一种用于力传感器的标定方法与流程

本发明涉及足式机器人中应变力式力传感器技术领域，尤其涉及一种适用于足式机器人中应变力式力传感器的用于力传感器的标定方法。

背景技术

足式机器人是模仿人或动物等设计制造的一类机器人，腿部采用串联多关节结构。根据模仿对象与需求任务的不同，足式机器人又可以分成几大类：模仿哺乳动物单腿进行弹跳功能研究的单足机器人；模仿人类进行稳定行走、小跑、交互等功能研究的双足步行机器人；模仿狗、猫、马、猎豹等四足哺乳动物进行稳定性、柔顺性、负载能力、环境适应性研究的四足机器人；模仿蜘蛛、蜈蚣等爬行类昆虫用于危险狭小空间探索、救援等任务研发的多足机器人。

为实现足式机器人的状态控制，通常是通过在机器人各关节布置力传感器，由各力传感器实时采集机器人关节的速度、位置状态等数据，再基于各力传感器对机器人的实时状态进行估计以及控制调整。足式机器人中使用的力传感器通常为应变式力传感器，力传感器是一种将力信号转变为电信号输出的电子元件，其主要由三个部分组成：力敏元件(即弹性体，常见的材料有铝合金、合金钢和不锈钢)、转换元件(最为常见的是电阻应变片)、电路部分(一般有漆包线、pcb板等)，应变式力传感器则是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器。

力传感器在使用前需要进行标定，以建立传感器输入量与输出量之间的关系。针对力传感器的标定，目前主要是采用以下两种方式：

1、使用专业的标定设备进行标定。专业的标定设备精度较高，但是价格昂贵，实现标定的成本较高，难以广泛应用；

2、通过悬挂砝码等已知质量重物的方法进行简易标定，该类方式实现简单，标定成本低，但是标定的精度低，如使用砝码的标定方式在重物质量测量、重力加速度选取、悬挂稳定性等方面均存在很多误差，且当力传感器量程较大时(1000n以上)，对应量程的重物选取且操作困难。

为解决上述问题，有从业者提出采用比较法进行标定，即对标准力传感器和待标定力传感器同时施加同样的力，然后比较其输出曲线，从而完成对待标力传感器的标定，其中的标准力传感器是已经通过专业标定设备标定过的特性已知的标准器件，采用直流力矩电机作为施压器件，每次测量时分别给标准器件、待标传感器施加一定大小的力后，记录每次测量时给定的力以及标准器件、待标传感器的输出值，最后由多次的测量值得到待标传感器输入与输出之间的对应关系。但是该类方式存在两个主要问题：一是普通电机推力较小，但足式机器人各关节的力传感器需承受的作用力范围较大，故而该类方式无法满足足式机器人力传感器全量程标定过程中大范围施力的需要；二是缺少连接标准器件与待标器件的传动装置，使得单个电机施加的驱动力无法同时作用于标准与待标器件，而必须在电机与传感器之间增加额外的分力装置或者增加额外的电机，一定程度上会增加标定复杂度，增加实现成本，同时降低标定效率与精度。另外为保证机器人动作控制的准确性及灵活性，需要各力传感器在受力全量程连续变化时各点均具有较高的精度，采用上述电机驱动的标定方式的力传感器也无法确保量程范围内各点的标定精度，从而会影响机器人的控制精度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现操作简单、所需成本低、应用灵活且标定效率及精度高的用于力传感器的标定方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于力传感器的标定方法，步骤包括：

s1.搭建标定系统：分别将标准力传感器、用于足式机器人中的待标定应变式力传感器设置在液压作动器的两侧，并配置使得所述标准力传感器、待标定力传感器所受到的所述液压作动器施加的力的大小相同；

s2.按照指定施力变化趋势控制所述液压作动器进行连续作动，以使得所述标准力传感器、待标定力传感器分别受到连续变化的施力；

s3.获取所述步骤s2中各施力状态时标准力传感器的输出值，并根据标准力传感器对应的标定关系，计算各施力状态时待标定力传感器的受力大小；

s4.获取所述步骤s2中各施力状态时待标定力传感器的输出值，并根据所述步骤s3获取的各施力状态时待标定力传感器的受力大小，构建待标定力传感器受力的输入与数字量输出的对应关系。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s1中具体在操作平台的一侧安装标准力传感器，另一侧安装由位移传感器、液压缸构成的一体化液压作动器，所述待标定力传感器安装在所述一体化液压作动器上。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s1还包括通过固定块将所述标准力传感器进行固定，以使得所述液压作动器施力时标准力传感器、待标定力传感器受力在同一方向。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s1中还包括将所述液压作动器与外部液压泵站相连，以使液压油在所述液压泵站与液压作动器之间形成流通回路。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s2具体先按照预设初始施力大小控制所述液压作动器作动，再控制调整所述液压作动器的作动以调整施力大小，直至达到所述标准力传感器的最大量程，所述液压作动器输出从预设初始施力大小至最大量程范围内的连续施力。

