KR20150060949A

KR20150060949A - 힘 플레이트의 3차원 캘리브레이션 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150060949A
Application number: KR1020157010962A
Authority: KR
Inventors: 브루스 에프. 화이트; 프레드 루랜드; 포레스트 제이. 카리그난; 알버트 드루딩; 게리 글라스
Original assignee: 어드벤스드 메커니컬 테크놀로지, 인코.
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2015-06-03
Also published as: BR112015006387A2; US9459173B2; KR101688348B1; WO2014051599A1; EP2901125A4; EP2901125A1; JP6043875B2; CA2884944C; US20130298633A1; BR112015006387B1; HK1210262A1; CN104813151A; JP2015530589A; CA2884944A1; AU2012391003B2; CN104813151B; EP2901125B1; DK2901125T3; PL2901125T3; AU2012391003A1

Abstract

포스 플랫폼을 캘리브레이션하는 방법은 포스 플랫폼을 제공하고 컴퓨팅 장치를 통해 포스 플랫폼의 상부 표면에 nXm 그리드를 인가하는 단계와, X축과 Y축에 수직하는 Z축을 따라 및 상기 X축과 Y축을 따라 상부 표면의 각각의 nXm 그리드 포인트에 공지의 하중을 인가하는 단계와, X, Y 및 Z축을 따라서 인가된 각각의 공지 하중에 대해 각각의 그리드 포인트에서 측정을 행하는 단계 및 6개의 측정 출력 신호와, 정확한 위치 좌표 및 각각의 그리드 포인트에 대한 인가된 공지 하중 크기를 발생하는 단계와, 각각의 그리드 포인트와 인가된 공지 하중에 대해 6개 식의 nXmXp 배열을 6개 미지수와 조립하는 단계 및 조립된 식을 풀고 각각의 그리드 포인트에 대한 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 매트릭스를 유도하는 단계를 포함한다.

Description

힘 플레이트의 3차원 캘리브레이션 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR THREE DIMENSIONAL CALIBRATION OF FORCE PLATES}

본 발명은 힘 플레이트의 3차원 캘리브레이션 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히, 향상된 측정 정확도 및 크로스토크 에러의 감소를 제공하는 힘 플레이트의 3차원 캘리브레이션 시스템 및 방법에 관한 것이다.

포스 플랫폼은 접지 반응력을 측정하는 측정 장치이다. 대표적으로 포스 플랫폼은 움푹 패인 곳(pit)에 장착되며, 그 상부 표면은 바닥과 동일한 평면에 놓인다. 그리고 대상물은 플랫폼에 가로지르거나 세워져서 작업하도록 지지되며, 발생된 접지 반응력이 기록된다. 포스 플랫폼은 생체 역학, 의학적 연구, 정형외과, 재활 평가, 보철 용도 및 엔지니어링 등에서의 연구 및 임상 논문을 위해 공통으로 사용된다. 일 예에 있어서, 환자가 플랫폼에 서있는 동안, 환자의 자세가 흔들리는 동요의 정도를 측정하는데 사용된다. 포스 플랫폼은 이를 x, y, 및 z축을 따르는 3개의 직교 힘 성분(Fx, Fy, Fz)과 이들 축을 중심으로 하는 모멘트(Mx, My, Mz)를 측정함에 의해 달성한다.

포스 플랫폼 시스템은 힘 플레이트, 일련의 스트레인 게이지가 다축을 따라 하중을 감지하도록 고정된 다축 스프링 부재, 힘 플레이트 또는 플랫폼에 접속되거나 매립된 증폭기 또는 신호 컨디셔너, 및 데이터 수집용 컴퓨터를 포함한다. 스트레인 게이지로부터의 전기 신호는 증폭기로 전달되며, 증폭기는 신호를 컴퓨터에서 처리하기에 충분한 전압으로 증폭한다. 데이터 수집은 선택된 매체에 따라 디지털 또는 아날로그일 수 있다. 다른 실시예로서, 홀 효과(Hall effect) 센서와, 광학 센서, 캐패시터 또는 기계적 센서가 플랫폼의 다축을 따르는 하중을 측정하는데 사용된다.

힘 플레이트와 신호 컨디셔너 양자는 로(raw) 데이터를 유용한 데이터로 정확하게 변환하는데 캘리브레이션을 요구한다. 더구나, 스트레인 신호의 감지 및 전달에 고도의 감도와 정확성이 요구된다. 이와 같이, 포스 플랫폼은 6개의 가능한 하중, 즉 x, y 및 z 축을 따라 3개의 직교 힘 성분(Fx, Fy, Fz)과 이들 축을 중심으로 3개의 모멘트(Mx, My, Mz)에 대응하는 다채널 출력을 생성하도록 설계된다. 하지만, 포스 플랫폼의 제조 및 설계 시의 작은 결함은 약간의 오프-축 감도가 된다. 일 예를 들면, 오프-축 감도는 Fx 채널내의 출력 신호가 z 방향을 따라 인가된 힘하중 Fz에 대해 약간 민감한 것으로, 이러한 오프-축 감도는 잘못된 신호의 감지 및 전달되는 크로스토크 에러를 야기하며, 이 크로스토크 에러에 의해 부정확한 측정이 행해지게 된다.

따라서, 크로스토크 에러를 정정하는 힘 플레이트를 캘리브레이션하는 향상된 시스템 및 방법을 필요로 하고 있다.

본 발명은 힘 플레이트 캘리브레이션 문제를 해소하며 또한 향상된 정확성을 가지는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

일반적으로 일 양태에 있어서 본 발명은 포스 플랫폼 캘리브레이션 방법을 특징으로 하며, 이 방법은 포스 플랫폼을 제공하고 컴퓨팅 장치를 통해 상기 포스 플랫폼의 상부 표면에 nXm 그리드를 인가하는 단계를 포함한다. nXm 그리드는 상기 포스 플랫폼의 X축을 따르는 n포인트이고, 상기 Y축을 따르는 m포인트를 포함한다. 그리고, X축 및 Y축에 수직하는 Z축을 따라 및 상기 X축 및 Y축을 따라 상부 표면의 각각의 nXm 그리드 포인트에 p 공지 하중을 인가하는 단계를 포함한다. 그리고, X, Y 및 Z축을 따라 인가된 각각의 공지 하중에 대해 각각의 그리드 포인트에서 다수 포인트 측정을 행하고, 6개의 측정 출력 신호와, 정확한 위치 좌표 및 각각의 그리드 포인트에 대해 인가된 공지 하중 크기를 발생하는 단계를 포함한다. 그리고, 각각의 그리드 포인트와 인가된 공지 하중에 대해 6개 식의 nXmXp 배열을 6개 미지수와 조립하는 단계를 포함한다. 그 다음으로, 조립된 식을 풀고 각각의 그리드 포인트에 대한 위치 및 하중의 특정 캘리브레이션 매트릭스를 유도하는 단계를 포함한다. 마지막으로, 캘리브레이셔 테이블내의 모든 그리드 포인트에 대해 유도된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 매트릭스를 입력하고 비휘발성 메로리에 캘리브레이션 테이블을 저장하는 단계를 포함한다.

