测力板三维校准的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于测力板三维校准的系统和方法，特别地涉及对提供改进的测 量准确度和减少串扰误差的测力板进行的三维校准。
【背景技术】
[0002] 测力台是一种测量地面反作用力的测量设备。典型地，测力台被安装在井坑里，以 便其上表面与地面齐平。然后，指示受试者步行穿过或站在测力台上，记录所产生的地面反 作用力。测力台通常用于生物力学、医学研宄、矫形外科、康复评价、假体应用与工程等领域 的调查和临床研宄。在一个实施例中，测力台用于测量人站在测力台上时站姿的摇动幅度。 测力台通过对沿1轴、 7轴、2轴的正交力分量（正交分量）$1、？742)以及绕这些轴的力 矩（Mx、My、Mz)进行测量来完成该任务。
[0003]测力台系统通常包括测力板、多轴弹簧元件（其上安装有一系列用于感知沿多个 轴施加的负载的应变计）、连接至测力板或嵌入测力板或测力台的放大器或信号调整器、以 及用于数据采集的计算机。来自应变计的电子信号传送至放大器，所述放大器将信号放大 至足以在计算机内处理的电压。根据所选择的介质，数据采集可以是数字的也可以是模拟 的。在其他实施例中，压电传感器、霍尔效应传感器、光学传感器、电容器或机械传感器用于 测量沿测力台多个轴施加的负载。
[0004]测力板和信号调整器均需要校准，以准确地将原始数据转换为可用的数据。此外， 应变信号的感应和传输需要高度的灵敏度和准确度。如上所述，测力台被设计成产生对应 于六个可能的负载的多个通道的输出，即沿X轴、y轴和z轴的三个正交分力（Fx,Fy,Fz) 和绕这些轴的三个力矩（Mx，My，Mz)。但是，测力台制备和设计中的微小缺陷引起微小的偏 轴灵敏度。在一个实施例中，偏轴灵敏度导致Fx通道中的输出信号对沿z方向施加的力负 载Fz稍微灵敏。这个偏轴灵敏度导致错误信号被感应和传输，而错误信号通常称为串扰误 差。串扰误差常常导致测量不准确。
[0005] 因此，有必要提供一种改进的用于对修正串扰误差的测力板进行校准的系统和方 法。
【发明内容】
[0006]本发明解决测力板的校准问题并提供一种用于校准测力板、具有提高的准确度的 系统和方法。
[0007] 一般地，在一个方面，本发明突出一种用于包括如下步骤的测力台校准方法。提供 测力台，通过计算设备在测力台的上表面铺一张nXm栅格。所述nXm栅格包括沿测力台X 轴的n个点，以及沿Y轴的m个点。接着，沿着垂直于X轴和Y轴的Z轴以及沿着X轴和Y 轴将已知的P个负载施加到上表面的nXm栅格点上。接着，沿X、Y和Z轴在每个栅格点处 对每个施加已知的负载进行多点测量，然后生成针对每个栅格点的六个测量输出信号、准 确位置的坐标以及施加的已知负载量值。接着，组成一个含有针对每个栅格点的六个未知 数和施加的已知负载的六个方程的nXmXp数组；接着，对组成的方程求解，得到每个栅格 点的位置和负载的特征校准矩阵。最后，将推导出的所有栅格点的位置和负载特征校准矩 阵输入校准表格中，然后将校准表格存储在非易失性内存中。
[0008] 本发明这个方面的实施可以包括一个或多个以下特征。p个已知的负载通过3-D 笛卡尔负载设备进行施加。
[0009] 所施加的p个已知负载包括在零到全量程（FullScaleCapacity，FSC)的范围 内，增量为10%量值。n个点和m个点包括在1~20的范围内的数值。六个被测量的输出 信号包括三个分力？1、？7、？1以及三个分力矩他、1^、1^。所述方法进一步包括提供估值算 法并将全局测力台校准矩阵存储在非易失性内存里。估值算法设置用于通过将全局测力台 校准矩阵应用于未知的施加负载被测量的测力台输出值来生成在测力点上的未知施加负 载的量值和位置的第一估值。未知施加负载的量值和位置的第一估值用于确定校准表格内 位置和负载特征校准矩阵。所述方法进一步包括通过将确定的位置和负载特征校准矩阵应 用于未知负载的测力台输出测量值来生成所施加的未知负载的准确量值和位置。所述方法 进一步包括通过将NIST可追踪的固定荷重施加到上表面的栅格点来验证所导出的位置和 负载特征校准矩阵。所述方法进一步包括使用上十点和下十点的校准方案在八个栅格点处 测量二级特性。
