专利名称：一种应变式三维测力平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种检测人行走时地面三维反力的检测装置，属于步态检测设备技术领域。
背景技术：
由于人类对生命现象的认识还比较肤浅，尤其是对脑的研究尚处在初级阶段，目前还不能通过理论模型推导出人体的运动模式，只能通过大量的统计实验归纳总结出人体运动的规律。而步态分析系统是现代人体运动分析技术最基本的设备手段，其中三维测力平台是检测人行走过程中人与地面之间作用力的装置，是步态分析系统的重要组成部分。
检测人行走过程中人与地面之间作用力的装置主要有两类，一类是检测足底压力分布的装置，另一类是检测作用力合力的测力台。
早在1882年英国人Beely就开始进行足底压力分布测量技术的研究，但直到20世纪50年代才被广泛应用于临床。近几年，足底压力分布测量技术发展很快，美国、加拿大、西德、英国、印度、日本等国都先后推出了这类测量系统。足底压力分布测量系统按力测试方式主要分脚印式、光学式和高密度阵列传感器式三种。脚印式脚印法的原理是用具有弹性的橡胶或泡沫制成垫子，其上表面平滑，下表面制成脊状突起，并均匀涂上墨。当垫子上表面受力时，橡胶发生形变，在支撑面上留下墨线，墨痕迹线的宽度正比于受力大小。光学式光学方法检测足底压力分布的原理是在某种特定条件下图像亮度与所受压力呈线性关系，通过图像可以计算出所受压力大小，图像的每个像素点就相当于一个力传感器，这种方法成本低廉，位置分辨率高，缺点是装置总体高度较高，使应用受到限制。高密度阵列传感器式目前国外应用最为广泛的是这种形式的装置，它由薄且密的力传感器阵列构成，外形多样，有力板式，也有直接做成鞋垫放在鞋里的，这种测试装置的不足之处是只能检测竖直方向上的正压力，而且传感器比较容易损坏。
检测人行走过程中人与地面之间作用力合力的测力台按照传感器类型可分为石英压电晶体式、位置敏感器件式和电阻应变片式三种。
1)石英压电晶体式石英压电晶体式测力台以瑞典Kistler公司的产品为主，其结构形式是在一个平板四个角的下面安装四个三维力传感器，每个力传感器是由三组环状的石英压电晶体叠加在一起形成圆柱形，每一组压电圆环检测一个方向的力。这种测力台的不足是只能测5Hz以上的信号，而且价格昂贵。
2)位置敏感器件式位置敏感器件式测力台由动子、定子、弹性连接体、光靶、位置检测器件及处理电路组成。动子通过弹性体与定子相联，光靶固定在动子上，位置敏感器件固定在定子上。在人行走时，人脚踏在动子上，人与地面之间作用力使动子相对定子产生移动，定子上的位置敏感器件可以检测人在行走过程中动子上光靶的位移曲线。由于动子上光靶的位移与人行走时踏在定子上的力的大小和方向有确定的映射关系，因此根据人在行走过程中动子上光靶的位移曲线可以计算出足底压力的大小和方向。
3)电阻应变片式电阻应变片式测力台的生产厂家相对较多，最常见的结构形式与瑞典Kistler石英压电晶体式测力台一样，采用在一个平板四个角的下面安装四个三维力传感器，主要区别是用应变式力传感器取代了石英压电晶体式力传感器。三维力传感器的形式多种多样，常用的有圆环式、双环式、圆柱式以及轮辐式。这种测力台以美国AMTI公司生产的LG6-4系列为代表，其弹性体采用筒式结构。除了上述所描述的采用四个三维力传感器的应变式测力台之外，还有利用一个六维力传感器构成的应变式测力台，以及利用几个一维和二维力传感器组合而成的应变式测力台。