본 발명의 이러한 양태를 실행하면 다음과 같은 특징중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 p 공지 하중은 3-D 데카르트 하중 장치를 통해 인가된다. 상기 인가된 p 공지 하중은 10% 증가에서 O에서 실규모 성능(Full Scale Capacity)(FSC) 범위의 크기로 이루어진다. 상기 n 및 m 포인트는 1 내지 20 범위내의 값을 포함한다. 상기 6개의 측정된 출력 신호는 3개의 힘 성분 Fx, Fy, Fz과 3개의 모멘트 성분 Mx, My, Mz을 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 평가 알고리즘을 제공하고, 상기 비휘발성 메모리내에 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 저장하는 단계를 더 포함한다. 상기 평가 알고리즘은 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 미지의 인가 하중에 대해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 포스 플랫폼에 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가를 발생한다. 미지의 인가 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가는 캘리브레이션 테이블내의 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 결정하는데 사용된다. 본 발명의 방법은 또한 결정된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 미지의 하중을 위해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 정확한 측정을 발생하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 방법은 또한 NIST 추적가능 사하중을 상부 표면 그리드 포인트에 인가함에 의해 상기 유도된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 변화하는 단계를 더 포함한다. 본 발명의 방법은 10 포인트 이상 및 이하의 캘리브레이션 프로토콜을 이용하여 8개 그리드 포인트에서 2차 특징을 측정하는 단계를 더 포함한다.

일반적으로 다른 양태에 있어서 본 발명은 포스 플랫폼 캘리브레이션 시스템을 특징으로 하며, 이 시스템은 포스 플랫폼, 컴퓨팅 장치, 3-D 데카르트 하중 장치, 센서, 알고리즘 및 비휘발성 메모리를 포함한다. 컴퓨팅 장치는 상기 포스 플랫폼의 상부 표면에 nXm 그리드를 인가하도록 구성된다. 상기 nXm 그리드는 상기 포스 플랫폼의 X축을 따르는 n포인트이고, 상기 Y축을 따르는 m포인트를 가진다. 3-D 데카르트 하중 장치는 상기 X축 및 Y축과 그리고 상기 X축 및 Y축에 수직하는 Z축을 따라서 상부 표면의 각각의 nXm 그리드 포인트에 p 공지 하중을 인가한다. 센서는 상기 X, Y 및 Z축을 따라서 인가된 각각의 공지 하중에 대해 각각의 그리드 포인트에서 측정을 행하고, 6개의 측정 출력 신호와, 정확한 위치 좌표 및 각각의 그리드 포인트에 대해 인가된 공지 하중 크기를 발생한다. 알고리즘은 각각의 그리드 포인트와 인가된 공지 하중에 대해 6개 미지수와 6개 식의 nXmXp의 조립된 어레이를 풀고, 각각의 그리드 포인트에 대한 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 매트릭스를 유도한다. 비휘발성 메모리는 모든 그리드 포인트에 대한 유도된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 매트릭스를 포함하는 캘리브레이션 테이블을 저장한다.

본 발명의 이러한 양태를 실행하면 다음과 같은 특징중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 인가된 p 공지 하중은 10% 증가에서 O에서 실규모 성능(Full Scale Capacity)(FSC) 범위의 크기로 이루어진다. 상기 n 및 m 포인트는 1 내지 20 범위내의 값으로 이루어진다. 상기 6개의 측정된 출력 신호는 3개의 힘 성분 Fx, Fy, Fz과 3개의 모멘트 성분 Mx, My, Mz를 포함한다. 본 발명의 시스템은 또한 평가 알고리즘과 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 더 포함한다. 상기 평가 알고리즘은 상기 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 인가된 미지의 하중에 대해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 포스 플랫폼에 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가를 발생하도록 구성된다. 미지의 인가 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가는 캘리브레이션 테이블내의 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 결정하는데 사용된다. 본 발명의 시스템은 또한 결정된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 미지의 하중을 위해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 정확한 측정을 발생하는 정정 알고리즘을 더 포함한다.

일반적으로 다른 양태에 있어서 본 발명은 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 포함하는 캘리브레이션 테이블을 저장하는 비휘발성 메모리를 포함하는 캘리브레이티드 포스 플랫폼을 특징으로 한다.

본 발명의 이러한 양태를 실행하면 다음과 같은 특징중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스는 상기 포스 플랫폼의 상부 표면의 nXm 그리드 포인트와 상기 상부 표면에 수직하는 축을 따라 인가된 p 공지 하중에 대응한다. 본 발명의 캘리브레이티드 포스 플랫폼은 글로벌 캘리브레이션 메트릭스를 더 포함한다. 본 발명의 캘리브레이티드 포스 플랫폼은 또한 글로벌 캘리브레이션 메트릭스를 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 포스 플랫폼에 대한 미지의 인가 하중 및 위치 좌표의 제 1 평가를 발생하는 평가 알고리즘을 더 포함한다. 미지의 인가된 하중 및 위치 좌표의 제 1 평가는 캘리브레이션 테이블내의 위치 특정 캘리브레이션 메트릭스를 식별하는데 사용된다. 본 발명의 캘리브레이티드 포스 플랫폼은 식별된 위치 특정 캘리브레이션 메트릭스를 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치 좌표의 정확한 측정을 발생하는 정정 알고리즘을 더 포함한다.

본 발명의 이점 중에는 다음 중의 하나 이상의 이점이 있을 수 있다. 본 발명의 캘리브레이션 프로세스는 도 12A 내지 도 12F에 도시된 바와 같은 포스 플랫폼 측정의 정확성을 향상한다. 대표적인 크로스토크 에러는 인가된 하중의 ±0.01% 정도이고, 대표적인 하중 오차는 인가된 하중의 0.001 미만 또는 ±0.1% 정도이다. 평균 압력 중심(COP) 에러는 0.2mm 미만이다.

