专利名称：一种测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置。
背景技术：
在现代工业和现代医疗技术领域中，经常需要了解两个受力体之间张力的分布情况以及两个受力体之间的间距，并对两个受力体之间的间距进行调整，以达到张力平衡的目的。例如，在全膝关节置换(Total KneeArthroplasty，TKA)手术中，下肢力线对齐和软组织平衡是整个手术的两个关键因素，对提高人工关节寿命起到决定作用，为此需要测量股骨、胫骨之间的间隙，以及股、胫骨之间的受力分布，以便给临床医生提供定量的力的分布情况和间隙大小信息；同时，医生还要根据测得的受力分布以及间隙大小的情况调节膝关节在伸、屈状态下的内外软组织平衡，使得软组织张力处在合适的松紧状态。又如假肢制作中，也同样有上述需求，用于帮助制作者完成准确的膝关节内外软组织平衡的调节和选择合适的人工膝关节的大小。为此，迫切需要一种测量前端装置，该装置可以作用在两受力体之间，既能采集两受力体间的压力分布情况信号，还能调节两受力体之间的间距，并且在调节两受力体间距的同时，实时采集到两受力体间间距变化信号；并将采集到的压力信号和间距信号输出给相应的测量装置得到定量的数据。但由于目前还没有这样的前端装置，因此，TKA手术中，膝关节内外侧软组织张力平衡的测定往往是靠手术者的经验来评估，其精确程度不高；虽然也有通过机械张力器测定膝关节内股胫骨之间间隙，但调节软组织平衡仍然需要临床医生通过手触摸，凭借经验和感觉去完成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量前端装置，该测量前端装置既能实时采集、输出两受力体间的压力分布情况信号，还能调整两受力体之间的间距，并且在调节两受力体间距的同时，实时采集、输出两受力体间变化的间距信号。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为一种测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置，包括与所述受力体接触的上、下端面板，若干个用于采集所述压力信号的力传感器固定安装在所述上端面板的上端面处；所述上下端面板之间有一可调节支撑装置，所述可调节支撑装置用于支撑所述上下端面板、使其间保持一定间距，同时用于调节所述上下端面板之间的间距；所述上下端面板之间还设置一用于采集所述上下端面板之间间距信号的间距测量装置。
所述的前端装置，其中所述的间距测量装置包括固定在所述下端面板上端面的一角度传感器，以及垂直固定在所述上端面板下端面的联动杆；所述角度传感器的测量柱与所述联动杆垂直相交，且相互间紧密接触，当所述联动杆沿其轴线上下运动时能带动所述角度传感器的测量柱转动。
所述的前端装置，其中所述角度传感器的测量柱外套一橡胶轮，所述橡胶轮与所述测量柱紧配合。
所述的前端装置，其中所述的可调节支撑装置包括垂直设置在所述下端面板上端面中部的一螺杆，所述螺杆的下端部与下端面板上端面滑动配合；一螺套，所述螺套固定在所述上端面板下端面的中部；所述螺杆的上端与所述螺套螺接；一调节机构，所述调节机构通过推动所述螺杆旋转(转动)使上端面板产生上下位移。
所述的前端装置，其中所述调节机构包括；套装在所述螺杆外部且与所述螺杆固定连接的第二锥齿轮；一主动驱使的手轮；一端与所述手轮垂直固定连接的转动轴，所述转动轴的另一端与第一锥齿轮固定连接；所述第一锥齿轮与第二锥齿轮之间相互咬合，当第一锥齿轮转动时带动第二锥齿轮转动。
所述的前端装置，其中所述可调节支撑装置还包括对称且垂直固定在上端面板的下端面/下端面板的上端面的至少二个导杆，以及对称且垂直固定在下端面板的上端面/上端面板的下端面至少二个导套；所述导杆插入所述导套内，并与所述导套松配合。
所述的前端装置，其中所述的上端面板包括上板及托板，所述托板位于所述上板的下端面，托板与上板之间通过固定装置连成一体；所述压力传感器固定安装在所述托板上面，且在所述上板与所述压力传感器位置相对应处设有与所述传压力感器形状大小相适配的安装通孔，使得所述压力传感器镶嵌在所述安装通孔内，且所述压力传感器的受力部位至少与所述上板的上端面平齐。
所述的前端装置，其中所述螺杆的下端部上安装一轴承；所述下端面板上对应所述螺杆处有一与螺杆端面相适配的凹槽；装有所述轴承的所述螺杆的下端部落在所述凹槽内。
