一種應變式三維測力平臺的製作方法
2023-05-25 19:38:06 1
專利名稱：一種應變式三維測力平臺的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種檢測人行走時地面三維反力的檢測裝置，屬於步態檢測設備技術領域。
背景技術：
由於人類對生命現象的認識還比較膚淺，尤其是對腦的研究尚處在初級階段，目前還不能通過理論模型推導出人體的運動模式，只能通過大量的統計實驗歸納總結出人體運動的規律。而步態分析系統是現代人體運動分析技術最基本的設備手段，其中三維測力平臺是檢測人行走過程中人與地面之間作用力的裝置，是步態分析系統的重要組成部分。
檢測人行走過程中人與地面之間作用力的裝置主要有兩類，一類是檢測足底壓力分布的裝置，另一類是檢測作用力合力的測力臺。
早在1882年英國人Beely就開始進行足底壓力分布測量技術的研究，但直到20世紀50年代才被廣泛應用於臨床。近幾年，足底壓力分布測量技術發展很快，美國、加拿大、西德、英國、印度、日本等國都先後推出了這類測量系統。足底壓力分布測量系統按力測試方式主要分腳印式、光學式和高密度陣列傳感器式三種。腳印式腳印法的原理是用具有彈性的橡膠或泡沫製成墊子，其上表面平滑，下表面製成脊狀突起，並均勻塗上墨。當墊子上表面受力時，橡膠發生形變，在支撐面上留下墨線，墨痕跡線的寬度正比於受力大小。光學式光學方法檢測足底壓力分布的原理是在某種特定條件下圖像亮度與所受壓力呈線性關係，通過圖像可以計算出所受壓力大小，圖像的每個像素點就相當於一個力傳感器，這種方法成本低廉，位置解析度高，缺點是裝置總體高度較高，使應用受到限制。高密度陣列傳感器式目前國外應用最為廣泛的是這種形式的裝置，它由薄且密的力傳感器陣列構成，外形多樣，有力板式，也有直接做成鞋墊放在鞋裡的，這種測試裝置的不足之處是只能檢測豎直方向上的正壓力，而且傳感器比較容易損壞。
檢測人行走過程中人與地面之間作用力合力的測力臺按照傳感器類型可分為石英壓電晶體式、位置敏感器件式和電阻應變片式三種。
1)石英壓電晶體式石英壓電晶體式測力臺以瑞典Kistler公司的產品為主，其結構形式是在一個平板四個角的下面安裝四個三維力傳感器，每個力傳感器是由三組環狀的石英壓電晶體疊加在一起形成圓柱形，每一組壓電圓環檢測一個方向的力。這種測力臺的不足是只能測5Hz以上的信號，而且價格昂貴。
2)位置敏感器件式位置敏感器件式測力臺由動子、定子、彈性連接體、光靶、位置檢測器件及處理電路組成。動子通過彈性體與定子相聯，光靶固定在動子上，位置敏感器件固定在定子上。在人行走時，人腳踏在動子上，人與地面之間作用力使動子相對定子產生移動，定子上的位置敏感器件可以檢測人在行走過程中動子上光靶的位移曲線。由於動子上光靶的位移與人行走時踏在定子上的力的大小和方向有確定的映射關係，因此根據人在行走過程中動子上光靶的位移曲線可以計算出足底壓力的大小和方向。
3)電阻應變片式電阻應變片式測力臺的生產廠家相對較多，最常見的結構形式與瑞典Kistler石英壓電晶體式測力臺一樣，採用在一個平板四個角的下面安裝四個三維力傳感器，主要區別是用應變式力傳感器取代了石英壓電晶體式力傳感器。三維力傳感器的形式多種多樣，常用的有圓環式、雙環式、圓柱式以及輪輻式。這種測力臺以美國AMTI公司生產的LG6-4系列為代表，其彈性體採用筒式結構。除了上述所描述的採用四個三維力傳感器的應變式測力臺之外，還有利用一個六維力傳感器構成的應變式測力臺，以及利用幾個一維和二維力傳感器組合而成的應變式測力臺。