본 발명의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명은 첨부된 도면 및 하기 설명에서 서술된다. 본 발명의 기타의 특징, 목적 및 이점들은 이하 기술된 바람직한 실시예, 도면 및 특허청구범위로 부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도면과 관련하여, 동일한 번호는 도면중에서 동일한 구성을 나타낸다.
도 1은 포스 플랫폼 시스템의 전체 다이어그램을 예시한다.
도 2는 트랜듀서 및 트랜듀서로 측정된 3개의 힘 및 3개의 모멘트 성분을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 도 1 시스템의 하드웨어 구성을 나타낸다.
도 4는 종래의 캘리브레이션 절차에서 사용된 포스 플랫폼의 물리 좌표 시스템과 전자기 좌표 시스템을 나타낸다.
도 5는 Fy에 대한 대표적인 종래의 크로스토크 에러 분포를 나타낸다.
도 6a는 캘리브레이션 프로세스에서 사용된 3-D 그리드를 나타낸다.
도 6b는 본 발명에 따른 포스 플랫폼 3-D 캘리브레이션 프로세스의 흐름도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 3-D 캘리브레이션 과정을 실행하는 포스 플랫폼에 인가된 3-D 그리드를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 3-D 캘리브레이션 과정에서 사용된 3-D 데카르트 하중을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 3-D 캘리브레이션 과정 중에 포스 플랫폼의 상부 표면, 전면 표면 및 우측 표면에 인가된 3-D 하중을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 포스 플랫폼 3-D 캘리브레이션 시스템을 나타낸다.
도 11a는 본 발명의 3-D 캘리브레이티드 포스 플랫폼을 이용하는 포스 플랫폼 측정 시스템을 나타낸다.
도 11b는 본 발명의 3-D 캘리브레이티드 포스 플랫폼을 이용하는 포스 플랫폼 측정 프로세스의 흐름도를 나타낸다.
도 12a는 본 발명의 캘리브레이션 방법으로 발생된 COPx 에러 분포를 나타낸다.
도 12b는 본 발명의 캘리브레이션 방법으로 발생된 COPy 에러 분포를 나타낸다.
도 12c는 본 발명의 캘리브레이션 방법으로 발생된 Fz 에러 분포를 나타낸다.
도 12d는 본 발명의 캘리브레이션 방법으로 발생된 Fz 내지 Fx 크로스토크 에러 분포를 나타낸다.
도 12e는 본 발명의 캘리브레이션 방법으로 발생된 Fz 내지 Fy 크로스토크 에러 분포를 나타낸다.
도 12f는 본 발명의 캘리브레이션 방법으로 발생된 Fz 내지 Mz 크로스토크 에러 분포를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 포스 플랫폼 시스템(100)의 예시도이다. 시스템(100)은 접지 반응력을 측정하는데 사용되며, 포스 플랫폼(102), 신호 컨디셔너(104) 및 데이터 수집용으로 사용된 컴퓨터(108)를 포함한다. 시스템은 하나 이상의 포스 플랫폼, 및/또는 신호 컨디셔너를 포함할 수 있다. 신호 컨디셔너(104)는 아날로그 증폭기 및/또는 디지털 프로세서일 수 있고, 힘 플레이트에 접속되거나 매립될 수 있다. 컴퓨터(108)는 개인 컴퓨터(PC), 서버, 모바일 컴퓨팅 장치 또는 연산 회로일 수 있다.

도 1에 도시된 포스 플랫폼(102)은 대상물을 지지하고 움직이거나 또는 점프함으로서, 상부 표면(101)에 인가된 힘과 모멘트를 측정하도록 설계된다. 포스 플랫폼(102)은 출력 포트(103)에 힘 신호를 출력하여, 포스 플랫폼(102)이 힘 신호 컨디셔너(104)에 접속되어 통신할 수 있다.

포스 플랫폼(102)은 힘을 측정하는 하나 이상의 힘 트랜스듀서 또는 하중 셀을 포함한다. 도 2는 대상물이 포스 플랫폼(200)과 접촉하고 있기 때문에, 힘 트랜스듀서(201)에 의해 측정되는 3개의 힘 성분 Fx, Fy 및 Fz과 3개의 모멘트 성분 Mx, My 및 Mz을 나타낸다. Fx, Fy 및 Fz는 직교 x,y 및 z 축 좌표 시스템의 축(202)(204)(206)을 따라 작동하는 힘 성분이다. 도 2에 있어서, 오른손 법칙에 따라 화살표는 각각의 축을 따라 포지티브 힘의 방향을 지칭하고, Fx 및 Fy는 수평 또는 전단력 성분이고, Fz는 수직 힘 성분이다. Mx, My 및 Mz는 3개의 토오크 및 모멘트 성분이다. 토오크 및 모멘트는 대응하는 x, y 및 z 축(202)(204)(206) 둘레를 각각 회전한다. 포지티브 모멘트는 오른손 법칙에 따라 결정된다. 축을 아래로(포지티브 방향으로) 보면, 포지티브 모멘트는 시계방향 회전이다.

도 1에 있어서, 증폭기 또는 신호 컨디셔너(104)는 힘 플레이트 또는 플랫폼(102)에 접속된다. 3개의 힘 성분 Fx, Fy 및 Fz과 모멘트 성분 Mx, My 및 Mz의 각각이 측정되면, 신호 컨디셔너(104)는 포스 플랫폼(102)에 매립된 스트레인 게이지 브릿지 세트에 여기 전압을 공급한다. 그에 따른 출력은 인가된 기계적 하중의 성분에 비례하여 낮은 레벨 전압이다. 이러한 출력은 신호 컨디셔너(104)에 의해 샘플링될 수 있고, 여러 신호 컨디셔닝 기술이 적용될 수 있다. 신호 컨디셔너(104)는 접속된 컴퓨터(108)에 디지털 및/또는 아날로그 데이터 스트림을 제공한다.

신호 컨디셔너(104)는 아날로그 카드, 유니버셜 시리얼 버스(Universal Serial Bus)(USB), 이더넷(Ethernet) 또는 시리얼 인터페이스(도시하지 않음)와 같은 일종의 매체를 통해 컴퓨터(108)에 접속된다. 도 1의 예에 있어서, 신호 컨디셔너(104)는 USB 커넥션(112)를 통해 단일 컴퓨터(108)에 접속된다. 컴퓨터(108)가 접지 반응 힘 데이터를 수신하면, 소프트웨어 프로그램에 따라 추가 프로세싱을 실행하여, 데이터를 디스플레이하거나 저장한다.

도 3a 및 도 3b는 포스 플랫폼(102), 신호 컨디셔너(104) 및 컴퓨터(108)를 포함하는 포스 플랫폼 시스템(100)의 실시예의 하드웨어 구성을 예시한다. 포스 플랫폼(102)은 커넥션 또는 케이블(110)을 통해 신호 컨디셔너(104)에 접속되며, 케이블은 힘 신호의 다수 채널을 위해 여기 전압 V_ExE ₊, V_ExE _- 및 출력 전압 V_IN+, V_IN을 위 커넥션을 포함한다. 도 3a의 예에 있어서, 포스 플랫폼(102)은 6개의 스트레인 게이지와 협력하는 6개의 힘 채널을 포함하며, 각각은 여기 전압 V_ExE ₊, V_ExE _- 에 의해 구동된 브릿지 회로(301)-(306)를 포함하고, 브릿지 출력 전압 V_IN+, V_IN-을 제공한다. 도 3a에는 간략하게 힘 채널 1 과 6을 위한 회로만이 포스 플랫폼(102)에 포함된 스트레인 게이지(301) 및 (306)와, 단일의 신호 컨디셔너(104)에 포함된 증폭기 1 과 6이 도시된다. 채널 2-5에 대해 생략된 회로는 채널 1과 6에 대해 도시된 것과 동일하다.

