CN107830972B - 柔性力传感器标定测试平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

柔性力传感器标定测试平台及方法

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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,et al.,2015；Stassi,et al.,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,et al.,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,et al.,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Measurement Specialties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,et al.,2014；Wong,2012)；此外，通过有效的信号提取也能弥补测量上不足(Aroca,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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,et al.,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》的中国发明专利，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》的中国发明专利，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要求的设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种柔性力传感器标定测试平台及方法，能够对剪切应力造成的影响进行标定。

本发明解决其技术问题的技术方案如下：

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。

采用该结构后，通过调节杆可调整加载于柔性力传感器上的具体载荷，通过单维力传感器的输出信号可获知该具体载荷的大小，通过在活动压块下方加挂砝码可调整柔性力传感器受到的剪切应力，然后根据在不同载荷不同剪切应力下柔性力传感器的输出数据，进行数据处理后，即能对剪切应力造成的影响进行标定。

优选地，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。

采用该优选结构，即能更加精确地调整加载于柔性力传感器上的具体载荷，利于提高标定的精确性。

更优选地，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。

采用该优选结构，可对调节杆起到稳定和纠偏作用，避免调节杆偏离通道的中心轴线。

优选地，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。

采用该优选结构，可使第一、第二滑动座能更加顺畅地滑动，使标定过程更加便利。

更优选地，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。

采用该优选结构，可增大操作空间，使标定过程更加便利。

优选地，所述固定压块由第一圆柱形块、圆锥形块和第二圆柱形块组成，所述第一圆柱形块的一端与第二滑动座固连，所述第一圆柱形块的另一端与圆锥形块的底面固连，所述圆锥形块的锥尖与第二圆柱形块的一端固连；当平台处于标定状态时，所述第二圆柱形块的另一端与柔性力传感器抵接；所述第一圆柱形块的中心轴线、圆锥形块的中心轴线、第二圆柱形块的中心轴线以及柔性力传感器的中心轴线相互重合；所述柔性力传感器处于第二圆柱形块的覆盖范围内。

采用该优选结构，有利于进一步提高标定的精确性。

优选地，所述第一滑动座、第二滑动座分别具有安置锁定部件的容纳空间；所述锁定部件由旋转把手经旋转轴与凸轮柱固连而成，所述旋转把手位于容纳空间外，所述旋转轴和凸轮柱位于容纳空间内；所述锁定部件与容纳空间构成具有轴向约束的转动副；所述锁定部件具有凸轮柱与水平轨道表面抵接、并使得第一或第二滑动座固定在水平轨道上的锁定状态，以及凸轮柱与水平轨道表面相离、并使得第一或第二滑动座能在水平轨道上移动的非锁定状态。

采用该优选结构，即能更加方便地实现第一、第二滑动座的锁定及解除锁定。

优选地，所述固定压块、活动压块的材质分别为铝金属或铝合金。这样可尽量降低压块重量对标定的影响。

本发明还提供：

采用前述柔性力传感器标定测试平台的标定方法，其特征是，包括以下步骤：

第一步、通过锁定部件将第一滑动座固定在水平轨道上，使单维力传感器处于固定位置；将第二滑动座沿水平轨道向第一滑动座滑动，同时将活动压块和待标定的柔性力传感器置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，且活动压块的挂钩处于活动压块正下方；当单维力传感器和固定压块将活动压块及柔性力传感器夹持住、且单维力传感器输出示数为零时，通过锁定部件将第二滑动座固定在水平轨道上，此即标定零点；

第二步、以预定方法，在固定载荷下以固定增量不断增加剪切应力至预定最大剪切应力，并在固定剪切应力下以固定增量不断增加载荷至预定最大载荷；同时，采集柔性力传感器的输出数据；

所述预定方法为：通过在活动压块的挂钩上加载砝码，使剪切应力以固定增量不断增加；通过调节杆调节活塞柱位置，使单维力传感器输出示数为预定数值，进而使载荷以固定增量不断增加；