所述的前端装置，其中所述压力传感器至少为4个，且均匀分布。
本发明的有益效果为由于采用了上述技术方案，可以实现本实用新型的目的，即该测量前端装置可以置放在被测两受力体之间，不仅能实时采集、输出两受力体间的压力分布情况信号，还能通过调节机构来调整两受力体之间的间距，并且在调节两受力体间距的同时，连续地实时采集、输出两受力体间变化的间距信号；因此满足了现代工业和现代医疗技术领域中的应用需求，为医生在全膝置换手术过程中反复调节软组织平衡的操作提供了一种方便、实用的测量调整装置；并且由于该装置采用高分辨率、高灵敏度和高精度的微型压力传感器和角度传感器采集压力信号和间距信号，因此，本装置还具有体积小、测量精度高的优点。
图1a和图1b为力传感器测量的基本原理图；图2a和图2b为角度传感器测量的基本原理图；图3为本实用新型测量前端装置立体结构图；图4为本实用新型测量前端装置结构爆炸图；图5为本实用新型测量前端装置的结构原理图；图6为压力传感器校准控制流程图；图7为角度传感器校准控制流程图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明用压力传感器来测量两受力体间的压力大小的基本原理如图1a和图1b所示，在一个刚性平板上固定多个微型单点压力传感器，每个压力传感器在可承受的压力范围内，传感器输出的电压信号和加载在传感器上的压力成线性关系，即f＝aV+b (公式1)其中V是传感器输出的电压大小，f是力的大小，a为直线方程的斜率，b为截距。因此当通过测量得到力传感器的电压信号V后，就能根据公式1计算出实际加载在传感器上力f的大小。
测量两受力体间隙大小的基本原理如图2a和图2b所示当受力体1和受力体2之间的距离D比较小(＜30mm)，而且变化量也很小(＜15mm)时，可以采用高精度的微型角度传感器3来反算位移的变化。此时，角度传感器把受力体间距的直线位移变化转化为角度变化，受力体间距的直线距离和角度传感器输出的角度变化量满足以下线性关系D＝D0+kΔθ(公式2)其中D是两受力体间距离大小，D0是一个起始值，Δθ是角度变化量，k是比例系数。由公式2可见，通过测量角度传感器输出的信号Δθ来计算距离D的大小。
本实用新型就是根据上述测量原理，采集和输出压力信号V和角度变化量Δθ，通过与后续测量设备结合，从而实时定量得出两受力体之间压力的大小以及变化的间距。
参见图3和图4，一种测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置，包括与所述受力体接触的上端面板1、下端面板2，若干个用于采集所述压力信号的压力传感器3固定安装在所述上端面板1的上端面处；所述上下端面板之间有一可调节支撑装置，用来支撑所述上下端面板、使上下端面板之间保持一定间距，同时用于调节上下端面板之间的间距；在上下端面板之间还设置一用于采集所述上下端面板之间间距信号的间距测量装置。在具体实现中，间距测量装置包括固定在下端面板上端面的一角度传感器4，以及垂直固定在所述上端面板下端面的联动杆5；所述角度传感器4前端的测量柱与所述联动杆5垂直相交，且相互间紧密接触，当上端面板1上下移动时，固定在上端面板1的联动杆5就随之沿联动杆的轴线方向上下运动，由于联动杆5与测量柱之间紧密接触，联动杆5上下运动就带动角度传感器4的测量柱转动，即产生了角度变化量Δθ。角度传感器4将采集到的角度变化量Δθ输出至后续测量设备，根据公式2就可以由Δθ反算出上端面板的位移，从而得到上下端面板之间的间距。
在具体实施中，为了增加联动杆5与角度传感器4前端测量柱之间的摩擦力，提高采样测量的准确性，在角度传感器的测量柱外套一橡胶轮41，所述橡胶轮41与所述测量柱紧配合；橡胶轮41的外部与联动杆5紧密接触，当上端面板1上下移动时，联动杆5带动包裹着橡胶轮41的测量柱转动。并且为了防止灰尘落入以及在测量过程中血液等污浊物污染角度传感器、影响其测量精度，将角度传感器4固定安置在一封闭盒体42内，仅测量柱露出盒体42外与联动杆5接触；并且所述盒体42固定在下端面板2上。
