[发明专利]测力板三维校准的系统和方法

说明书

技术领域

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

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、医学研究、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究。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x轴、y轴、z轴的正交力分量(正交分量)(Fx、Fy、Fz)以及绕这些轴的力矩(Mx、My、Mz)进行测量来完成该任务。

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。

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。

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

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。

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n×m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n×m×p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。

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。

所施加的p个已知负载包括在零到全量程(Full Scale Capacity，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Fx、Fy、Fx以及三个分力矩Mx、My、Mz。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。