第三步、将载荷、剪切应力、柔性力传感器输出数据进行拟合，并得到回归方程；所述方程即为该柔性力传感器的剪切应力修正方程；标定结束。

采用该标定方法，即能顺利得出对待标定柔性力传感器的剪切应力修正算法，从而在该柔性力传感器实际应用中使其数据更加贴近实际情况。

优选地，所述标定方法还包括：

验证步、采用预先获知重量的数字式握力计，以手指持握该握力计并使其悬空，并将所述柔性力传感器置于手指与握力计之间；调整方向使手指用力方向、柔性力传感器受力方向均为水平方向；在手指用力过程中，分别采集握力计输出数据和柔性力传感器输出数据，同时以该柔性力传感器的剪切应力修正方程对柔性力传感器输出数据进行修正并获得修正数据；之后，通过比较判断握力计输出数据、柔性力传感器输出数据以及修正数据之间的吻合程度；验证结束。

采用该优选方法，即能更好地验证第三步所得修正算法的实际修正效果。

本发明标定测试平台及其标定方法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。

附图说明

图1至图3分别为本发明实施例1中标定测试平台不同角度的结构示意图。

图4为本发明实施例1中第一滑动座的通道剖面示意图。

图5为本发明试验案例中固定载荷下剪切应力变化的影响结果示意图。图中，NL表示载荷大小。

图6为本发明试验案例中固定剪切应力下载荷变化的影响结果示意图。图中，Normal Load轴为载荷大小，Derivation Percent of Sensor Output(％)轴为柔性力传感器输出数据的偏差百分比。

图7为本发明试验案例中的拟合图。图中，X轴为载荷、Y轴为剪切应力、Z轴为柔性力传感器输出数据。

图8为本发明试验案例中的验证结果图。图中，Times轴为以秒计的时间，Forcemeasured轴为测得的力数值；Jamar Gauge Output表示握力计的数据，Original FSRSensor Output表示原始的柔性力传感器输出数据，Calibrated FSR Sensor Output表示标定后的柔性力传感器输出数据。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例1

如图1至图4所示，本实施例柔性力传感器标定测试平台，包括呈平台状的基座01，基座01具有水平轨道02、第一滑动座03和第二滑动座04，第一滑动座03和第二滑动座04分别与水平轨道02构成水平滑移副；第一滑动座03具有通道16，通道16的一端设有活塞柱05，活塞柱05伸出通道16的末端固连有单维力传感器06，单维力传感器06的测力方向为水平方向，通道16的另一端设有调节杆07，通道16内设有传动机构，调节杆07经传动机构与活塞柱05传动连接；第二滑动座04具有固定压块08；第一滑动座03和第二滑动座04还分别具有将自身固定在水平轨道02上的锁定部件09；平台还包括活动压块10、待标定的柔性力传感器11以及一组带钩的砝码12，活动压块10具有挂钩；单维力传感器06的信号输出端、柔性力传感器11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03和第二滑动座04分别经相应的锁定部件09固定在水平轨道02上，活动压块10和柔性力传感器11被夹持于单维力传感器06和固定压块08之间，柔性力传感器11位于活动压块10和固定压块08之间，且活动压块10下方挂有砝码12，活塞柱05的中心轴线、单维力传感器06的中心轴线、固定压块08的中心轴线、活动压块10的中心轴线以及柔性力传感器11的中心轴线相互重合。

具体而言，调节杆07由螺杆13和旋帽14固连而成；通道16呈圆柱形；第一滑动座03在通道16的另一端固连有环状件15，螺杆13与环状件15具有的螺纹内壁螺纹连接；传动机构包括内压块17和弹性件18(例如弹簧)，内压块17的一侧与螺杆13固连或抵接，内压块17的另一侧与弹性件18的一端固连，弹性件18的另一端与活塞柱05位于通道16内的末端固连；内压块17、活塞柱05分别呈圆柱形且与通道16内壁相贴；螺杆13的中心轴线、通道16的中心轴线、环状件15的中心轴线以及内压块17的中心轴线相互重合。

第一滑动座03还在通道16的另一端设有U形件19，U形件19的两端分别与第一滑动座03固连，U形件19的中部设有供螺杆13穿过的小孔，小孔的中心轴线与螺杆13的中心轴线重合；小孔内壁光滑，或者，小孔内壁具有与螺杆13螺纹连接的内螺纹。

