传感器标定实验 - 可穿戴型下肢助力机器人感知系统研究

　　4 传感器标定实验

　　E型膜片元件结构的复杂性使得产品特性的一致性比一维传感器更难保证，应变计的贴片工艺很难保证绝对理想情况，这些因素决定传感器的实际静态特性和理论计算值之间存在一定的误差，因此传感器的静态特性一般采用标定实验的方法获取，其标定准确度将直接影响传感器使用时的测量准确度。所谓传感器的标定，就是建立传感器的三路输出值与作用在传感器坐标系原点上的三维力之间的数量关系。标定实验过程包括静态标定和实时测量验证两部分。为了减少随机误差的影响，采用一种具有一定冗余力向量的最小二乘标定方法。设F是加载力矩阵，V为传感器的输出矩阵（数字量），C为标定矩阵，E为误差矩阵，则

　　F=CV+E （6）

　　式中：F，V为已知量;E可以设定。于是，标定矩阵的求解可以转化为求解标定矩阵C，使式（6）在最小二乘法意义下最优。在微型指力传感器标定过程中，对施加在传感器上X，Y方向的载荷和敏感桥路之间的关系进行测量，其测量值（数字量）与所加砝码数值的对应关系如图8所示（XLable表示传感器标定所加载荷，Ylable表示传感器输出数字量）。

　　

　　从图8可以看出，传感器X方向加力时，所受载荷和传感器敏感桥路输出之间的映射关系可以基本认为是线性的，Y方向的最大耦合不超过2.5%。利用最小二乘法得到传感器的两组静态标定矩阵为由此可以计算出传感器的I类误差为2%，II类误差为2.5%。利刚C1，C2两组标定矩阵对传感器进行实时测量检验，结果显示I类最大误差不超过2%，II类误差不超过2.5%。通过该标定系统得到的静态标定矩阵和理论设计值比较接近，说明标定系统和标定方案是切实可行的。

　　5 结 论

　　本文针对一种新型的人体辅助型康复机器人，设计了一套基于CAN总线的下肢运动信息感知系统，见图9。经分析可穿戴型助力机器人所需要的控制信息可确定传感器的种类、数量和安装位置;重点介绍腿部和脚底力传感器的弹性体设计，测量电路和上下位机软件;对传感器进行标定实验并对数据进行分析，给出传感器的一般性能指标，结果说明本研究中的设计理论和设计过程是正确的，基本可以满足可穿戴型下肢助力机器人控制系统的需要。未来的工作主要集中在以下几点：①继续完善传感器的弹性体结构，在满足传感器性能指标的基础上进一步减小传感器弹性体体积和精确确定应变计的贴片位置;②完善传感器的测量电路设计，增加滤波电路，改进放大电路;③改进传感器的标定系统，把标定误差降至最低。