中國專利00221860.7公開的測力平臺，就是利用一個十字梁結構六維力傳感器構成的測力臺，在十字梁的每個面上貼有應變片，通過將應變橋路的輸出解耦得到相應的六維力和力矩輸出。中國專利01262480.2公開的一種五維力測力平臺採用的就是一種組合式結構，測力臺由三個一維力傳感器和一個二維力傳感器組成，三個一維力傳感器處於底層，用於檢測豎直方向的力，二維力傳感器位於三個單維力傳感器的上方，用於檢測前後和左右方向的力。
電阻應變片式測力臺因製造工藝比較成熟，製造成本相對較低，因此應用較為廣泛。可是電阻應變片式測力臺因彈性體、應變片及粘貼劑材料與工藝等因素的影響，以及裝配預應力的變化，每隔一段時間就可能出現零點漂移等問題，在使用一段時間必須進行重新標定。
上述最常見的四個三維力傳感器結構形式的電阻應變片式測力臺，儘管有四個三維力傳感器，輸出應該有四個X方向(前後方向)、四個Y方向(左右方向)和四個Z方向(豎直方向)的力輸出，共12路力信號輸出。但是普遍採用將2個力傳感器的X和Y方向的力在構成橋路時就合在一起，即實際上只有2個X方向、2個Y方向和四個Z方向的力輸出，共8路力信號輸出。採用這種方式的優點是一個測力臺只需有8路放大器和AD採集通道，而不是12路。其不足是對兩個X和Y方向在構成橋路時就合在一起的力傳感器的一致性要求非常高，即由兩個傳感器構成一個橋路，則這兩個傳感器的負載和輸出曲線要非常一致，否則會帶來很大的誤差。這一點很難保證，即使在加工、安裝和調試過程中，可以保證這兩個傳感器有很好的一致性，但是在使用一段時間後出現一些零點漂移時，也很難保證不同傳感器間的變化是一致的。此外，目前的三維測力平臺是安裝在專用的步道上，安裝比較繁瑣。
實用新型內容本實用新型的目的是要解決現有四個三維電阻應變片式測力臺存在的兩個不足1)有四個電橋是由四個相鄰兩對力傳感器上應變片組成，因此對力傳感器的一致性要求高，導致成本高；2)三維測力平臺需要安裝在專用步道上，安裝繁瑣。本實用新型將每個力傳感器的應變片單獨組成電橋，三維測力平臺外形加工成通用機房地板形狀，這樣可以降低對力傳感器性能一致性和安裝要求，大大降低成本。
本實用新型提出了一種應變式三維測力平臺，其特徵在於所述三維測力平臺包括腳踏板、位於所述腳踏板正下方的箱體，以及設置在所述箱體中的四個相同的三維應變式力傳感器、調理電路和USB接口數據轉換與採集電路；所述的三維應變式力傳感器包括由一整塊金屬加工而成的彈性體結構和多個應變片，所述包括分層疊加在一起的兩個正交的用於檢測前後和左右方向力的懸臂梁和一個用於檢測豎直方向力的剪切梁，所述懸臂梁和剪切梁上均分別貼有四個應變片，每個梁上的四個應變片組成一個全橋電路，從而每個力傳感器設有三個全橋電路，各力傳感器上的全橋電路均通過調理電路與所述的USB接口數據轉換與採集電路連接，所述彈性體結構的上下兩端分別通過螺栓固定在所述腳踏板和箱體上。
本實用新型所述四個三維應變式力傳感器分別位於腳踏板的四個角上。
本實用新型所述懸臂梁採用單片梁結構、三片梁結構或者五片梁結構。
本實用新型所述應變式三維測力平臺的箱體的底座與通用機房地板底部的金屬支架緊密配合，腳踏板與通用機房地板頂部之間設有5-15mm的間隙。