또한 커넥션 또는 케이블(110)은 신호 컨디셔너(104)가 포스 플랫폼(102)의 비휘발성 메모리(307)에 저장된 데이터를 검색하도록 1-와이어 인터페이스와 같은 통신 링크를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리(307)는 도 3a에 도시된 바와 같은 읽기 전용 메모리(ROM)일 수 있고, 또는 EPROM과 같은 프로그램가능한 메모리를 포함하여 프로그램가능할 수 있다. 비휘발성 메모리(307)는 포스 플랫폼 캘리브레이션 데이터를 저장하고, 또한 플랫폼 시리얼 넘버와 플랫폼 성능을 저장할 수 있다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 신호 컨디셔너(104)는 USB 커넥션(112)을 통해 PC와 같은 컴퓨터(108)에 접속된다. 신호 컨디셔너(104)의 주요 기능은 다수 아날로그 채널 및/또는 다수 채널 디지털 데이터 스트림과 같은 결과를 입출력하는 다수의 스트레인 게이지로 부터의 힘 데이터 상태에 관한 것이다. 아날로그 출력은 하이 레벨일 수 있고, 다채널 아날로그 대 디지털 컨버터(ADC)에 대한 입력부로서 적합하다. 디지털 데이터 출력은 USB 커넥션(112)을 통해 호스트 PC와 같은 컴퓨터(108)에 전달될 수 있다. 또한 USB 커넥션(112)은 신호 컨디셔너(104)에 의해 사용된 제어 및 상태 정보를 송수신하는데 사용될 수 있다. 추가의 신호 컨디셔너(104)가 USB를 통해 컴퓨터(108)에 접속될 수 있다. 신호 컨디셔너(104)는 호스트 PC와 같은 컴퓨터(108)로 부터 명령과 타이밍 신호를 받아서, USB 커넥션(112)을 통해 PC와 같은 컴퓨터(108)로 디지털 힘 신호를 보낸다. 이와 달리 또는 이에 추가하여, 신호 컨디셔너(104)는 도 3b에서 V_out(1-6)으로써 아날로그 힘 신호들을 아날로그 출력 포트(313)에서 출력하고, 아날로그 신호를 수신하는 컴퓨터(108)의 입력 포트(도시하지 않음)에 더 접속될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 신호 컨디셔너(104)의 하드웨어 구성을 더 상세하게 예시한다. 신호 컨디셔너(104)는 포스 플랫폼(102)으로 부터 수신된 힘 신호들을 디지털화하고 컨디셔닝하는 마이크로프로세서(10)와, USB 커넥션(112)을 통해 PC와 같은 컴퓨터(108)와 통신하는 마이크로프레세서(18)를 포함한다. 마이크로프로세서(10)는 I2C 버스 인터페이스(10.11)와, 8-비트 연장된 메모리 인터페이스(10.12), 1-비트 SOF 대 카운트 앤드 캡쳐 라인(10.16), 1-비트 마이크로프로세서 대 USB 인터페이스 버스(10.17) 및 3-비트 비방향성 비동기 버스(10.18)를 포함하는 통신 라인들을 통해 마이크로프로세서(18)와 통신한다. 마이크로프로세서(10)는 시리얼 페리퍼랄 인터페이스(Serial Peripheral Intterface)(SPI)를 통해 신호 컨디셔너(104)의 기타 성분들과 접속되어 통신한다. SPI 버스는 SPI 버스 인터페이스(10.9)에서 마이크로프로세서(10)에 접속된다.

신호 컨디셔너(104)는 힘 채널 1을 위해, 스트레인 게이지(301)의 브릿지 회로에 접속된 아날로그 신호 컨디셔닝 회로(1)를 포함하고 차동 증폭기(1.1)를 포함한다. 차동 증폭기(1.1)에 대한 하나의 입력은 브릿지 출력 볼트 V_IN+이고, 다른 입력은 신호 컨디셔닝 회로(1)에 의해 제공되는 브릿지 균형 전압이다. 차동 증폭기(1.1)는 멀티플렉서(9)에 접속되는 이득 G_ANALI 및 출력을 가진다. 차동 증폭기(1.2)는 브릿지 균형 전압을 힘 채널(1)에 삽입하기 위해 스트레인 게이지(301)와 차동 증폭기(1.1)사이에 접속된다. 디지탈 대 아날로그 컨버터(DAC)(1.3)는 마이크로프로세서(10)의 제어 하에 브릿지 균형 전압을 생성하는데 사용된다. 차동 증폭기(1.2)의 하나의 입력은 DAC(1.3)의 출력에 접속되고, 차동 증폭기(1.2)의 다른 입력은 스트레인 게이지(301)로 부터 브릿지 출력 전압 V_IN-을 수신하도록 스트레인 게이지(301)에 접속된다. 또한 신호 컨디셔닝 회로(1)는 포지티브 브릿지 여기 전압 V_EXE ₊ 를 스트레인 게이지(301)에 공급하는 스트레인 게이지(301)에 접속되는 파워 증폭기(1.4)를 포함할 수 있다. 또한 네가티브 브릿지 여기 전압 V_EXE _-을 스트레인 게이지(301)에 제공하는 스크레인 게이지(301)에 접속된 파워 증폭기(1.5)를 포함할 수 있다. 파워 증폭기(1.5)의 입력에 접속된 DAC(1.6)는 마이크로프로세서(10)의 제어 하에, 네가티브 브릿지 여기 전압 V_EXE _-을 생성하는데 사용된다. DAC(1.3) 및 DAC(1.6)의 양자는 마이크로프로세서(10)의 SPI 버스 인터페이스(10.9)에 접속된다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 힘 채널(6)을 위한 아날로그 신호 컨디셔닝 회로(6)는 힘 채널 1을 위한 신호 컨디셔닝 회로(1)에 대응하는 동일 성분을 포함한다. 컨디셔닝 회로(6)는 스트레인 게이지(306)에 접속되어 차동 증폭기(6.1), 차동 증폭기(6.2), DAC(6.3), 파워 증폭기(6.4), 파워 증폭기(6.5) 및 DAC(6.6)을 포함한다. 차동 증폭기(1.1)에 비해, 차동 증폭기(6.1)는 멀티플렉서(9)에 접속된 이득 G_ANAL6 및 출력을 가진다. 마찬가지로, DAC(6.3) 및 (6.6)는 SPI 버스 커넥션을 통해서 마이크로프로세서(10)에 접속된다. 같은 회로가 각각의 채널을 위해 제공되지만 도시되지는 않았다.

멀티프렉서(9)는 6대3 차동 라인 멀티플렉서로서, 신호 컨디셔닝 회로 (1) 내지 (6)으로부터 6개의 힘 채널을 수용하고, 6개의 채널을 마이크로프로세서(10)에 접속된 3개의 차동 출력 라인으로 멀티플렉스한다. 멀티플렉서(9)는 3비트 버스 커넥션을 통해서 마이크로프로세서(10)로 부터의 입력, 즉 제어 신호를 수신한다.