中国专利00221860.7公开的测力平台，就是利用一个十字梁结构六维力传感器构成的测力台，在十字梁的每个面上贴有应变片，通过将应变桥路的输出解耦得到相应的六维力和力矩输出。中国专利01262480.2公开的一种五维力测力平台采用的就是一种组合式结构，测力台由三个一维力传感器和一个二维力传感器组成，三个一维力传感器处于底层，用于检测竖直方向的力，二维力传感器位于三个单维力传感器的上方，用于检测前后和左右方向的力。
电阻应变片式测力台因制造工艺比较成熟，制造成本相对较低，因此应用较为广泛。可是电阻应变片式测力台因弹性体、应变片及粘贴剂材料与工艺等因素的影响，以及装配预应力的变化，每隔一段时间就可能出现零点漂移等问题，在使用一段时间必须进行重新标定。
上述最常见的四个三维力传感器结构形式的电阻应变片式测力台，尽管有四个三维力传感器，输出应该有四个X方向(前后方向)、四个Y方向(左右方向)和四个Z方向(竖直方向)的力输出，共12路力信号输出。但是普遍采用将2个力传感器的X和Y方向的力在构成桥路时就合在一起，即实际上只有2个X方向、2个Y方向和四个Z方向的力输出，共8路力信号输出。采用这种方式的优点是一个测力台只需有8路放大器和AD采集通道，而不是12路。其不足是对两个X和Y方向在构成桥路时就合在一起的力传感器的一致性要求非常高，即由两个传感器构成一个桥路，则这两个传感器的负载和输出曲线要非常一致，否则会带来很大的误差。这一点很难保证，即使在加工、安装和调试过程中，可以保证这两个传感器有很好的一致性，但是在使用一段时间后出现一些零点漂移时，也很难保证不同传感器间的变化是一致的。此外，目前的三维测力平台是安装在专用的步道上，安装比较繁琐。
实用新型内容本实用新型的目的是要解决现有四个三维电阻应变片式测力台存在的两个不足1)有四个电桥是由四个相邻两对力传感器上应变片组成，因此对力传感器的一致性要求高，导致成本高；2)三维测力平台需要安装在专用步道上，安装繁琐。本实用新型将每个力传感器的应变片单独组成电桥，三维测力平台外形加工成通用机房地板形状，这样可以降低对力传感器性能一致性和安装要求，大大降低成本。
本实用新型提出了一种应变式三维测力平台，其特征在于所述三维测力平台包括脚踏板、位于所述脚踏板正下方的箱体，以及设置在所述箱体中的四个相同的三维应变式力传感器、调理电路和USB接口数据转换与采集电路；所述的三维应变式力传感器包括由一整块金属加工而成的弹性体结构和多个应变片，所述包括分层叠加在一起的两个正交的用于检测前后和左右方向力的悬臂梁和一个用于检测竖直方向力的剪切梁，所述悬臂梁和剪切梁上均分别贴有四个应变片，每个梁上的四个应变片组成一个全桥电路，从而每个力传感器设有三个全桥电路，各力传感器上的全桥电路均通过调理电路与所述的USB接口数据转换与采集电路连接，所述弹性体结构的上下两端分别通过螺栓固定在所述脚踏板和箱体上。
本实用新型所述四个三维应变式力传感器分别位于脚踏板的四个角上。
本实用新型所述悬臂梁采用单片梁结构、三片梁结构或者五片梁结构。
本实用新型所述应变式三维测力平台的箱体的底座与通用机房地板底部的金属支架紧密配合，脚踏板与通用机房地板顶部之间设有5-15mm的间隙。
本实用新型提出的应变式三维测力平台用12个电桥和12路信号取代了常见类似三维测力平台采用8个电桥和8路信号，不需要将2个力传感器的X和Y方向的力在构成电桥时就合在一起，对四个力传感器的一致性要求大大降低，降低了加工、安装和调试的难度和成本。同时采用机电一体化集成结构，测力平台与外界相连的只有一根USB电缆线和一根交流电源线，不仅使用方便，而且减少了外界信号的干扰。此外三维测力平台外形按照通用机房地板外形尺寸设计，三维测力平台就像一块通用机房地板一样，可以非常方便地安装和拆卸，也节省了定做专门步道的成本。