所述上下端面板之间的可调节支撑装置，具体包括垂直设置在下端面板上端面中部的一螺杆60，以及固定在所述上端面板下端面中部的一螺套61；所述螺杆60的下端部与下端面板2的上端面滑动配合，例如，在螺杆60的下端部上固定装有一轴承，在下端面板2上对应螺杆部位有一与螺杆60端面相适配的凹槽，装有轴承的螺杆的下端部落在所述凹槽内；而螺杆60的上端与所述螺套61螺接配合；这样，垂直于上下端面板的螺杆60一方面起到了支撑上下端面板的作用，另一方面，当有外力推动螺杆60旋转时，通过螺杆在螺套内的旋转，使上端面板1相对下端面板2产生上下位移，即上下端面板之间的距离发生变化，达到了调节上下端面板之间间距的目的。在实际制作中，所述螺套61可以是固定或镶嵌在上端面板1下面的独立部件，也可以是直接在上端面板1上加工而成的内螺套。
可调节支撑装置还包括一调节机构，所述调节机构用于推动螺杆60旋转(转动)使上端面板产生上下位移，也就是用来调节上下端面板之间的间距。调节机构可以采用多种为业内人士所熟知的结构形式来实现，例如本实施例采用的调节机构包括套装在所述螺杆外部且与所述螺杆固定连接的第二锥齿轮74，第二锥齿轮74转动时可以带动螺杆60旋转；还包括一主动驱使的手轮71，一转动轴72，以及第一锥齿轮73，转动轴72的一端与手轮71垂直固定连接，转动轴72的另一端与第一锥齿轮73固定连接；而第一锥齿轮73与第二锥齿轮74之间相互咬合，当第一锥齿73轮转动时咬合带动第二锥齿轮74转动。由此可见，当转动手轮71时，转动轴带动第一锥齿轮73转动，第一锥齿轮73咬合带动第二锥齿轮74转动，从而带动螺杆60旋转，螺杆的旋转顶动上端面板1发生上下位移，完成了对上下端面板间距的调节。
为使上下端面板之间在调节过程中始终保持平衡并处于平行的状态，以及装配工艺上的需要，在下端面板2上端面的边缘对称于螺杆60的位置上分别固定两个导套81，在上端面板下端面边缘对称于螺套的位置分别固定两个导杆82，两个导杆82分别插入两个导套81内，并且互为松配合，以此形成辅助支撑装置。导杆和导套的位置可以互换，即导杆固定在下端面板上，导套固定在上端面板上。
为了能采集到两受力体间压力的分布情况，设置在上端面板上的压力传感器至少为4个，并且均匀地分布在上端面板上。为了方便在上端面板上安装固定压力传感器，所述的上端面板包括上板11及托板12两部分，托板12位于所述上板11的下部，用于承载压力传感器，所述压力传感器固定安装在托板上面；托板与上板之间通过固定装置连成一体；在上板与压力传感器位置相对应处设有安装通孔111，该安装通孔的大小形状与压力传感器3相适配，通过螺钉112将托板固定在上板的下端面上，使上板与托板形成一体，压力传感器犹如镶嵌在安装通孔内，压力传感器的受力部位至少与所述上板的上端面平齐，可以接触受力体以便采集压力信号。
根据上述对前端装置结构的分析，并结合图5所示的结构示意图，我们可以清楚地看到，当通过电源线91给压力传感器3和角度传感器4通电后，压力传感器和角度传感器就能采集两受力体间的压力分布和两受力体的间距，并将采集到的压力信号和间距信号通过信号线92输出到后续的测量设备；当转动手轮71时，就可以调整上下端面板的间距，并可以一边调节上下端面板的间距，一边实时采集连续变化的间距信号以及压力信号，满足了现代工业和现代医疗技术领域中的应用需求。
该前端装置在测量使用之前，首先要对测量装置前端上的力传感器和角度传感器进行校准。压力传感器的校准，是通过预先加载的力大小和力传感器信号幅值之间的关系，通常采用线性最小二乘法拟合，得到各个力传感器的直线拟合系数。对单个力传感器校准的具体方法参见图6，为(1)设定负载初始值，一般是最小值，设定负载增加量大小，最小值和最大值；(2)测量压力传感器的输出信号，并保存对应的信号幅值到数组中的对应位置；(3)增加负载；(4)测量压力传感器的输出信号，并保存对应的信号幅值到数组中的对应位置；(5)判断负载是否增加到最大值，是，则到(6)，否，则重复(3)和(4)；(6)减少负载；(7)测量压力传感器的输出信号，并保存对应的信号幅值到数组中的对应位置；(8)判断负载是否减少到最小值，是，则转到(9)，否，则重复(6)和(7)；根据测量的压力传感器的幅值大小和对应的压力，进行上升和下降方向两组数据的线性拟合，并保存线性拟合数据。
角度传感器的校准也是通过预先设置的间距大小和角度传感器输出的信号大小之间的关系，采用线性最小二乘法拟合，得到角度传感器的直线拟合系数；具体方法参见图11，为(1)设定间距初始值，一般是最小值，设定间距增加量大小，最小值和最大值；(2)测量角度传感器的输出信号，并保存对应的信号幅值到数组中的对应位置；(3)增加间距；(4)测量角度传感器的输出信号，并保存对应的信号幅值到数组中的对应位置；(5)判断距离是否增加到最大值，是，则到(6)，否，则重复(3)和(4)；(6)减少间距；(7)测量角度传感器的输出信号，并保存对应的信号幅值到数组中的对应位置；(8)判断间距是否减少到最小值，是，则转到(9)，否，则重复(6)和(7)；根据测量的角度传感器的幅值大小和对应的间距，进行上升和下降方向两组数据的线性拟合，并保存线性拟合数据。