도 3a에 도시된 예에 있어서, 마이크로프로세서(10)는 SLICON LABORATORIES (Slib) 8051 기반 혼합 신호 마이크로컨트롤러이고, 명목상 클럭 속도가 100MHz인 시스템 클럭(10.6)과, 8051 기반 코어 CPU(10.7)와, 캘리브레이션 및 형태 데이터를 저장하는 시스템 비휘발성 메모리(10.8) 및 외부 회로와 통신하기 위한 여러 인터페이스 및 입력/출력을 포함하는 다수의 성분으로 이루어진다. 마이크로프로세서(10)의 성분들은 CPU(10.7)와의 통신을 허용하도록 상호접속된다. 도 3a에는 상호접속의 일부만이 간략하게 도시되어 있다.

마이크로프로세서(10)는 3라인 대 1라인 차동 멀티플렉서(10.1)를 경유하여 외부 멀티플렉서(9)로부터의 입력, 즉 힘 신호 입력을 수신한다. 결국 마이크로프로세서(10)는 3비트 버스 인터페이스(10.13)를 경유해서 외부 멀티플렉서(9)와 통신한다. 이득 G _PGA를 가지는 프로그램머블 게인 증폭기(10.2)는 멀티플렉서(10.1)의 출력을 12 비트 차동 입력 아날로그 대 디지털 컨버터(ADC)(10.3)에 접속한다. 신호 컨디셔너(104)는 게인 증폭기(10.2)를 이용하여 신호 컨디셔닝 회로 (1) 내지 (6)으로 부터 수신된 멀티플렉스된 아날로그 힘 신호를 증폭하고, ADC(10.3)을 이용하여 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환한다. 디지털화된 힘 신호는 캘리브레이션 데이터를 기반으로 하는 신호를 컨디셔닝하는 것과 같은 추가의 프로세싱에 이용가능하다. 캘리브레이션 데이터는 포스 플랫폼(102)의 비휘발성 메모리(307)로 부터 수신된 캘리브레이션 데이터를 포함하고, 마이크로프로세서(10)의 비휘발성 메모리(10.8)내에 저장된 신호 컨디셔닝 캘리브레이션 데이터를 포함할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 힘 플레이트의 직교 x, y 및 z 축 좌표 시스템의 축을 따라 작용하는 힘 성분들은 Fx, Fy, 및 Fz으로 지정된다. 각각의 힘 축 둘레를 회전하는 모멘트 및 토오크 성분들은 Mx, My, 및 Mz으로 지정된다. 포스 플랫폼(102)은 6개의 출력 채널을 제공한다. 각각의 채널은 인가된 하중의 6개 성분, 즉 3개의 직교하는 힘과 3개의 직교하는 모멘트 및 토오크의 하나를 나타낸다. 인가된 하중의 일부가 하나의 채널에 대해 다른 출력을 나타내면 크로스토크가 발생한다. 이러한 나머지 출력은 측정 장치의 기계적/전기적 한계에 의해 야기되며 정정될 수 있다. 이는 공지의 힘, 모멘트 및 토오크를 키 위치에서 각각의 포스 플랫폼(102)에 인가하여, 모든 채널에 걸친 기록함에 의해 행해진다. 이러한 출력으로 부터 6 X 6의 캘리브레이션 메트릭스가 이하의 표 1과 같이 유도된다. 표 1에 있어서, Fx, Fy, Fx, Mx, My, Mz은 인가된 하중 성분을 나타내고, VFx, VFy, VFz, VMx, VMy, VMz는 측정값이다. 이러한 메트릭스는 감성 메트릭스라 하며, 각 채널로 부터의 출력을 엔지니어링 유닛으로 변환하여 크로스토크를 정정하는데 사용된다.

	캘리브레이션 메트릭스 샘플
채널	0	1	2	3	4	5
	VFx	VFy	VFz	VMx	VMy	VMz
	채널i(lb,in-ib)에 대한 입력은 전기 출력 j(uV, Vex) B(i,j)배이다.
	8P 4000600.2000
Fx	0.6519	-0.0068	-0.0019	0.0009	-0.0017	-0.0003
Fy	0.0090	0.6515	-0.0037	0.0009	0.0005	0.0010
Fz	0.0018	0.0017	2.5523	-0.0062	0.0001	0.0026
Mx	-0.0044	-0.0032	0.0003	12.8281	0.0108	-0.0138
My	0.0725	-0.0032	0.0003	0.0058	10.1358	-0.0140
Mz	0.049	0.0821	0.0792	0.0123	0.0340	5.4451

포스 플랫폼 시스템(100)내의 플랫폼(102)은 비휘발성 메모리(307)에 플랫폼 식별과 캘리브레이션 메트릭스를 저장한다(도 3a). 포스 플랫폼(102)이 신호 컨디셔너(104)에 접속되면, 캘리브레이션 메트릭스를 신호 컨디셔너(104)에 이용할 수 있어서, 도 3a의 비휘발성 메모리(10.8)에 자신의 캘리브레이션 설정값을 저장한다. 다른 실시예에 있어서, 캘리브레이션 데이터는 외부 전자 장치, 즉 신호 컨디셔너(104)에 의해 프로그램가능하고 검색가능할 수 있다.

데이터를 기록하면, 신호 컨디셔너(104)는 각 플랫폼 출력 채널로 부터 mV 입력을 판독한다. 이것을 행하면, 신호 컨디셔너(104)는 캘리브레이티드 이득과 여자 값을 사용하여, 캘리브레이션 메트릭스를 인가함에 의해 크로스토크 정정을 제공한다. PC와 같은 컴퓨터(108)에 대한 신호 컨디셔너(104) 디지탈 출력 스트림은 각각의 엔지니어링 유닛에 제공되는 완전히 처리된 IEEE 플로팅 포인트 수로 이루어진다.

신호 컨디셔너(104)는 대규모 수치 프로세싱을 실행하며, 이는 이득 및 여기값을 위한 명목 값을 대신해서 인자 캘리브레이티드 상수를 이용하는 단계; 한정되는 브릿지 저항으로 인한 케이블 손실을 정정하는 단계; 및 인자 캘리브레이티드 플랫폼 정정 메트릭스를 인가함에 의해 크로스토크 정정을 제공하는 단계를 포함한다. 신호 컨디셔너(104)는 DC 옵셋의 제거와, 사용자 정의 DC 설정 포인트 제공 및 물리적 플랫폼 위치를 고려하여 보상하도록 회전 좌표변환(rotational transformation)을 실행할 수 있다.

종래의 캘리브레이션 과정은 위치 포인트의 한정된 수에서 포스 플랫폼을 로딩하는 단계와 스트레인 게이지 판독을 취하는 단계를 포함한다. 캘리브레이션 메트릭스의 6개의 미지수 감도로 6개의 식을 발생하기 위해서는 적어도 6개의 위치를 필요로 한다. 6개의 식은 캘리브레이션 메트릭스의 6개 미지수 감도로 풀리며, 얻어지는 싱글("글로벌") 캘리브레이션 메트릭스는 포스 플랫폼이 전체 표면 영역에 대해 인가된 힘을 계산하는데 사용된다. 이에 따라 얻어지는 포스 플랫폼의 표면 영역에 대한 크로스토크 에러 분포가 도 5에 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 1% 정도의 크로스토크 에러가 종래의 캘리브레이션 절차에 비해 포스 플랫폼의 표면 영역에 걸쳐서 관찰된다. 이런 형태의 정밀성은 진단 목적으로는 적합하지 않다. 그러므로, 포스 플랫폼의 표면 영역에 걸쳐서 1% 미만으로 크로스토크 에러를 줄이는 향상된 캘리브레인션 절차를 필요로 한다.

