序解算出该加力点的X\Y\Z坐标位置；通过比对其与三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面待标定点X\Y\Z坐标位置之间的偏差，调整X\Y\Z三轴移动机构（3\4\6）使上述两三维坐标位置重合，在X\Y\Z三轴光栅尺（3-6\4-6\6-6）的闭环控制下，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面的准确定位；

切向力加力臂（9-4）底面中心加力点指向三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面待标定点，并通过薄粘胶粘贴于三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面；切向力的加载通过驱动水平方向X\Y两轴移动机构（3\4），使得平面X轴移动机构（3）和Y轴移动机构（4）沿着切向力合力方向并以力矩比驱动传感器安装平台（5），在标准力传感器（9-2）的闭环控制下，调整X\Y两轴带细分驱动的步进电机（3-2\4-2）直至标准力传感器（9-2）检测的力与所需切向力合力大小一致，实现纯切向力在三维柔性阵列触觉传感器（5-1）上的加载。

2.根据权利要求1所述的一种用于三维柔性阵列触觉传感器标定装置的标定方法，其特征在于：所述的标定方法用于对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）进行非纯切向力标定时，以三维力加载头（9）的锥形嘴（9-3）进行标定，三维力加载头（9）姿态由待加载三维载荷的合力方向确定，在垂直旋转带细分驱动的步进电机（8-1）驱动下，三维力加载头（9）在垂直面内旋转，在水平旋转带细分驱动的步进电机（7-1）驱动下，三维力加载头（9）在水平面内旋转；配合水平\垂直角度编码器（7-2\8-2）的角度闭环控制，调整三维力加载头（9）角度直至与三维合力方向一致；

在对三维力加载头（9）姿态调整的同时，由X\Y\Z三轴光栅尺（3-6\4-6\6-6）和水平\垂直角度编码器（7-2\8-2）的测量值，标定程序解算出三维力加载头锥形嘴（9-3）尖端点的X\Y\Z坐标位置；通过比其与三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面待标定点X\Y\Z坐标位置之间的偏差，调整X\Y\Z三轴移动机构（3\4\6）使上述两三维坐标位置重合，在X\Y\Z三轴光栅尺（3-6\4-6\6-6）的闭环控制下，实现加力点在三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面的准确定位；

驱动Z轴移动机构（6）使得三维力加载到三维柔性阵列触觉传感器（5-1）表面的待标定点，在标准力传感器（9-2）的闭环控制下，调整Z轴带细分驱动的步进电机（6-1）直至标准力传感器（9-2）检测的力与所需加载三维合力大小一致，实现对三维柔性阵列触觉传感器（5-1）三维非纯切向力的独立、复合加载。