CN109341516A - 一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统 - Google Patents

Abstract

一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统，属于角度参数校准技术领域，包括步进滑台、弯曲传感器夹持设备、可调梁杆和控制电路。该装置利用控制芯片、位移传感器、温度传感器，湿度传感器、气压传感器微型气泵等综合实现了角度校准的功能，通过在电机滑轨上放置多个电机，实现同时校准多个角度传感器的功能，克服了传统技术中只校准单个角度的缺点；该装置可根据弯曲传感器的长度大小进行调节，适应性强；该装置有已被证实的数学理论支撑，根据空间坐标和电阻值得出校准公式，进行建模；该装置体积小、易制造、结构紧凑、操作便捷，适用于角度参数的校准。

Description

一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统

技术领域

本发明涉及角度参数校准技术领域，具体涉及一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统。

背景技术

柔性弯曲传感器作为一种新型传感器，因其基于高弹性材料在形变时电阻或电容发生变化而被广泛用于测量系统角度，但由于工艺和操作原因，每个柔性传感器出在较大个体差异，难以采用同一个变化规律精确标定不同传感器，因此需要对每个弯曲传感器进行校准，从而获得每个弯曲传感器的使用规律，因此校准装置应运而生。

目前的角度校准装置大多采用X射线、激光、大理石平台等，已有的一种用于医疗设备的角度校准装置（中国发明专利CN106821403A），采用X光辐射C型臂技术，但使用过程中仍具有辐射风险，长期操作对人体有很大伤害，而且不经济、操作不便、测量有局限性。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种基于形变转化和空间坐标转化的多传感器的多角度同时校准的角度校准装置。该装置既能根据弯曲传感器的长度大小进行调节，又能实现异步校准多个角度传感器的功能，适应性强；该装置电机既能做圆周运动，同时又能沿丝杠做线性运动，实现对采集范围内的所有位置进行坐标定位和无死角信息采集；该装置基于电阻和空间坐标转化校准，校准精度很高；该装置采用多种传感器采集校准，并用多传感器检测外界环境条件，能够很好对该装置外部环境进行调整，且操作简便；该装置有已被证实的数学理论支撑，根据空间坐标和电阻或电容值得出校准公式，用于建模。

发明的技术解决方案如下：

本发明设计的一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统，包括步进滑台、夹持装置和控制装置；步进滑台包括步进电机、丝杠、法兰和滑轨；夹持装置包括固定梁、固定锚点、柔性传感器、气囊、导气管和传感器电路；可调梁杆包括固定梁和固定锚点；控制装置包括控制芯片、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、微型电磁阀和微型气泵。

所述步进滑台包括步进电机、丝杠、法兰和滑轨，电机在控制丝杆转动的同时，也可以沿滑轨运动，通过丝杆和滑轨的移动实现法兰到达测量平面内的任意位置，进而可以有效测试各个角度下的形变量大小。

所述柔性传感器夹持设备一端安装在固定梁上的锚点上，不同长度和型号的柔性传感器根据测量需要所安装的锚点位置不同，为便于弯曲，长度越长的传感器其安装锚点越远离中心点，夹持设备另一端安装在法兰上，并随法兰的上下左右移动而实现柔性传感器的定向弯曲。

更进一步，根据工程实践经验，当柔性传感器上下表面承受不同压力时，其形变量将发生一定变化，因此在夹持设备两侧安装两个气囊，以模拟实际使用时柔性传感器表面受到的不同压力情况，与传感器接触的气囊一侧为平滑面，远离传感器的气囊一侧为波浪形表面，通过微型气泵向气囊内充气，波浪形外侧气囊膨胀向内侧挤压，两侧气囊的挤压将对弯曲传感器产生一定压力，通过气囊内的不同气压值可以模拟出传感器两侧不同的压力值，因而可以有效监测不同压力对传感器的影响。

更进一步，在弯曲传感器与气囊间安装压力传感器，对当前压力进行实时测量，可以更加有效的测量当前压力情况下，形变量与弯曲角度的关系，同时更加清楚不同压力对两者关系的影响。

所述控制电路包括控制芯片，微型气泵，温度传感器，湿度传感器和气压传感器；控制芯片实时采集系统中的温度、湿度和气压等各项状态数据，并通过传感器电路采集传感器中的形变量状态，基于当前的各项状态数据及预期目标，向微型气泵和步进电机发送各项运动命令。

更进一步，在丝杆下方安装位移传感器，保证步进滑台中的法兰运动到指定位置，防止步进电机的丢步，以提高系统精度。

本发明所述一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统，基于当前法兰位置可以精确测量出柔性传感器的当前的弯曲角度，该系统中当前位置与角度关系关系式可以根据公式进行计算，其中为弯曲角度，为当前法兰坐标位置，另外通过控制芯片测量出当前传感器的形变量，因此可以建立其弯曲角度与形变量之间对应关系。