水平轨道02由两道平行且呈长条形的凸台20组成；第一滑动座03、第二滑动座04分别具有横跨水平轨道02的卡槽，卡槽的一侧内壁与一凸台20外侧抵接，卡槽的另一侧内壁与另一凸台20外侧抵接；在卡槽与水平轨道02的配合下，第一滑动座03、第二滑动座04分别与水平轨道02构成沿水平轨道02延伸方向运动的水平滑移副。

第一滑动座03、第二滑动座04还分别具有位于卡槽上方的座主体21，座主体21的上部呈半圆柱形，座主体21的下部呈棱台；半圆柱形沿水平方向延伸，棱台的四个侧面分别带有弧度；半圆柱形与棱台之间经弧面过渡；棱台的高度至少为半圆柱形直径的1.5倍；活塞柱05、单维力传感器06、固定压块08分别处于半圆柱形与棱台连接处所处高度。

固定压块08由第一圆柱形块22、圆锥形块23和第二圆柱形块24组成，第一圆柱形块22的一端与第二滑动座04固连，第一圆柱形块22的另一端与圆锥形块23的底面固连，圆锥形块23的锥尖与第二圆柱形块24的一端固连；当平台处于标定状态时，第二圆柱形块24的另一端与柔性力传感器11抵接；第一圆柱形块22的中心轴线、圆锥形块23的中心轴线、第二圆柱形块24的中心轴线以及柔性力传感器11的中心轴线相互重合；柔性力传感器11处于第二圆柱形块24的覆盖范围内。

第一滑动座03、第二滑动座04分别具有安置锁定部件09的容纳空间；锁定部件09由旋转把手经旋转轴与凸轮柱固连而成，旋转把手位于容纳空间外，旋转轴和凸轮柱位于容纳空间内；锁定部件09与容纳空间构成具有轴向约束的转动副；锁定部件09具有凸轮柱与水平轨道02表面抵接、并使得第一或第二滑动座04固定在水平轨道02上的锁定状态，以及凸轮柱与水平轨道02表面相离、并使得第一或第二滑动座04能在水平轨道02上移动的非锁定状态。

此外，固定压块08、活动压块10的材质分别为铝金属或铝合金。

实施例2

本实施例的标定方法采用实施例1的柔性力传感器11标定测试平台，具体步骤包括：

第一步、通过锁定部件09将第一滑动座03固定在水平轨道02上，使单维力传感器06处于固定位置；将第二滑动座04沿水平轨道02向第一滑动座03滑动，同时将活动压块10和待标定的柔性力传感器11置于单维力传感器06和固定压块08之间，柔性力传感器11位于活动压块10和固定压块08之间，且活动压块10的挂钩处于活动压块10正下方；当单维力传感器06和固定压块08将活动压块10及柔性力传感器11夹持住、且单维力传感器06输出示数为零时，通过锁定部件09将第二滑动座04固定在水平轨道02上，此即标定零点；

第二步、以预定方法，在固定载荷下以固定增量不断增加剪切应力至预定最大剪切应力，并在固定剪切应力下以固定增量不断增加载荷至预定最大载荷；同时，采集柔性力传感器11的输出数据；

预定方法为：通过在活动压块10的挂钩上加载砝码12，使剪切应力以固定增量不断增加；通过调节杆07调节活塞柱05位置，使单维力传感器06输出示数为预定数值，进而使载荷以固定增量不断增加；

第三步、将载荷、剪切应力、柔性力传感器输出数据进行拟合，并得到回归方程；方程即为该柔性力传感器11的剪切应力修正方程；标定结束。

验证步、采用预先获知重量的数字式握力计，以手指持握该握力计并使其悬空，并将柔性力传感器11置于手指与握力计之间；调整方向使手指用力方向、柔性力传感器11受力方向均为水平方向；在手指用力过程中，分别采集握力计输出数据和柔性力传感器11输出数据，同时以该柔性力传感器11的剪切应力修正方程对柔性力传感器11输出数据进行修正并获得修正数据；之后，通过比较判断握力计输出数据、柔性力传感器11输出数据以及修正数据之间的吻合程度；验证结束。

试验案例

采用实施例1的柔性力传感器11标定测试平台，其中，单维力传感器06、活动压块10、固定压块08的第二圆柱形块24直径相同，均为25mm。

采用实施例2的标定方法，其中在第二步，剪切应力从0kg开始，每次增加0.05kg，直到0.5kg(该重量接近一玻璃杯水的重量)，若产生相对滑动，则停止增加；载荷从1kg开始，每次增加1Kg，直到5Kg(该载荷接近手指的指力上限)；每组测试重复5次。