전형적인 종래의 캘리브레이션 과정에 있어서, 공지 힘이 플랫폼 표면에 대해 다른 공간 위치에서 인가되어 6개의 출력 신호가 측정된다. 6개의 출력 신호는 3개의 힘 성분 vf_x, vf_y, vf_z과 3개의 모멘트 성분 vm_x, vm_y, vm_z을 나타낸다. 다음 식 (1)은 3개의 힘 성분 vf_x, vf_y, vf_z과 3개의 모멘트 성분 vm_x, vm_y, vm_z을 포함하는 6개의 측정 출력들과 3개의 인가된 힘 f_x, f_y, f_z 및 3개의 합계 모멘트 M_x, M_y, M_z 각각과의 사이의 관계를 나타낸다.

vf_x = S_fx f_x

vf_y = S_fy f_y

vf_z = S_fz f_z

vm_x = S_mx (T_x + m_x) =S_mx M_x

vm_y = S_my (T_y+ m_y) =S_my M_y

vm_z = S_mz (T_z + m_z) =S_mz M_z 식 (1)

합계 모멘트 M_x, M_y, M_z 는 x, y, z 축 둘레에 각각 인가된 토오크 T_x, T_y, T_z와 x, y, z 축 둘레에 각각 인가된 힘 m_x, m_y, m_z의 모멘트와의 합이다. 비례 인자 S_fx, S_fy, S_fz, S_mx, S_my, S_mz은 "글로벌" 캘리브레이션 감도 조건이다. 캘리브레이션 절차는 공지 힘과 모멘트를 인가하는 단계와 감도 조건을 해결하는 단계를 포함한다.

다른 간접 측정은 압력 중심(COP) 위치의 X 및 Y 좌표를 포함한다. COP는 포스 플랫폼 표면에 대해 대상자의 발(foot)(또는 기타 접촉 요소)에 의해 인가된 분포 힘이 발생되기 위해 싱글 힘 벡터가 인가될 수 있는 포인트이다. COP의 X 및 Y 좌표는 다음 식에 따라 결정된다:

COPx = X_cop = m_y/f_z

COPy = Y_cop =m_x/f_z 식 (2)

식 (1)은 크로스토크 조건을 고려하지 않은 것으로, 크로스토크를 고려하는 일반식은 아래의 식 (3)에 도시된다.

식 (3)

조건 v1-v6 은 식 (1)의 조건 vf_x, vf_y, vf_z, vm_x, vm_y, vm_z 과 같다. 마찬가지로, 조건 f1-f6 은 식 (1)의 조건 f_x, f_y, f_z, M_x, M_y, M_z 과 같다. 식 (3)은 다음과 같은 메트릭스 형태로 다시 기록된다.

식 (4)

식 (4)에 있어서, 메트릭스 조건 s11-s66은 캘리브레이션 감도 성분을 나타내고 있다. 6개의 진단 조건은 트랜듀서 캘리브레이션 감도를 나타내고, 30 오프 진단 조건은 크로스토크 조건을 나타내고 있다. 식 (4)는 또한 다음과 같이 나타낼 수 있다.

V=SF 식 (5)

여기서, V는 측정된 출력을 포함하고, F는 인가된 힘과 모멘트를 포함한다. S는 캘리브레이션 메트릭스이다. 캘리브레이션 과정은 캘리브레이션 메트릭스 S의 성분을 결정한다.

캘리브레이션 메트릭스가 결정되면 포스 플랫폼 메모리에 저장된다. 포스 플랫폼은 출력 V을 측정하고, 인가된 힘 및 모멘트를 결정하는데 다음 식에 따른 캘리브레이션 메트릭스 S^-1의 역을 이용함에 의해 미지수 인가된 힘을 측정하는데 사용된다.

F=S^-1 V 식 (6)

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 향상된 캘리브레이션 과정(300)은 다음 단계를 포함한다. 먼저, 3차원(3-D) 그리드(420)는 도 6a에 도시된 바와 같은 컴퓨팅 장치를 경유해서 포스 플랫폼(400)에 인가된다(302). 3-D 그리드는 X축을 따른 n-위치, Y축을 따른 m-위치 및 Z축을 따른 p-힘 크기(F-크기)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, n은 0-20의 범위이고, m은 0-20의 범위이고, p는 0-10의 범위이다. n=20, m=20, 및 p=10인 경우에 있어서, 400 그리드 위치가 포스 플랫폼(400)의 상부 표면에 형성된다. 각각 선택된 그리드 위치(X_i, Y_j)에서, 10개의 다른 하중(F_k)이 3개의 다른 방향 X, Y 및 Z으로부터 인가되어 포스 플랫폼 측정이 행해져서 기록된다. 인가된 하중은 10% 증가에서 O에서 실규모 성능(Full Scale Capacity)(FSC) 범위의 크기를 포함한다. 이러한 측정은 각각의 그리드 위치 및 각각 인가된 하중을 위해 현재 측정된 상술한 6개의 출력 측정 신호 (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)를 발생한다. 6개의 출력 측정 신호에 추가하여, 각각의 그리드 위치와 인가된 하중의 정확한 위치 좌표가 기록된다(308). 이어서, 미지수가 6개인 6개 식의 nXmXp의 어레이가 nXm 그리드 위치 및 p 하중을 위해 조립된다(310). 다음으로, 조립된 식을 해결하여, 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스 S_ijk가 각각의 위치 및 하중을 위해 유도된다. 각각의 위치 및 하중 특정 메트릭스는 9개의 특정 감도(6개의 메인 진단 및 3개의 크로스토크) 조건을 포함한다(312). 그리고, 각각의 그리드 위치 및 하중을 위한 유도된 위치 및 하중 특정 메트릭스를 캘리브레이션 테이블에 입력하고, 캘리브레이션 테이블은 비휘발성 메모리에 저장된다(314). 비휘발성 메모리는 포스 플랫폼에 내장될 수도 있고, 외부 메모리일 수도 있다. 시스템 성능은 50 lbs, 100 lbs 및 200 lbs의 NIST(National Instiitute of Standards and Technology) 추적가능 사하중을 포스 플랫폼의 상부 표면에 인가함에 의해 더욱 변화된다(316). 더구나 이차적 특징이 10 포인트 업다운 캘리브레이션 프로토콜을 이용하는 8개의 그리드 위치에서 측정된다(318). 이차적 특징은 기타 여러가지들 중에서 연속성 및 히스테리시스(hysteresis)를 포함한다.