更进一步，系统根据当前的位置自动计算出当前的角度，并与传感器当前的形变量建立起一一对应关系，系统根据这些对应关系作为训练样本数据，自动训练多层神经网络，在大量实验数据基础上，对神经网络采用系统计算角度与神经网络计算角度之间的横向对比测试，验证神经网络的可靠性和稳定性，当达到一定的精度和稳定度时，该传感器校准完毕，自动存储该传感器的各项校准数据。

本发明所述的弯曲传感器夹持设备，其特征在于：所述弯曲传感器实际应用时会有不可避免的外界压力作用，为模拟外界的压力作用，将所述气囊固定在弯曲传感器两侧，很好地模拟了外界压力大小，排除了外界压力作用引起的干扰；所述气囊采用软体制作，灵活轻便，易于操控，充气后压力可均匀分布在气囊各部；所述气囊亦对弯曲传感器起到保护作用。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

该装置实现同时校准多个角度传感器的功能，克服了传统技术中只校准单个角度的缺点；该装置可根据弯曲传感器的长度大小进行调节，适应性强；该装置电机既能做圆周运动，同时又能沿丝杠做线性运动，实现对采集范围内的所有位置进行坐标定位和无死角信息采集；该装置基于电阻和空间坐标转化校准，校准精度很高；该装置采用多种传感器采集校准，并用多传感器检测外界环境条件，能够很好对该装置外部环境进行调整，且操作简便；该装置不采用射线等，无物理化学危害，对人体安全有保障。

附图说明

图1是本发明设计的基于电阻转化和空间坐标转化的多传感器的多角度同时校准的角度校准装置的一种实施例的结构图。

图2是图1所示实施例的具体实施图。

图3是曲率传感器角度测量装置简图。

图4是图1所示实施例原理的弯曲传感器校准装置示意图。

图5是图4弯曲传感器弯曲角度为180°时的示意图。

在图1中：

1—温度传感器，2—湿度传感器，3—气压传感器，4—导气管，5—曲率传感器电路，6—弯曲传感器，7—气囊，8—法兰，9—微型气泵，10—控制芯片，11—微型电磁阀，12—固定锚点，13—固定梁，14—电机滑轨，15—丝杠，16—步进电机，17—位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的基于电阻转化和空间坐标转化的多传感器的多角度同时校准的角度校准装置的一种实施例，如图1所示，包括步进滑台、弯曲传感器夹持设备、可调梁杆和控制电路；所述步进滑台包括步进电机16、丝杠15、法兰8和电机滑轨14；所述弯曲传感器夹持设备包括弯曲传感器6、气囊7、导气管4、曲率传感器电路5；所述可调梁杆包括固定梁13、固定锚点12和密封管11；所述控制电路包括控制芯片10、位移传感器17、温度传感器1、湿度传感器2、气压传感器3和微型气泵9；所述弯曲传感器夹持设备一端固接在固定梁13上，另一端紧贴步进电机16，并随步进电机16的步进而移动，实现弯曲传感器的弯曲；所述锚点分布在固定梁13上，固定弯曲传感器的固接端；所述步进电机16可在电机滑轨14上移动。

本实施例中，所述弯曲传感器夹持设备将弯曲传感器6放置于两侧气囊中间，与传感器接触的气囊一侧为平滑面，远离传感器的气囊一侧为波浪形表面；所述控制电路包括向气囊7中供气的微型气泵9，以及测量校准环境的温度传感器1，湿度传感器2和气压传感器3。所述固定梁13可以根据弯曲传感器的长度大小进行调节，同时可以根据测量的角度大小，可以调节固定梁13与丝杠15之间的夹角。

本实施例中，所述位移传感器17测量步进电机16的前进位移，根据关系式和原理公式得到空间坐标和弯曲角度；其校准方法的特征在于通过位移传感器17测量位移得到弯曲角，根据弯曲角得到当前电阻值，最终得出用于校准的电阻弯曲角关系式。

本实施例中，所述基于电阻转化和空间坐标转化的多传感器的多角度同时校准的角度校准装置的实施步骤是：

1）弯曲传感器校准：对弯曲传感器角度进行校准就是求出角度和电阻的对应关系，既求出关系式：，代表电阻值，代表弯曲角度，一个角度对应一个电阻值；

2）弯曲传感器使用：用式反向求解得：，已知电阻值时，通过关系式可知现在的弯曲角度；

3）对弯曲角度的求解；

4）对自由运动的手指使用弯曲传感器：通过多次对人手指弯曲时的运动轨迹进行Matlab模拟，得出了一条统计的食指弯曲运动轨迹曲线，根据曲线的形状，再设计一个曲线轨迹装置用于实验当中，重复步骤1）、2）；

通过以上4个步骤最终得出我们能用的式子：、。

本实施例中，所述弯曲传感器6的校准包括：对已知的弯曲角度求出当前电阻值，即求出关系式：；测量实际给出的弯曲角度值，通过位移传感器6测量位移，由关系式，求出坐标上的点，用原理公式求出弯曲角度。

