用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置的製作方法

2023-06-12 23:33:06 1

專利名稱：：用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置的製作方法
技術領域：
：本發明屬於力的測量領域，是一種測量杆受力情況的裝置，尤其是一種應用於失重環境下人員攀爬訓練的抓杆測力裝置。二、
背景技術：
人在失重環境下，通常需要利用上肢攀爬來實現移動。這種活動方式與普通環境下陸地上的活動方式之間存在著很大的差異，為了方便研究失重環境下人員活動時的生物力學特徵，本發明設計了用於失重環境下人員攀爬訓練的抓杆測力裝置。
發明內容本發明提供一種應用於失重環境下人員攀爬訓練的抓杆測力裝置，該裝置結構簡單，實現了對施加在抓杆上力的大小和方向的高精度測量。本發明採用如下技術方案一種用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置，包括支架，在支架上分別設有第一三維力傳感器和第二三維力傳感器，在第一三維力傳感器的傳力軸和第二三維力傳感器的傳力軸上連接有抓杆。本發明是由2個三維力傳感器來測量施加在抓杆上的外力，其原理為分別測得X，Y，Z三個方向的分力，設兩個三維傳感器分別測得三個方向的分力Fxl，Fyl，Fzl，Fx2，Fy2和Fz2，則每個方向的合力分別為Fx=Fxi+Fx2Py=Pyl+Py2Pz=Pzi+Pz2則抓杆所受合力為F=總+巧+。在數值上，合力值廠=^K2+F2y+F/；方向上，合力在X-Y平面上的投影與Y軸的夾角為α=arctan(Fx/Fy)，而合力與Z軸的夾角為^=Brctan^2+F；/F2)e本發明通過提出一種三維力傳感器的安裝方式，減小了傳感器受力的力臂長度，從而減小了傳感器的耦合誤差，提高了力的測量精度。與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)結構簡單，只需要2個傳感器就完成了力的大小和方向的測量。(2)不需耗費額外的硬體和軟體開銷，就大大減小了耦合誤差，提高了測量精度。四圖1是本發明實施例的結構示意圖。圖2是本發明實施例的載荷方向示意圖。圖3是本發明實施例的對照實施例結構示意圖。圖4是對照實施例的載荷方向與位置示意圖。五具體實施例方式參照圖1，一種用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置，包括支架3，在支架3上分別設有第一三維力傳感器11和第二三維力傳感器12，在第一三維力傳感器11的傳力軸111和第二三維力傳感器12的傳力軸121上連接有抓杆2；所述第一三維力傳感器11的傳力軸111的軸線與所述第二三維力傳感器12的傳力軸121的軸線平行且方向相同。當人員進行攀爬訓練時，抓杆受到力的作用，分別測得2個三維力傳感器X，Y，Z三個方向的分力，設兩個三維傳感器分別測得三個方向的分力Fxl，Fyl，Fzl，Fx2，Fy2和Fz2，則每個方向的合力分別為FX=FXX+FX2Fy=Fyl+FylFz=Fzl+Fz2則抓杆所受合力為p=px+py+Fz。在數值上，合力值F=ylF2+Fy2+F22；方向上，合力在X-Y平面上的投影與Y軸的夾角為α=arctan(Fx/Fy)，而合力與Z軸的夾角為β=ax—」Fx2+Fy2/F2)，從而得到力的大小和方向。本實施例的量程為100N，第一三維力傳感器和第二三維力傳感器的量程均為100N，其信號採集電路選用了10位數模轉換器，則三維力傳感器滿量程時傳感器輸出為1024。抓杆長度為800mm，對本抓杆測力裝置進行標定試驗，載荷方向參照圖2，載荷作用點位於抓杆的中點。首先對抓杆施加X負方向的載荷，標定從空載開始，每次增加20N載荷，載荷增加到100N時開始卸載，每次減少20N直到0N，標定結果如表1。標定結果中，差值=輸出最大值_輸出最小值；耦合誤差=差值/量程X100%。表1載荷為X負方向時的標定結果tableseeoriginaldocumentpage5表2到表6分別是載荷為X正方向，Y負方向，Y正方向，Z負方向和Z正方向時的標定結果。