CN114593857A - 一种三维压力测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及压力测量技术领域，尤其是涉及的是一种三维压力测量方法。其中，该测量方法包括：获取施加力：施力半球部件所受到的施加力F；转换施加力：根据获取的施加力F，通过n个压力传感器将电压信号转化为对应的压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)；求解三维力：根据该压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)进行解耦算法求解，得到三维力(F_x,F_y,F_z)。本申请利用了半球结构进行整个模型解耦，可以同时实现小体积以及以柔性材料制作的优点，便携式三维压力的测量，还可以实现平面内多点测量的传感阵列形式。

Description

一种三维压力测量方法

技术领域

本申请涉及压力测量技术领域，尤其是涉及的是一种三维压力测量方法。

背景技术

随着智能传感与通信技术的发展，智能可穿戴装置已经被广泛应用于人体运动跟踪和环境感知与交互等场景，其中以智能鞋垫、智能鞋和智能坐垫等也层出不穷且附加功能日益扩增。

对于生活中许多常见的力传感器，多是测量单一方向上的力，如常见的悬臂梁电子秤，拉伸计等，此类传感器内部通过一定的机械结构，将三维力从空间中分解出其中的一维力出来。而通常作用的是三维力，就是在笛卡尔坐标系中的三对相互垂直的力的分量，表现为一个力在空间中的方向和大小关系，此三个力的方向是人为进行规定的，需要把这三个方向上的力的大小测量出来。

传感器的维间耦合就是指传感器在测量多维力的时候，单独对其中一个维度施加力时，传感器的其他维度受施力维度的干扰的大小。一个传感器的主要任务，就是将实际施加在传感器上的各个维度的力进行采集并输出，并且尽可能接近真实值。但是在现实生活中，不存在完美的传感器。此类传感器受限于体积以及工艺的要求，往往会在精度、成本、体积等多个方面进行取舍，因此测量输出的数值总是与真实值存在误差，因此倾斜的施加力的测量的关键点，就是尽量减少传感器间的维间耦合，并且使传感器的输出信号尽可能接近真实值。

倾斜的施加力的定义就是在两个物体接触的平面上，由于物体具有横移分量，产生了一对大小相等，方向相反的力，在笛卡尔坐标系中，定义法向方向的力为Fz，倾斜的施加力则可以由Fx，Fy两个方向上的力分量合成出来。主要运用的场景有鞋垫足底(或者坐垫)传感器以及触觉传感器，前者主要是通过在步行中，测量足底的法向以及剪切力方向的力的大小，通过一定的算法(算法组的工作)和阵列结构，对足底健康状况进行分析，进而得出病理分析结果。触觉传感器则是通过安装在机械臂的手指内测，通过测量剪切力可以实时获知机械手抓取物体的状态，进而进行控制。由此类运用场景可知，需要设计一款体积小、重量轻、结构上应运用柔性材料的三维力传感器，并从中解耦出倾斜的施加力的大小以实现柔性可穿戴、人机交互和机器人精密测量等应用。

发明内容

本申请的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过说明书以及其他说明书附图中所特别指出的结构来实现和获得。

本申请的目的在于克服上述不足，提供一种三维压力测量方法，利用了半球结构进行整个模型解耦，可以同时实现小体积以及以柔性材料制作的优点，便携式三维压力的测量，还可以实现平面内多点测量的传感阵列形式。

本申请提供了一种三维压力测量装置进行测量的方法。该测量方法包括：

获取施加力：施力半球部件所受到的施加力F；

转换施加力：根据获取的施加力F，通过n个压力传感器将电压信号转化为对应的压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)；

求解三维力：根据该压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)进行解耦算法求解，得到三维力(F_x,F_y,F_z)；

其中，n为压力传感器的个数。

在一些实施例中，该压力值Fz为Fz1、Fz2、Fz3、Fz4。

在一些实施例中，该施加力F的三维力为Fx、Fy、Fz。

在一些实施例中，该解耦算法为：

F_z＝F_z1+F_z2+F_z3+F_z4+…+F_zn

d为各压力传感器中心点构成的圆周的直径，h为施力半球部件的半径。

在一些实施例中，该施加力为向下垂直施加时，各该压力传感器均匀压缩，其中当该施力半球部件顶部受到垂直向下的施加力时，施加力通过该导力部件传递到该压力传感部件上，使压力传感部件上的压力传感器均匀压缩。