初始状态：以弯曲传感器6在固定梁13上的固定位置为坐标原点，水平轴为x，竖直轴为y，弯曲传感器6竖直放置。

通过给定的角度值，利用原理公式：

又由图2可看出：

求出点。

丝杠螺母的位移为：

控制步进电机前进位移。

由于步进滑台的精度不是很高，有一定的控制误差，所以由步进滑台控制的弯曲角度存在误差，需测量实际给出的弯曲角度值，方法为通过位移传感器17测量位移，由关系式，求出坐标上的点，用原理公式求出弯曲角度，具体公式如下：

上式无法用手工计算，但是对于不同的，可以事先通过计算求得其对应关系表。

如图3所示，L1和L2为两个不同长度的弯曲传感器，不同长度的传感器L1、L2分别固定在C、D点。装置的夹角为角余角，也是一个固定角，不随曲率传感器的长度变化而修改。我们选择用步进电机和安装滚珠丝杠在这条斜线上实现。弯曲传感器弯曲时，在弯曲传感器的末端安装位移传感器间接测量当前时刻弯曲角度值，测量传感器当前时刻的电阻值，多次测量数据，求出关系式；用直线导轨完成弯曲传感器的校准和使用前验证，用特定的曲线轨迹装置完成自由运动的手指使用弯曲传感器前的验证，通过这些实验，最终得出我们能用的式子：、。

本实施例中，所述基于电阻转化和空间坐标转化的多传感器的多角度同时校准的角度校准装置的原理是：

如图4：粗实线代表弯曲传感器，其一端固定在A点，另一端为移动端，另一端在传动装置的拖动下沿一条斜线方向向下弯曲，使弯曲角度在0°~180°范围变化， 为弯曲传感器的长度， 为弯曲传感器弯曲时其圆弧对应的弦长，为圆弧对应的圆心角，既弯曲角度值。在三角形斜边与其垂线的交点处设弯曲传感器弯曲角度为180°，因为三角形中垂线段最短。斜线上的传动装置采用步进滑台。

图5是弯曲角度为180°时的示意图，在三角形斜边与其垂线的交点处设弯曲传感器弯曲角度为180°，这时曲率传感器的弯曲形状是一个半圆，可根据圆周长公式求得：

根据圆周长公式：，由图5易看出

可求得：

由图5可求得，

角度是固定的为39.54°，可以得出斜线的斜率是固定的，为50.46°。

本发明装置利用控制芯片、位移传感器、温度传感器，湿度传感器、气压传感器微型气泵等综合实现了角度校准的功能，通过在电机滑轨上放置多个电机，实现同时校准多个角度传感器的功能，克服了传统技术中只校准单个角度的缺点；该装置可根据弯曲传感器的长度大小进行调节，适应性强；该装置电机既能做圆周运动，同时又能沿丝杠做线性运动，实现对采集范围内的所有位置进行坐标定位和无死角信息采集；该装置基于电阻和空间坐标转化校准，校准精度很高；该装置采用多种传感器采集校准，并用多传感器检测外界环境条件，能够很好对该装置外部环境进行调整，且操作简便；该装置不采用射线等，无物理化学危害，对人体安全有保障；该装置有已被证实的数学理论支撑，根据空间坐标和电阻值得出校准公式，进行建模；该装置体积小、易制造、结构紧凑、操作便捷，适用于角度参数的校准。

Claims (5)

1.一种柔性弯曲传感器异步精确校准系统，包括步进滑台、夹持装置和控制装置；所述步进滑台包括步进电机、丝杠、法兰和滑轨；所述夹持装置包括固定梁、固定锚点、柔性传感器、气囊、导气管和传感器电路；可调梁杆包括固定梁和固定锚点；所述控制装置包括控制芯片、位移传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、微型电磁阀和微型气泵。

2.根据权利要求1中所述的夹持装置，其特征在于一端安装在锚点上，每个固定梁有多个锚点，另一端安装在法兰上，法兰随步进电机的步进而移动，夹持装置中间部分安装两个气囊，柔性传感器放置于两侧气囊中间，与传感器接触的气囊一侧为平滑面，远离传感器的气囊一侧为波浪形表面，通过微型气泵改变气囊内的气压可以模拟出不同压力，柔性传感器在法兰带动下实现定向弯曲。

3.根据权利要求1中所述步进滑台，其特征在于步进电机可以在控制丝杆转动的同时，也可以沿圆形滑轨运动，电机在滑轨上的移动以及丝杆的转动实现法兰到达测量平面内的任意位置，进而可以驱动柔性传感器形成各种角度。

4.根据权利要求1中所述的柔性弯曲传感器异步精确校准系统，其特征在于系统最多可以同时校准四个角度传感器，每套设备既可以柔性传感器校准工作，也可以完成实际角度测量工作，设备间相互不干扰，控制芯片可以异步处理各项工作。

5.根据权利要求1中所述的柔性弯曲传感器异步精确校准系统，其实施步骤的特征在于根据步进电机位置得到当前法兰位置，进而根据原理公式得到当前弯曲角度，其校准过程的特征通过控制芯片测量得到传感器的当前形变量，通过法兰位置得到当前的角度，通过多层神经网络建立其形变量与角度之间的映射关系，并通过实验验证所建立的映射关系。