[0010] 一般地，在另一方面，本发明突出一种用于校准测力台的系统，包括测力台、计算 设备、3-D笛卡尔负载设备、传感器、算法和非易失性存储器。计算设备配置用于在测力台的 上表面铺一张nXm栅格。该nXm栅格具有沿测力台X轴的n个点，以及沿Y轴的m个点。 3-D笛卡尔负载设备配置用于沿着垂直于X轴和Y轴的Z轴以及沿着X轴和Y轴将p个已 知的负载施加到上表面的nXm栅格点的每一点上。传感器配置用于沿X、Y和Z轴在每个 栅格点处对每个已施加的已知负载进行多点测量，然后生成针对每个栅格点的六个测量输 出信号、准确位置的坐标以及施加的已知负载量值。该算法用于求解含有针对每个栅格点 的六个未知数和施加的已知负载的六个方程的nXmXp数组，并用于推导出每个栅格点的 位置和负载特征校准矩阵。非易失性内存配置用于存储包括推导得到的所有栅格点的位置 和负载特征校准矩阵的校准表格。
[0011] 本发明这方面的实施可以包括一个或多个以下特征。所施加的P个已知负载包括 在零到全量程（FullScaleCapacity，FSC)范围内、增量为10%的量值。n个点和m个点 包括在1~20的范围内数值。六个被测量的输出信号包括三个分力Fx、Fy、Fx以及三个分 力矩Mx、My、Mz。所述系统进一步包括估值算法和全局测力台校准矩阵。估值算法设置用 于通过将全局测力台校准矩阵应用于未知的施加负载被测量的测力台输出值来生成在测 力台未知施加负载的量值和位置的第一估值。未知施加负载的量值和位置的第一估值用于 确定校准表格内的位置和负载特征校准矩阵。所述系统进一步包括通过将确定的位置和负 载特征校准矩阵应用于未知负载的测力台输出测量值来生成准确的所施加的未知负载的 量值和位置的测量值的修正算法。
[0012] 一般地，在另一方面，本发明突出一种校准的测力台，包括对包括位置和负载特征 校准矩阵进行存储的非易失性存储器。
[0013] 本发明这个方面的实施可以包括一个或多个以下特征。位置和负载特征校准矩阵 对应于测力台上表面的nXm个栅格点以及沿垂直于上表面的轴施加的p个已知负载。经 校准的测力台进一步包括全局校准矩阵。被校准的测力台进一步包括估值算法，所述估值 算法配置用于通过将全局校准矩阵应用于测力台输出测量值来生成测力台上未知的施加 负载和位置坐标的第一估值。未知施加负载和位置坐标的第一估值用于确定校准表格内的 位置特征校准矩阵。被校准的测力台进一步包括一个修正算法，所述修正算法设置用于通 过将确定的位置校准矩阵应用于测力台输出测量值来生成施加的未知负载量值和位置坐 标的准确测量值。
[0014] 本发明其中的优点包括以下的一个或多个。本发明的校准工序提高了测力台测量 的准确度，如图12A-图12F所示。典型的串扰误差的量级是施加负载的±0. 01%，典型的 负载误差小于0.001或者是施加负载的±0. 1%。压力中心（CenterofPressure，C0P)的 平均误差通常小于0. 2mm。
[0015] 本发明一个或多个实施例的详情在下面的附图和说明中阐明。从下面优选实施 例、附图和权利要求可知，本发明的其他特征、目的和优点将是很显然的。
【附图说明】
[0016] 参照附图，其中贯穿数个视图的相同数字表示相同的部件。
[0017] 图1示出测力台系统的概略图；
[0018] 图2描述传感器以及采用该传感器测量的三个分力和三个分力矩；
[0019] 图3A和图3B描述图1的系统的三硬件架构；
[0020] 图4描述现有校准程序中使用的测力台的物理坐标系统和电力学坐标系统；
[0021] 图5描述常见的现有技术Fy的串扰误差分布；
[0022] 图6A描述校准工序中使用的3-D栅格；
[0023] 图6B描述根据本发明的测力台3-D校准工序的流程图；
[0024]图7描述铺在测力台上用于实施本发明3-D校准程序的3-D栅格；
[0025] 图8描述用在本发明3-D校准程序的3-D笛卡尔负载设备；
[0026] 图9描述本发明3-D校准程序期间施加在测力台上表面、前侧表面和右侧表面的 3-D负载；
[0027] 图10描述本发明的测力台3-D校准系统；
[0028] 图11A描述本