作为本发明的进一步改进：所述控制调整所述液压作动器的作动具体按照线性关系控制逐渐增加所述液压作动器的施力大小。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s1中还包括将所述液压作动器与控制端连接；所述步骤s2控制所述液压作动器进行作动时，通过所述控制端接收所需的施力变化趋势控制数据，根据接收到的数据发出控制指令给所述液压作动器，以控制按照所需的施力变化趋势控制液压作动器进行作动。

作为本发明的进一步改进：所述步骤s4中构建待标定力传感器受力的输入与数字量输出的对应关系后，还包括根据构建得到的对应关系调节所述液压作动器的作动，返回执行步骤s3，直至构建得到所需的对应关系。

作为本发明的进一步改进：当需要执行多个力传感器的标定时，所述步骤s4执行完当前力传感器的标定后，将当前力传感器替换为下一个待标定力传感器，并恢复所述液压作动器为初始状态，返回执行步骤s2，直至完成所有力传感器的标定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明用于力传感器的标定方法，通过以标准力传感器为基础对待标力传感器的输入与输出关系进行标定，同时以液压作动器作为标定过程中的施力源，通过标准力传感器测得施力的大小值，获取待标力传感器的数字量变化后，进而确定其数字量与受力值的关系，可操纵性强、操作简单及所需成本低，结合标准传感器以及液压驱动的方式可以实现高精度的标定。

2)本发明用于力传感器的标定方法，通过由液压作动器可对传感器施加一定范围内任意可调的力，通过在标定过程中控制液压驱动器对传感器施加连续变化的力，可以构建传感器量程范围内连续各点的输入与输出之间对应关系，可满足足式机器人控制时连续受力对力传感器的精度需求，保证足式机器人的控制精度。

3)本发明用于力传感器的标定方法，通过使用液压作动器作为施力源，液压力足够大，可以满足力传感器标定的量程需要，且可通过外部控制端控制液压作动器的施力，可以获得待标力传感器的准确受力，同时施力可以在一定范围内任意可调，从而可提供灵活可调的施力给传感器，在满足精度需求的前提下降低了标定成本和操作难度

4)本发明用于力传感器的标定方法，结合标准传感器以及液压驱动的方式实现标定，可适用于大批量传感器进行标定，且标定的成本低，同时又能够保证较高的标定精度。

附图说明

图1是本实施例用于力传感器的标定方法的实现流程示意图。

图2是本实施例实现标定所搭建的标定系统的原理示意图。

图3是本发明具体实施例中实现力传感器标定的实现流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例用于力传感器的标定方法，步骤包括：

s1.搭建标定系统：分别将标准力传感器、用于足式机器人中的待标定应变式力传感器设置在液压作动器的两侧，并配置使得标准力传感器、待标定力传感器所受到的液压作动器施加的力的大小相同；

s2.按照指定施力变化趋势控制液压作动器进行连续作动，以使得标准力传感器、待标定力传感器分别受到连续变化的施力；

s3.获取步骤s2中各施力状态时标准力传感器的输出值，并根据标准力传感器对应的标定关系，计算各施力状态时待标定力传感器的受力大小；

s4.获取步骤s2中各施力状态时待标定力传感器的输出值，并根据步骤s3获取的各施力状态时待标定力传感器的受力大小，构建待标定力传感器受力的输入与数字量输出的对应关系，完成标定。

本实施例上述力传感器为应变式力传感器，在各力传感器应用于足式机器人中前，先通过上述标定方法分别对各力传感器进行标定；在机器人状态过程中，实时获取各力传感器的输出数据，根据经过上述标定得到的各力传感器输入与数字量输出的对应关系即可确定机器人各关节部位受力，实现机器人状态控制。

本实施例通过在液压作动器上安装标准力传感器，由该安装了标准力传感器的液压作动器对标准传感器和待标传感器同时施加外力，使用液压作动器作为施力源，液压力足够大，可以满足力传感器标定的量程需要，且可通过外部控制端控制液压作动器的施力，可以获得待标力传感器的准确受力，同时施力可以在一定范围内任意可调，从而可提供灵活可调的施力给传感器，在满足精度需求的前提下降低了标定成本和操作难度。