本實用新型提出的應變式三維測力平臺用12個電橋和12路信號取代了常見類似三維測力平臺採用8個電橋和8路信號，不需要將2個力傳感器的X和Y方向的力在構成電橋時就合在一起，對四個力傳感器的一致性要求大大降低，降低了加工、安裝和調試的難度和成本。同時採用機電一體化集成結構，測力平臺與外界相連的只有一根USB電纜線和一根交流電源線，不僅使用方便，而且減少了外界信號的幹擾。此外三維測力平臺外形按照通用機房地板外形尺寸設計，三維測力平臺就像一塊通用機房地板一樣，可以非常方便地安裝和拆卸，也節省了定做專門步道的成本。
圖1是應變式三維測力平臺的一個實施例的結構示意圖。
圖2是應變式三維測力平臺的力傳感器彈性體的一種結構的示意圖。
圖3是應變式三維測力平臺的力傳感器彈性體的另一種結構的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖來說明本實用新型的實施例。
圖1是應變式三維測力平臺的一個實施例的示意圖。本實用新型所述三維測力平臺包括腳踏板15、位於所述腳踏板正下方的箱體18，以及設置在所述箱體中的四個相同的三維應變式力傳感器16、調理電路和USB接口數據轉換與採集電路；三維應變式力傳感器16包括由一整塊金屬加工而成的彈性體結構和多個應變片，所述彈性體結構(見圖2)包括分層疊加在一起的兩個正交的用於檢測前後和左右方向力的懸臂梁和一個用於檢測豎直方向力的剪切梁，所述懸臂梁和剪切梁上均分別貼有四個應變片，每個梁上的四個應變片組成一個全橋電路，從而每個力傳感器設有三個全橋電路。在圖2中，兩個懸臂梁均採用單片梁結構，X向懸臂主梁1和Y向懸臂主梁2用於檢測X和Y方向的力，Z向剪切主梁3用於檢測Z方向的力。這種力傳感器加工和貼片簡單，有利於降低成本。力傳感器彈性體的另一種結構，如圖3所示，區別在於兩個懸臂梁均採用三片梁結構，除了主梁1和2外，還有輔助梁4、6、7和9。在每個主梁上貼有四個應變片，這四個應變片構成一個全橋電路。
各力傳感器上的全橋電路均通過調理電路與所述的USB接口數據轉換與採集電路連接，所述彈性體結構的上下兩端分別通過螺栓固定在所述腳踏板和箱體上。
在進行具體實施時，被測試者在步道上行走，被測試者腳踏在腳踏板15上。位於腳踏板下面的四個應變式三維力傳感器16中的彈性體結構是將人體在行走過程中對地面X、Y和Z方向作用力轉換成機械變形。彈性體結構各梁上四個應變片組成的全橋電路，將機械變形轉換成電信號。各全橋電路輸出的信號輸入給安裝在箱體中的電器盒17。電器盒中包含信號調理電路、USB接口的數據轉換與採集電路，以及交流至直流轉變電路等所有的電路。調理電路由運算放大器和電阻電容構成，它的作用是將應變片組成電橋的輸出信號進行放大濾波。USB接口的數據轉換與採集電路包括模數轉換電路和以USB晶片為核心構成的USB電路。模數轉換電路的作用是將經放大濾波模塊處理後輸出的模擬信號轉換成數位訊號，USB電路的任務是將模數轉換模塊輸出的數位訊號轉換成符合USB協議的信號。上述電路只要具有一定電路知識的工程師參照公開的參考資料，就可以設計製造。
力傳感器檢測的箱體底座19鑲嵌在步道中，步道由通用機房地板13鋪設在機房地板金屬支架14上形成。目前通用機房地板有兩種規格600mm×600mm和400mm×400mm。與通用機房地板外形尺寸相對應，箱體底座尺寸有600mm×600mm和400mm×400mm兩種形式，對應的腳踏板尺寸為585-595mm×585-595mm和385-395mm×385-395mm。也就是說箱體底座與通用機房地板金屬支架緊密配合，而腳踏板與通用機房地板有5-15mm的間隙。這樣的設計可以使三維測力平臺既能方便地鑲嵌在由機房地板做成的步道中，又不對力的測量產生影響。