在一些实施例中，该施加力为向下倾斜施加时，各该压力传感器不均匀压缩，其中，当该施力半球部件顶部受到倾斜的施加力时，将产生扭矩导致该压力传感器受到不均匀压缩。

在一些实施例中，该施力半球部件呈半球体，增加按压舒适感。

在一些实施例中，该施力半球部件呈半椭圆球体。

通过采用上述的技术方案，本申请的有益效果是：

1、本申请利用了半球结构进行整个模型解耦，可以同时实现小体积以及以柔性材料制作的优点，便携式三维压力的测量，还可以实现平面内多点测量的传感阵列形式。

2、本申请可以在一定区域内布置多个装置以实现多点的三维力测量，进而可以实现智能坐垫、智能鞋垫等可穿戴压力分布测量设备。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

无疑的，本申请的此类目的与其他目的在下文以多种附图与绘图来描述的较佳实施例细节说明后将变为更加显见。

为让本申请的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一个或数个较佳实施例，并配合所示附图，作详细说明如下。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例共同用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，并且附图是示意性的，并不一定按照实际的比例绘制。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一个或数个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据此类附图获得其他的附图。

图1为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的结构示意图一；

图2为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的结构示意图二；

图3为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图一；

图4为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图二；

图5为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图三；

图6为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图四。

主要附图标记说明：

1、施力半球部件；

2、导力部件；

3、压力传感部件。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本申请，但并不用于限定本申请。

另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。但注明直接连接则说明连接地两个主体之间并不通过过渡结构构建连接关系，只通过连接结构相连形成一个整体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1和3-6，图1为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的结构示意图；图3为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图一；图4为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图二；图5为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图三；图6为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的测量方法的坐标图四。

根据本申请的一些实施例，本申请提供了一种三维压力测量装置进行测量的方法。该测量方法包括：

获取施加力：施力半球部件所受到的施加力F；

转换施加力：根据获取的施加力F，通过n个压力传感器将电压信号转化为对应的压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4,…,F_zn)；

求解三维力：根据该压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)进行解耦算法求解，得到三维力(F_x,F_y,F_z)；

根据本申请的一些实施例，可选地，该压力值Fz为Fz1、Fz2、Fz3、Fz4。

根据本申请的一些实施例，可选地，该施加力F的三维力为Fx、Fy、Fz。

根据本申请的一些实施例，可选地，该解耦算法为：

F_z＝F_z1+F_z2+F_z3+F_z4+…+F_zn

d为各压力传感器中心点构成的圆周的直径，h为施力半球部件的半径。

根据本申请的一些实施例，可选地，该施加力为向下垂直施加时，各该压力传感器均匀压缩，其中当该施力半球部件顶部受到垂直向下的施加力时，施加力通过该导力部件传递到该压力传感部件上，使压力传感部件上的压力传感器均匀压缩。

在一些实施例中，该施加力为向下倾斜施加时，各该压力传感器不均匀压缩，其中，当该施力半球部件顶部受到倾斜的施加力时，将产生扭矩导致该压力传感器受到不均匀压缩。根据本申请的一些实施例，本申请提供了一种三维压力测量装置，包括施力半球部件1、压力传感部件2和导力部件3，该施力半球部件1底部呈平面，该施力半球部件1的顶部向上凸起呈半球面；该压力传感部件3设置在该施力半球部件1的下方；该导力部件2设置在该施力半球部件1与该压力传感部件3之间，该导力部件2的一端与该施力半球部件1连接；该导力部件2的另一端与该压力传感部件3连接，其中，该三维压力测量装置采用4个该压力传感器，通将施力半球部件1顶部进行按压，使施力半球部件1收到一定的施加力，通过导力部件2传导到4个压力传感部件3中，再通过压力传感部件3的压力传感器进行信号输出，来进行测量。

根据本申请的一些实施例，本申请提供了一种三维压力测量装置的测量方法。三维压力测量装置采用4个压力传感部件3，进行测量，该测量方法包括：

根据FSR触点的数量编号顺序依次顺时针如F_z1,F_z2,F_z3,F_z4,，定义F_z1,F_z3 FSR触点连线方向为X轴正方向，F_z3,F_z4FSR触点连线方向为Y轴正方向，由基底指向施力半球为Z轴正方向，基板中央X、Y轴交叉点为原点O，d为环形陈列分布形成的直径，h为半球凸起的高度，F为施加力的矢量，将其分解为沿X轴正方向Fx，沿Y轴正方向Fy，沿Z轴反向Fz。外力矢量在基板上的投影点为COP(压力中心)，定义COP点到原点O的X轴向距离为x，定义COP点到原点O的Y轴向距离为y，FSR触点中央到O点的距离为d。COP点在X轴上投影点为Ax，COP点在Y轴上投影点为Ay，FSR触点法向受力即压力值分别为F_z1,F_z2,F_z3,F_z4。