表2載荷為X正方向時的標定結果tableseeoriginaldocumentpage5tableseeoriginaldocumentpage6表3載荷為Y負方向時的標定結果tableseeoriginaldocumentpage6表4載荷為Y正方向時的標定結果tableseeoriginaldocumentpage7表5載荷為Z負方向時的標定結果tableseeoriginaldocumentpage7表6載荷為Z正方向時的標定結果tableseeoriginaldocumentpage8由以上結果可知，兩個三維力傳感器的維間耦合較小，約為3%；對測試結果進行線性擬合，發現由於傳感器的安裝角度問題，各方向之間的耦合與載荷的大小均成線性關係，因此可以建立載荷與耦合誤差的線性關係，對三維力傳感器的輸出進行解耦，解耦後的測量結果精度達到了1%。為方便與本發明實施例相比較，將兩個三維力傳感器、抓杆和支架用另外一種方式安裝組成的抓杆測力裝置作為對照實施例，參照圖3，第一三維力傳感器11的傳力軸111與第二三維力傳感器12的傳力軸相對安裝在支架3上，且上述2個傳力軸的軸線與抓杆2的軸線在同一條直線上，抓杆2兩端均與傳感器11和傳感器12固定。對照實施例的量程為100N，第一三維力傳感器和第二三維力傳感器的量程均為100N，其信號採集電路選用了10位數模轉換器，則三維力傳感器滿量程時傳感器輸出為1024。抓杆長度為800mm，對對照實施例進行以下標定試驗，載荷方向與位置參照圖4，載荷作用點位於抓杆的中點C。標定從空載開始，每次增加20N載荷，載荷增加到100N時開始卸載，每次減少20N直到ON。標定結果中，差值=輸出最大值_輸出最小值；耦合誤差=差值/量程X100%。表7到表9分別是對照實施例載荷為X負方向，Y負方向和Z負方向時的標定結果。表7載荷為X負方向且作用於C處時傳感器的輸出tableseeoriginaldocumentpage9表8載荷為Y負方向且作用於C處時傳感器的輸出tableseeoriginaldocumentpage9表9載荷為Z負方向且作用於C處時傳感器的輸出tableseeoriginaldocumentpage10由以上試驗數據可知，對照實施例中，當三維力傳感器的Y或X方向受力時，Z向輸出有很大的耦合誤差，約為10%；單獨對Z向加載荷時，Z對X和Y方向的耦合較小，誤差約為3%;X和Y兩方向之間的耦合也較小，約為2%。在另一項試驗中，參照圖4，改變對照實施例上載荷的作用位置到A或B點，載荷方向為Y的負方向，進行標定試驗，標定結果如表10，表11。表10載荷為Y方向且作用在A處時傳感器的輸出tableseeoriginaldocumentpage11表11載荷為Y方向且作用在B處時傳感器的輸出tableseeoriginaldocumentpage11由試驗結果表7、8、9、10和11比較可知，當砝碼懸掛在中間位置C處時，耦合誤差最大，約為10%;當砝碼懸掛在靠近傳感器的位置時，耦合誤差最小，約為4%。因此對照實施例的傳感器輸出耦合誤差與載荷作用的位置有關即傳感器輸出會受到彎矩的影響而使誤差增大，而且由於載荷與輸出的耦合關係是不確定的，解耦計算工作量大，不易實現。通過對比，本發明所述結構相對於其他結構來說，耦合誤差很小，易於解耦，具有測量精度高，結構簡單和易於實現的特點。權利要求一種用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置，其特徵在於，包括支架(3)，在支架(3)上分別設有第一三維力傳感器(11)和第二三維力傳感器(12)，在第一三維力傳感器(11)的傳力軸(111)和第二三維力傳感器(12)的傳力軸(121)上連接有抓杆(2)。2.根據權利要求1所述的用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置，其特徵在於所述第一三維力傳感器(11)的傳力軸(111)的軸線與所述第二三維力傳感器(12)的傳力軸(121)的軸線平行且方向相同。全文摘要本發明公開了一種用於失重環境下攀爬訓練的抓杆測力裝置，屬於力的測量領域，是一種測量杆受力情況的裝置，尤其是一種應用於失重環境下人員攀爬訓練的抓杆測力裝置。本發明包括支架，在支架上分別設有第一三維力傳感器和第二三維力傳感器，在第一三維力傳感器的傳力軸和第二三維力傳感器的傳力軸上連接有抓杆。第一三維力傳感器的傳力軸的軸線與所述第二三維力傳感器的傳力軸的軸線平行且方向相同。本發明實現了對施加在抓杆上的外力的測量，具有結構簡單，測量精度高的優點。文檔編號A63B69/00GK101832834SQ20101013381公開日2010年9月15日申請日期2010年3月26日優先權日2010年3月26日發明者劉玉慶,吳涓,宋愛國,康妮,徐寶國,徐玉彬,許俊超,馬俊青申請人:東南大學