本实施例通过以标准力传感器为基础对待标力传感器的输入与输出关系进行标定，同时以液压驱动器(液压作动器)作为标定过程中的施力源，通过标准力传感器测得施力的大小值，获取待标力传感器的数字量变化后，进而确定其数字量与受力值的关系，可操纵性强、操作简单及所需成本低，结合标准传感器以及液压驱动的方式可以实现高精度的标定，且由液压作动器可对传感器施加一定范围内任意可调的力，通过在标定过程中控制液压驱动器对传感器施加连续变化的力，可以构建传感器量程范围内连续各点的输入与输出之间对应关系，可满足足式机器人控制时连续受力对力传感器的精度需求，保证足式机器人的控制精度。

如图2所示，本实施例步骤s1中具体在操作平台的一侧安装标准力传感器，另一侧安装由位移传感器、液压缸构成的一体化液压作动器，待标定力传感器安装在一体化液压作动器上。

本实施例中，步骤s1还包括通过固定块将标准力传感器进行固定，以使得液压作动器施力时标准力传感器、待标定力传感器受力在同一方向，进一步确保标定的准确性。

本实施例中，步骤s1中还包括将液压作动器与外部液压泵站相连，以使液压油在液压泵站与液压作动器之间形成流通回路，通过控制液压油的流动控制作动器的施力大小。

本实施例中，步骤s2具体先按照预设初始施力大小控制液压作动器作动，再控制调整液压作动器的作动以调整施力大小，直至达到标准力传感器的最大量程，液压作动器输出从预设初始施力大小至最大量程范围内的连续施力。标定过程中，按照力传感器的量程设定液压作动器的施力起始大小以及最大值，对标准力传感器和需要标定的力传感器同时施加满足全量程的可变外力，以合理控制作动器作动力液压施力的大小，标定可以覆盖力传感器的全量程。

本实施例中，控制调整液压作动器的作动具体按照线性关系控制逐渐增加液压作动器的施力大小，即从初始施力大小开始，在量程范围内液压作动器的施力按线性关系逐渐增加，使得液压作动器输出线性变化的施力，结合上述标定方法，即可实现量程范围内连续输入与数字量输出之间的对应关系，确保量程范围内各点的标定精度。

本实施例中，步骤s1中还包括将液压作动器与控制端连接，控制端具体可采用计算机等，可以方便的实现施力大小的控制调节；步骤s2控制液压作动器进行作动时，通过控制端接收所需的施力变化趋势控制数据，根据接收到的数据发出控制指令给液压作动器，以控制按照所需的施力变化趋势控制液压作动器进行作动，用于可以根据实际需求设置不同的施力控制指令，以满足各种不同标定的应用场景。

如图3所示，本发明具体实施例中对力传感器进行标定的详细流程为：在操作台的左侧部安装标准力传感器，该标准力传感器预先已进行标定，具有较高准确度，操作台的右侧安装一体化液压作动器，该作动器由力传感器、位移传感器和液压缸组成，其中标准力传感器通过固定块进行固定，以保证液压缸在施力时标准力传感器和待测力传感器受力在同一方向，如图2所示，将一体化液压作动器与外界液压泵站相连，使液压油在泵站与液压作动器之间形成流通回路；进行标定时，通过计算机控制液压缸进行作动，在作动器施力范围与传感器受力范围内，利用液压对传感器施加连续变化的力，在计算机中读出标准力传感器和待测力传感器受力的数字量；根据标准力传感器的标定关系以及输出的数字量，计算出标准力传感器的受力，该受力与待测力传感器受力相同；根据计算得到的受力的大小与待测力传感器输出的数字量，计算出待测力传感器受力输入与数字量输出的对应关系，完成标定。

本实施例中，步骤s4中构建待标定力传感器受力的输入与数字量输出的对应关系后，还包括根据构建得到的对应关系调节液压作动器的作动，返回执行步骤s3，直至构建得到所需的对应关系。在执行完上述步骤s1～s4构建得到待标定传感器输入与数字量输出的对应关系后，所得到的标定结果若不满足需求，如对于某段数据要求较高需要进一步提高精度等，可以重新调节液压作动器的作动，调节液压作动器的施力至所需大小，重新执行上述标定过程，实现灵活可调的标定，确保标定的精度。

本实施例中，当需要执行多个力传感器的标定时，步骤s4执行完当前力传感器的标定后，将当前力传感器替换为下一个待标定力传感器，并恢复液压作动器为初始状态，返回执行步骤s2，直至完成所有力传感器的标定。结合液压驱动的标定方式，可以方便的实现大批量力传感器的标定，每次仅需要恢复液压作动器的状态即可执行下一个力传感器的标定，实现大批量传感器标定的成本低，同时又能够保证较高的标定精度。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。