도 8에 있어서, 캘리브레이션 시스템(450)은 X, Y 및 Z 방향으로 하중 인가 액츄에이터(454) 및 적어도 하나의 트랜듀서(456)를 가지는 데카르트 하중 장치(452)를 포함한다. 데카르트 하중 장치(452)는 포스 플랫폼(400)의 상부 표면(402), 전면 표면(406) 및 우측 표면(404)에 걸쳐서 점대점으로 이동하도록 프로그램된다. 각각의 프로그램된 포인트에서, 선택된 공지 캘리브레이션 하중은 3개의 다른 직교 하중 방향 (Z, X, Y)으로 인가되어 캘리브레이션 데이터가 측정된다. Fz 하중은 모멘트 Mx 또는 My를 야기하는 상부 표면에 작용하는 전단 하중이 없는 사하중 또는 에어 베어링 지지 하중 셀이 인가된다. 측면 하중 Fx 및 Fy은 에어 베어링 지지 없이 동일한 하중 셀을 경유해서 인가된다. 반면 측면 하중이 인가되면, 오프 축 하중이 그 효과를 특징으로 하기 위하여 측정된다. 3개의 하중 조건은 최소 자승법(least squares method)에 의해 해결될 수 있는 3개의 미지수를 가지는 3개의 식 세트를 조립하게 한다. 데카르트 하중 장치(452)는 0.0001인치(0.025mm)의 위치 정확도를 유지할 수 있다. 일 실시에에 있어서, 데카르트 하중 장치(452)는 플랫폼의 상부 표면에 항복점이 300 측정 포인트인 1인치(25.4mm)의 위치 정확도를 유지할 수 있다. 추가 100 위치가 플랫폼의 전면과 우측 표면에서 테스트된다.

3개의 직교 하중 Fx, Fy, Fx과 하중 인가점을 알고 있기 때문에, 각 하중의 모멘트 분포를 정확하게 결정할 수 있다. 그래서, Fz의 모멘트 분포를 위한 Mx 및 My를 정정할 수 있고, z 오프셋 거리를 결정한다. 마찬가지로, 그 포인트에서 작용하는 Fx 및 Fy로부터의 Mz을 충분히 결정할 수 있다.

Fz 내지 Mx 크로스토크는 Fz 하중 시나리오로부터 정확하게 결정될 수 있다. Fx 내지 Mx 및 Fy 내지 My 크로스토크는 두개의 다른 dz's에서의 두개의 측면 하중 측정을 취함에 의해 평가된다.

Fz 하중은 (0,0) 포인트를 플레이트의 중심에 있도록 결정되는 플레이트의 길이 및 폭을 가로질러 뻗은 그리드 패턴에 인가된다. 0 측면 하중이 가능하다면, 사하중이 사용된다. 일 실시예에 있어서, 50 lbs, 100 lbs 및 200 lbs의 3개의 다른 하중이 사용된다. 풀 스케일 캘리브레이션을 제공하기 위해서, 풀 스케일에서 적어도 하나의 추가 하중 포인트가 추가된다. Fx 및 Fy 측면 하중은 각각의 그리드 포인트에서 상부 표면 그리드 라인들과 공통 직선상에 인가된다. 이들 하중은 플랫폼 상부 표면의 에지에서 인가되는 것이 바람직하지만, 상부 표면 약간 아래에 하중을 인가하는 것이 더욱 편리하다. 측면 하중 크기는 상부 표면에 인가된 하중과 동일하다. 측면 하중의 작용 라인은 상부 표면을 가로지르는 다수의 하중 포인트롸 교차한다. 이러한 측면 하중은 각각의 교차점에서 인가되는 것으로 할 수 있다.

이상의 과정은 각각의 그리드 위치(nXm) 및 각각의 하중(p)을 위해 6개의 미지수를 가지는 6개의 식(6 X 6)의 n X m X p의 어레이가 된다. 각각의 식은 3개의 힘 성분 Fx, Fy, Fz과, 6개의 트랜듀서 출력의 벡터로 알려져 있다. 최소 자승 회귀법이 9개 감도(3 크로스토크 및 6 메인 진단) 조건을 해결하는데 사용된다. 또한 절자는 측면 하중용 2개의 어레이, 전면 표면용 n x 2 x 2 및 우측 표면용 m x 2 x 2 어레이가 된다. 측면 하중을 위해, 각각의 식은 힘 대 모멘트 크로스토크 및 dz 조건를 포함하는 2개의 미지수를 가진다. 이들 식은 또한 최소 자승법을 이용하여 해결될 수 있다.

상술한 바와 같이, 각각의 그리드 위치에서의 캘리브레이션 데이터는 정확한 그리드 위치, 인가된 하중의 크기 및 6개 측정된 포스 플랫폼 출력 신호를 포함한다. 도 10에 있어서, 포워드 캘리브레이션 알고리즘(480)은 각각의 포인트와 각각의 인가된 하중을 위한 캘리브레이션 메트릭스의 감도 조건을 유도하는데 사용된다. 유도된 감도 메트릭스 조건은 3차원 테이블(490)에 저장되고, x-y 위치 좌표 (491,492)와 인가된 하중 레벨(Fx, Fy, Fz 및 Mx)(493, 494, 495, 496)로 각각 인덱스된다.

도 11a에 있어서, 필드 측정 시스템(500)은 포스 플랫폼(510)과, 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서 도는 기타 중앙 처리 장치(CPU)를 포함하는 컴퓨팅 장치(520)와, 캘리브레이션 메트릭스를 가지는 테이블(490)을 저장하는 메모리와, 초기 평가 알고리즘(530) 및 정정 캘리브레이션 알고리즘(540)을 포함한다. 더구나 글로벌 캘리브레이션 알고리즘 상수는 필드 시스템에 저장된다.

도 11b에 있어서, 작동 시, 미지의 하중(550)이 포스 플랫폼(510)의 상부 표면에 인가되고, 6개 측정된 플랫폼 출력의 세트가 생성된다(612). 초기 평가 알고리즘(530)은 글로벌 캘리브레이션 상수를 기반으로 인가된 하중 위치 좌표의 제 1 평가를 발생하는데 사용된다(614). 평가된 위치 좌표, 하중 및 모멘트는 테이블(490)내의 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 식별하는데 사용된다(616). 정정 알고리즘(540)은 식별된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션을 측정된 플랫폼 출력에 인가하여, 최적화된 플랫폼 출력(560)으로 인가된 하중의 정확한 측정을 발생하는데 사용된다(618). 이러한 프로세스는 프리세트 에러 레벨이 달성될 때까지 반복적 방법으로 되풀이될 수 있다.

본 발명의 여러가지 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 정신 및 형태를 벗어남이 없이 여러 변형이 이루어질 수 있는 것으로 이해될 것이다. 따라서 다른 실시예들은 다음의 특허청구범위에 포함된다.