所有的传感器输出信号均使用美国国家仪器公司Signal Express 2013软件和USB 6009数据采集卡(National Instruments Corporation,Austin,TX,USA)以1000Hz采样频率进行采集。

在验证步中，使用美国Noraxon公司的无线数字式握力计，握力计自重527g，作为柔性力传感器受到的剪切应力。且在手指持握握力计时，将拇指置于握力计的一侧，将食指和/或中指置于握力计的另一侧；柔性力传感器11置于食指和/或中指与握力计之间。

试验结果如下：

1、固定载荷下剪切应力变化对柔性力传感器输出数据的影响

如图5所示，在固定载荷条件下，柔性力传感器输出数据与剪切应力之间存在着正向线性关系(R>0.98)，这种关系一直维持到相对滑动为止，因此在有效范围内剪切应力对柔性力传感器的测量结果有明确的影响(R²>0.95)，且随着剪切应力的增加柔性力传感器的输出增加。

试验中还发现当剪切应力卸载后，其对柔性力传感器输出数据的影响依然存在，出现了零点漂移，漂移百分比为2.81～6.15％。对比卸载即刻和卸载1分钟之后的传感器输出结果(如表1所示)后发现，这种影响并没有消除，仍然存在2.62～4.62％的漂移。同时发现，零点漂移大小与加载的剪切应力大小有关，但漂移百分比与之无关。

表1剪切应力卸载后传感器输出数据漂移率(Mean(SD))

2、固定剪切应力下载荷变化对柔性力传感器输出数据的影响

在柔性力传感器表面加载剪切应力，柔性力传感器输出数据的偏差百分比如图6所示。其中偏差百分比的计算公式如下：

其中Per代表偏差百分比，U⁰代表没有剪切应力加载时的柔性力传感器输出数据，U’代表某一剪切应力加载下柔性力传感器的输出数据。结果显示，在固定剪切应力加载时，柔性力传感器输出数据的偏差百分比随着载荷增加而减少；当载荷较小时，剪切应力加载对柔性力传感器的输出数据影响明显，因此在较小载荷的测量应用中，应关注剪切应力加载的影响。

3、数据拟合

将载荷、剪切应力、柔性力传感器输出数据进行拟合，得到二元一次回归方程，其相应拟合图如图7所示。

该拟合结果显示出良好的拟合效果，F(2,47)＝22166.655，p<0.001，其中R²值为0.999，这意味着99.9％置信区间内剪切应力加载对柔性力传感器输出的影响可被该模型解释，同时该模型可用以下方程描述：

z＝0.180×x+0.047×y-0.017

其中x是正常纵向载荷，y是剪切加载，z为柔性力传感器输出数据。该方程可用于剪切效应的清除，R²值表明该方程的准确性和有效性。

4、验证修正效果

在验证步中，由于握力计自身的重量使柔性力传感器作用面上产生剪切方向静摩擦力，使用上述模型，原始的柔性力传感器输出数据、标定后的柔性力传感器输出数据与握力计的数据进行比较(如图8所示)。结果表明，标定后的柔性力传感器输出数据效果明显好于原始传感器输出数据效果。通过对剪切应力的标定处理，柔性力传感器的测量能更加准确地描述手的用力过程。

由以上结果可知，使用柔性力传感器测量在应用中受剪切应力影响的局限性可以通过标定在一定程度上解决。补偿过程取决于标定的结果。剪切敏感性消除依赖于剪切力对压阻材料变形的影响，当载荷小的时候，剪切力的方向性能使材料的变形朝一个方向发生微小改变，因此这种影响可以被发现并估计，而当载荷较大的时候，由于中间压阻感应材料被充分挤压，使剪切力的方向性难以让材料发生方向性变形，进而使得剪切力难以影响传感器输出，因此，剪切响应发生在载荷较小的时候且能通过标定进行修正清除。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

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；

所述标定测试平台的标定过程包括：

第一步、通过锁定部件将第一滑动座固定在水平轨道上，使单维力传感器处于固定位置；将第二滑动座沿水平轨道向第一滑动座滑动，同时将活动压块和待标定的柔性力传感器置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，且活动压块的挂钩处于活动压块正下方；当单维力传感器和固定压块将活动压块及柔性力传感器夹持住、且单维力传感器输出示数为零时，通过锁定部件将第二滑动座固定在水平轨道上，此即标定零点；