应当理解的是，本实用新型所述的测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置，上述针对较佳实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本实用新型的专利保护范围的限制，其专利保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求1.一种测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置，其特征在于包括与所述受力体接触的上、下端面板，若干个用于采集所述压力信号的力传感器固定安装在所述上端面板的上端面处；所述上下端面板之间有一可调节支撑装置，所述可调节支撑装置用于支撑所述上下端面板、使其间保持一定间距，同时用于调节所述上下端面板之间的间距；所述上下端面板之间还设置一用于采集所述上下端面板之间间距信号的间距测量装置。
2.根据权利要求1所述的前端装置，其特征在于所述的间距测量装置包括固定在所述下端面板上端面的一角度传感器，以及垂直固定在所述上端面板下端面的联动杆；所述角度传感器的测量柱与所述联动杆垂直相交，且相互间紧密接触，当所述联动杆沿其轴线上下运动时能带动所述角度传感器的测量柱转动。
3.根据权利要求2所述的前端装置，其特征在于所述角度传感器的测量柱外套一橡胶轮，所述橡胶轮与所述测量柱紧配合。
4.根据权利要求1所述的前端装置，其特征在于所述的可调节支撑装置包括垂直设置在所述下端面板上端面中部的一螺杆，所述螺杆的下端部与下端面板上端面滑动配合；一螺套，所述螺套固定在所述上端面板下端面的中部；所述螺杆的上端与所述螺套螺接；一调节机构，所述调节机构通过推动所述螺杆旋转使上端面板产生上下位移。
5.根据权利要求4所述的前端装置，其特征在于所述调节机构包括；套装在所述螺杆外部且与所述螺杆固定连接的第二锥齿轮；一主动驱使的手轮；一端与所述手轮垂直固定连接的转动轴，所述转动轴的另一端与第一锥齿轮固定连接；所述第一锥齿轮与第二锥齿轮之间相互咬合，当第一锥齿轮转动时带动第二锥齿轮转动。
6.根据权利要求5所述的前端装置，其特征在于所述可调节支撑装置还包括对称且垂直固定在上端面板的下端面/下端面板的上端面的至少二个导杆，以及对称且垂直固定在下端面板的上端面/上端面板的下端面至少二个导套；所述导杆插入所述导套内，并与所述导套松配合。
7.根据权利要求所述的前端装置，其特征在于所述的上端面板包括上板及托板，所述托板位于所述上板的下端面，托板与上板之间通过固定装置连成一体；所述压力传感器固定安装在所述托板上面，且在所述上板与所述压力传感器位置相对应处设有与所述传压力感器形状大小相适配的安装通孔，使得所述压力传感器镶嵌在所述安装通孔内，且所述压力传感器的受力部位至少与所述上板的上端面平齐。
8.根据权利要求所述的前端装置，其特征在于所述螺杆的下端部上安装一轴承；所述下端面板上对应所述螺杆处有一与螺杆端面相适配的凹槽；装有所述轴承的所述螺杆的下端部落在所述凹槽内。
9.根据权利要求所述的前端装置，其特征在于所述压力传感器至少为4个，且均匀分布。
专利摘要一种测量两受力体间压力分布以及间距变化的前端装置，包括与受力体接触的上、下端面板，若干个用于采集压力信号的力传感器固定安装在上端面板的上端面处；上下端面板之间有一支撑上下端面板保持一定间距，并能调节上下端面板之间间距可调节支撑装置；所述上下端面板之间还设置一用于采集上下端面板之间间距信号的间距测量装置。该装置不仅能实时采集、输出两受力体间的压力分布情况信号，还能调整两受力体之间的间距，并在调节两受力体间距的同时，连续地实时采集、输出两受力体间变化的间距信号。
文档编号A61F2/76GK2792418SQ20052005446
公开日2006年7月5日 申请日期2005年1月28日 优先权日2005年1月28日
发明者戴尅戎, 王友, 吴剑, 周志康, 韦启航 申请人:深圳安科高技术股份有限公司