Claims

포스 플랫폼(force platform)의 캘리브레이션 방법으로서,
포스 플랫폼을 제공하고 컴퓨팅 장치를 통해 포스 플랫폼의 상부 표면에 nXm 그리드를 인가하는 단계로서, 상기 nXm 그리드는 상기 포스 플랫폼의 X축을 따르는 n포인트이고, Y축을 따르는 m포인트를 포함하는 단계;
상기 X축 및 Y축에 수직하는 Z축을 따라 및 상기 X축 및 Y축을 따라 상부 표면의 각각의 nXm 그리드 포인트에 p 공지 하중을 인가하는 단계;
상기 X, Y 및 Z축을 따라 인가된 각각의 공지 하중에 대해 각각의 그리드 포인트에서 멀티 포인트 측정을 행하는 단계;
6개의 측정 출력 신호와, 정확한 위치 좌표 및 각각의 그리드 포인트에 대한 인가된 공지 하중 크기를 생성하는 단계;
각각의 그리드 포인트와 인가된 공지 하중에 대해 6개 식의 nXmXp 배열을 6개 미지수와 조립하는 단계;
조립된 식을 풀고 각각의 그리드 포인트에 대한 위치 및 하중의 특정 캘리브레이션 매트릭스를 유도하는 단계; 및
캘리브레이셔 테이블내의 모든 그리드 포인트에 대한 유도된 위치 및 하중의 특정 캘리브레이션 매트릭스에 입력하고 비휘발성 메모리에 캘리브레이션 테이블을 저장하는 단계를 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 p 공지 하중은 3-D 데카르트 하중 장치를 통해 인가되는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 인가된 p 공지 하중은 10% 증가에서 O에서 실규모 성능(Full Scale Capacity)(FSC) 범위의 크기를 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 n 및 m 포인트는 1 내지 20 범위내의 값을 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 6개의 측정된 출력 신호는 3개의 힘 성분 Fx, Fy, Fz과 3개의 모멘트 성분 Mx, My, Mz을 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
평가 알고리즘을 제공하고, 상기 비휘발성 메모리내에 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 저장하는 단계를 더 포함하고,
상기 평가 알고리즘은 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 인가된 미지 하중에 대한 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 포스 플랫폼에 인가된 미지 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가를 생성하도록 구성되는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 6 항에 있어서,
미지의 인가 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가는 캘리브레이션 테이블내의 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 결정하는데 사용되는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 7 항에 있어서,
결정된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 미지의 하중을 위해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 정확한 측정을 생성하는 단계를 더 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
NIST 추적가능 사하중을 상부 표면 그리드 포인트에 인가함에 의해 상기 유도된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 확인하는 단계를 더 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
제 1 항에 있어서,
10 포인트 이상 및 이하의 캘리브레이션 프로토콜을 이용하여 8개 그리드 포인트에서 2차 특징을 측정하는 단계를 더 포함하는, 포스 플랫폼의 캘리브레이션 방법.
포스 플랫폼을 캘리브레이션하는 시스템으로서,
포스 플랫폼;
상기 포스 플랫폼의 상부 표면에 nXm 그리드를 인가하도록 구성된 컴퓨팅 장치로서, 상기 nXm 그리드는 상기 포스 플랫폼의 X축을 따르는 n포인트이고, Y축을 따르는 m포인트를 포함하는, 컴퓨팅 장치;
상기 X축 및 Y축과 그리고 상기 X축 및 Y축에 수직하는 Z축을 따라서 상부 표면의 각각의 nXm 그리드 포인트에 p 공지 하중을 인가하는 3-D 데카르트 하중 장치;
상기 X, Y 및 Z축을 따라 인가된 각각의 공지 하중에 대해 각각의 그리드 포인트에서 멀티 포인트 측정을 행하고, 6개의 측정 출력 신호, 정확한 위치 좌표, 및 각각의 그리드 포인트에 대한 인가된 공지 하중 크기를 생성하도록 구성된 센서;
각각의 그리드 포인트와 인가된 공지 하중에 대해 6개 미지수와 6개 식의 nXmXp의 조립된 어레이를 풀고, 각각의 그리드 포인트에 대한 위치 및 하중의 특정 캘리브레이션 매트릭스를 유도하는 알고리즘; 및
모든 그리드 포인트에 대한 유도된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 매트릭스를 포함하는 캘리브레이션 테이블을 저장하도록 구성된 비휘발성 메모리를 포함하는 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 인가된 p 공지 하중은 10% 증가에서 O에서 실규모 성능(Full Scale Capacity)(FSC) 범위의 크기를 포함하는, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 n 및 m 포인트는 1 내지 20 범위내의 값을 포함하는, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 6개의 측정된 출력 신호는 3개의 힘 성분 Fx, Fy, Fz와 3개의 모멘트 성분 Mx, My, Mz을 포함하는, 시스템.
제 11 항에 있어서,
평가 알고리즘과 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 더 포함하고,
상기 평가 알고리즘은 상기 글로벌 플랫폼 캘리브레이션 메트릭스를 인가된 미지 하중을 위해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 포스 플랫폼에 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가를 생성하도록 구성되는, 시스템.
제 15 항에 있어서,
미지의 인가 하중의 크기 및 위치의 제 1 평가는 캘리브레이션 테이블내의 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 결정하는데 사용되는, 시스템.
제 16 항에 있어서,
결정된 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 미지의 하중을 위해 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 인가된 미지의 하중의 크기 및 위치의 정확한 측정을 생성하는 정정 알고리즘을 더 포함하는, 시스템.
캘리브레이티드 포스 플랫폼(calibrated force platform)에 있어서,
위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스를 포함하는 캘리브레이션 테이블을 저장하는 비휘발성 메모리를 포함하는, 캘리브레이티드 포스 플랫폼.
제 18 항에 있어서,
상기 위치 및 하중 특정 캘리브레이션 메트릭스는 상기 포스 플랫폼의 상부 표면의 nXm 그리드 포인트와 상기 상부 표면에 수직하는 축을 따라 인가된 p 공지 하중에 대응하는, 캘리브레이티드 포스 플랫폼.
제 18 항에 있어서,
글로벌 캘리브레이션 메트릭스를 더 포함하는, 캘리브레이티드 포스 플랫폼.
제 20 항에 있어서,
글로벌 캘리브레이션 메트릭스를 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 포스 플랫폼에 대한 미지의 인가 하중 및 위치 좌표의 제 1 평가를 생성하도록 구성된 평가 알고리즘을 더 포함하는, 캘리브레이티드 플랫폼.
제 21 항에 있어서,
미지의 인가된 하중 및 위치 좌표의 제 1 평가는 캘리브레이션 테이블내의 위치 특정 캘리브레이션 메트릭스를 식별하는데 사용되는, 캘리브레이티드 포스 플랫폼.
제 20 항에 있어서,
식별된 위치 특정 캘리브레이션 메트릭스를 측정된 플랫폼 출력에 인가함에 의해 인가된 미지의 하중 크기 및 위치 좌표의 정확한 측정을 생성하도록 구성된 정정 알고리즘을 더 포함하는, 캘리브레이티드 플랫폼.