第二步、以预定方法，在固定载荷下以固定增量不断增加剪切应力至预定最大剪切应力，并在固定剪切应力下以固定增量不断增加载荷至预定最大载荷；同时，采集柔性力传感器的输出数据；所述预定方法为：通过在活动压块的挂钩上加载砝码，使剪切应力以固定增量不断增加；通过调节杆调节活塞柱位置，使单维力传感器输出示数为预定数值，进而使载荷以固定增量不断增加；

第三步、将载荷、剪切应力、柔性力传感器输出数据进行拟合，并得到回归方程；所述方程即为该柔性力传感器的剪切应力修正方程；标定结束。

2.根据权利要求1所述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所述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所述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所述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.根据权利要求1所述的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述固定压块由第一圆柱形块、圆锥形块和第二圆柱形块组成，所述第一圆柱形块的一端与第二滑动座固连，所述第一圆柱形块的另一端与圆锥形块的底面固连，所述圆锥形块的锥尖与第二圆柱形块的一端固连；当平台处于标定状态时，所述第二圆柱形块的另一端与柔性力传感器抵接；所述第一圆柱形块的中心轴线、圆锥形块的中心轴线、第二圆柱形块的中心轴线以及柔性力传感器的中心轴线相互重合；所述柔性力传感器处于第二圆柱形块的覆盖范围内。

7.根据权利要求1所述的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述第一滑动座、第二滑动座分别具有安置锁定部件的容纳空间；所述锁定部件由旋转把手经旋转轴与凸轮柱固连而成，所述旋转把手位于容纳空间外，所述旋转轴和凸轮柱位于容纳空间内；所述锁定部件与容纳空间构成具有轴向约束的转动副；所述锁定部件具有凸轮柱与水平轨道表面抵接、并使得第一或第二滑动座固定在水平轨道上的锁定状态，以及凸轮柱与水平轨道表面相离、并使得第一或第二滑动座能在水平轨道上移动的非锁定状态。

8.根据权利要求1至7任一项所述的柔性力传感器标定测试平台，其特征是，所述固定压块、活动压块的材质分别为铝金属或铝合金。

9.采用柔性力传感器标定测试平台的标定方法，其特征是，

所述柔性力传感器标定测试平台，包括呈平台状的基座，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；

所述标定方法包括以下步骤：

第一步、通过锁定部件将第一滑动座固定在水平轨道上，使单维力传感器处于固定位置；将第二滑动座沿水平轨道向第一滑动座滑动，同时将活动压块和待标定的柔性力传感器置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，且活动压块的挂钩处于活动压块正下方；当单维力传感器和固定压块将活动压块及柔性力传感器夹持住、且单维力传感器输出示数为零时，通过锁定部件将第二滑动座固定在水平轨道上，此即标定零点；

第二步、以预定方法，在固定载荷下以固定增量不断增加剪切应力至预定最大剪切应力，并在固定剪切应力下以固定增量不断增加载荷至预定最大载荷；同时，采集柔性力传感器的输出数据；所述预定方法为：通过在活动压块的挂钩上加载砝码，使剪切应力以固定增量不断增加；通过调节杆调节活塞柱位置，使单维力传感器输出示数为预定数值，进而使载荷以固定增量不断增加；

第三步、将载荷、剪切应力、柔性力传感器输出数据进行拟合，并得到回归方程；所述方程即为该柔性力传感器的剪切应力修正方程；标定结束。

10.根据权利要求9所述的标定方法，其特征是，所述标定方法还包括：

验证步、采用预先获知重量的数字式握力计，以手指持握该握力计并使其悬空，并将所述柔性力传感器置于手指与握力计之间；调整方向使手指用力方向、柔性力传感器受力方向均为水平方向；在手指用力过程中，分别采集握力计输出数据和柔性力传感器输出数据，同时以该柔性力传感器的剪切应力修正方程对柔性力传感器输出数据进行修正并获得修正数据；之后，通过比较判断握力计输出数据、柔性力传感器输出数据以及修正数据之间的吻合程度；验证结束。

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