綜上所述，本實用新型提出的應變式三維測力平臺具有下面三個優點1)力傳感器、調理電路、USB接口的數據轉換與採集電路等所有的電路都安裝在腳踏板和箱體之間，是機電一體化集成的應變式三維測力平臺。使用時只需接通電源線，將USB電纜線插到計算機的USB口，就可以進行人體地面反力的測試和分析。2)三維測力平臺的每個力傳感器的每個主梁上的四個應變片獨立構成一個全橋電路，不需要將某兩個相鄰力傳感器上的應變片聯合構成電橋，對傳感器兩兩的一致性要求大大降低，降低了加工、安裝和調試的難度。3)三維測力平臺外形設計成與通用機房地板匹配的尺寸，這樣就可以快速方便地採用機房地板來做步道，三維測力平臺就像其中的一塊地板一樣，安裝和拆卸都非常方便。並且在箱體底座上設計有安裝標定架的滑軌和安裝孔，可以方便地利用配套設計的可攜式裝置進行現場標定。
權利要求1.一種應變式三維測力平臺，其特徵在於所述三維測力平臺包括腳踏板、位於所述腳踏板正下方的箱體，以及設置在所述箱體中的四個相同的三維應變式力傳感器、調理電路和USB接口數據轉換與採集電路；所述的三維應變式力傳感器包括由一整塊金屬加工而成的彈性體結構和多個應變片，所述彈性體結構包括分層疊加在一起的兩個正交的用於檢測前後和左右方向力的懸臂梁和一個用於檢測豎直方向力的剪切梁，所述懸臂梁和剪切梁上均分別貼有四個應變片，每個梁上的四個應變片組成一個全橋電路，從而每個力傳感器設有三個全橋電路，各力傳感器上的全橋電路均通過調理電路與所述的USB接口數據轉換與採集電路連接，所述彈性體結構的上下兩端分別通過螺栓固定在所述腳踏板和箱體上。
2.根據權利要求1所述的應變式三維測力平臺，其特徵在於所述四個三維應變式力傳感器分別位於腳踏板的四個角上。
3.根據權利要求1所述的應變式三維測力平臺，其特徵在於所述懸臂梁採用單片梁結構、三片梁結構或者五片梁結構。
4.根據權利要求1所述的應變式三維測力平臺，其特徵在於所述應變式三維測力平臺的箱體的底座與通用機房地板底部的金屬支架緊密配合，腳踏板與通用機房地板頂部之間設有5-15mm的間隙。
專利摘要一種應變式三維測力平臺，屬於步態檢測設備技術領域。為克服現有測力臺的不足，本實用新型公開了一種應變式三維測力平臺，包括腳踏板、位於腳踏板正下方的箱體，以及設置在箱體中的四個三維應變式力傳感器、調理電路和USB接口數據轉換與採集電路。三維應變式力傳感器包括由一整塊金屬加工而成的彈性體結構和多個應變片，彈性體結構包括分層疊加在一起的兩個正交的用於檢測前後和左右方向力的懸臂梁和一個用於檢測豎直方向力的剪切梁，各梁上均分別貼有四個應變片，每個梁上的四個應變片組成一個全橋電路，從而每個力傳感器設有三個全橋電路。本實用新型對四個力傳感器的一致性要求低，從而降低了加工、安裝和調試的難度和成本，使用方便。
文檔編號A61B5/22GK2702708SQ20042005964
公開日2005年6月1日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者王人成, 金德聞, 張濟川, 王茂斌 申請人:清華大學