当该施力半球部件1顶部受到垂直向下的施加力F时，法向力F_z通过该导力部件2传递到该压力传感部件3上，使压力传感部件3上的压力传感器均匀压缩；

其中，法向力Fz通过导力部件2传递到FSR触点上，法向力Fz即为触点的法向受力之和，计算公式为S1:

参照图5，图5为本申请中一种三维压力测量装置的测量方法的坐标图三。

当该施力半球部件1顶部受到倾斜的施加力F时，将产生扭矩导致该压力传感器受到不均匀压缩；

其中，倾斜的施加力F的方向可以通过COP的坐标来估计，投影在x轴和y轴上的COP位置与施加力矢量大小有关，系统在稳定状态下总扭矩和为0，因此可由矢量F_z1,F_z3分量Fz以及Ax点位置计算Fx，计算公式为:

S2：

S3:

参照图5-6，图5为本申请中一种三维压力测量装置的测量方法的坐标图三；图6为本申请中一种三维压力测量装置的测量方法的坐标图四。

选定Ax为旋转中心，根据公式S2左侧为顺时针扭矩方向的F_z1，F_z及其各自的力臂长度、x的乘积和，公式S2右侧为逆时针扭矩方向的F_z3，F_x及其各自的力臂长度、h的乘积和；

根据力矩平衡公式合力矩为0，公式S2中左右项相等。公式S3中左侧为Ax到原点O的距离x与半球高度h比值，右侧为F_x与F_z比值；

根据投影中心COP的受力分析，可知公式S3中左右两项相等，可得出公式:

S4:

S5:

根据受到的施加力F或剪切力F，通过多个该压力传感部件3将电压信号转化为与其相对应的压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)；

其中，转化的压力值(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)是通过压力传感部件3的微处理器对压敏传感单元采样完成后的原始数据进行标定和拟合得到的。

根据算出总的F_z以及解耦出F_x和F_y，并对输出值域进行软件限定，得到三维力(F_x,F_y,F_z)；

其中，由于三维压力测量装置具有装配误差，为了保持更高的线性度，对输出的F_x和F_y进行了再次拟合和校正，最终输出(F_x,F_y,F_z)。

得到转换压力值为(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)，进行解耦计算，该解耦算法为:

F_z＝F_z1+F_z2+F_z3+F_z4

参照图2，图2为本申请一些实施例中的三维压力测量装置的结构示意图二。

根据本申请的一些实施例，可选地，该施力半球部件1呈半椭圆球体。

应该理解的是，本申请所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的此类特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

此外，所描述的特征或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如厚度、数量等，以提供对本申请的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本申请无需上述一个或多个具体的细节便可实现或者也可采用其他方法、组件、材料等实现。

Claims (8)

1.一种三维压力的测量方法，其特征在于，该测量方法包括：

获取施加力：施力半球部件所受到的施加力F；

转换施加力：根据获取的施加力F，通过n个压力传感器将电压信号转化为对应的压力值F_z(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)；

求解三维力：根据该压力值F_z(F_z1,F_z2,F_z3,F_z4)进行解耦算法求解，得到施加力F的三维力(F_x,F_y,F_z)；

2.根据权利要求1所述的三维压力的测量方法，其特征在于，该压力值F_z为F_z1、F_z2、F_z3、F_z4。

3.根据权利要求1所述的三维压力的测量方法，其特征在于，该施加力F的三维力为F_x、F_y、F_z。

4.根据权利要求1所述的三维压力的测量方法，其特征在于，该解耦算法为：

其中，d为各压力传感器中心点构成的圆周的直径，h为施力半球部件的半径。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的三维压力的测量方法，其特征在于，该施加力为向下垂直施加时，各该压力传感器均匀压缩。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的三维压力的测量方法，其特征在于，该施加力为向下倾斜施加时，各该压力传感器不均匀压缩。

7.根据权利要求1所述的三维压力测量装置，其特征在于，该施力半球部件呈半球体。

8.根据权利要求1所述的三维压力测量装置，其特征在于，该施力半球部件呈半椭圆球体。

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