图1是应变式三维测力平台的一个实施例的结构示意图。
图2是应变式三维测力平台的力传感器弹性体的一种结构的示意图。
图3是应变式三维测力平台的力传感器弹性体的另一种结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图来说明本实用新型的实施例。
图1是应变式三维测力平台的一个实施例的示意图。本实用新型所述三维测力平台包括脚踏板15、位于所述脚踏板正下方的箱体18，以及设置在所述箱体中的四个相同的三维应变式力传感器16、调理电路和USB接口数据转换与采集电路；三维应变式力传感器16包括由一整块金属加工而成的弹性体结构和多个应变片，所述弹性体结构(见图2)包括分层叠加在一起的两个正交的用于检测前后和左右方向力的悬臂梁和一个用于检测竖直方向力的剪切梁，所述悬臂梁和剪切梁上均分别贴有四个应变片，每个梁上的四个应变片组成一个全桥电路，从而每个力传感器设有三个全桥电路。在图2中，两个悬臂梁均采用单片梁结构，X向悬臂主梁1和Y向悬臂主梁2用于检测X和Y方向的力，Z向剪切主梁3用于检测Z方向的力。这种力传感器加工和贴片简单，有利于降低成本。力传感器弹性体的另一种结构，如图3所示，区别在于两个悬臂梁均采用三片梁结构，除了主梁1和2外，还有辅助梁4、6、7和9。在每个主梁上贴有四个应变片，这四个应变片构成一个全桥电路。
各力传感器上的全桥电路均通过调理电路与所述的USB接口数据转换与采集电路连接，所述弹性体结构的上下两端分别通过螺栓固定在所述脚踏板和箱体上。
在进行具体实施时，被测试者在步道上行走，被测试者脚踏在脚踏板15上。位于脚踏板下面的四个应变式三维力传感器16中的弹性体结构是将人体在行走过程中对地面X、Y和Z方向作用力转换成机械变形。弹性体结构各梁上四个应变片组成的全桥电路，将机械变形转换成电信号。各全桥电路输出的信号输入给安装在箱体中的电器盒17。电器盒中包含信号调理电路、USB接口的数据转换与采集电路，以及交流至直流转变电路等所有的电路。调理电路由运算放大器和电阻电容构成，它的作用是将应变片组成电桥的输出信号进行放大滤波。USB接口的数据转换与采集电路包括模数转换电路和以USB芯片为核心构成的USB电路。模数转换电路的作用是将经放大滤波模块处理后输出的模拟信号转换成数字信号，USB电路的任务是将模数转换模块输出的数字信号转换成符合USB协议的信号。上述电路只要具有一定电路知识的工程师参照公开的参考资料，就可以设计制造。
力传感器检测的箱体底座19镶嵌在步道中，步道由通用机房地板13铺设在机房地板金属支架14上形成。目前通用机房地板有两种规格600mm×600mm和400mm×400mm。与通用机房地板外形尺寸相对应，箱体底座尺寸有600mm×600mm和400mm×400mm两种形式，对应的脚踏板尺寸为585-595mm×585-595mm和385-395mm×385-395mm。也就是说箱体底座与通用机房地板金属支架紧密配合，而脚踏板与通用机房地板有5-15mm的间隙。这样的设计可以使三维测力平台既能方便地镶嵌在由机房地板做成的步道中，又不对力的测量产生影响。
综上所述，本实用新型提出的应变式三维测力平台具有下面三个优点1)力传感器、调理电路、USB接口的数据转换与采集电路等所有的电路都安装在脚踏板和箱体之间，是机电一体化集成的应变式三维测力平台。使用时只需接通电源线，将USB电缆线插到计算机的USB口，就可以进行人体地面反力的测试和分析。2)三维测力平台的每个力传感器的每个主梁上的四个应变片独立构成一个全桥电路，不需要将某两个相邻力传感器上的应变片联合构成电桥，对传感器两两的一致性要求大大降低，降低了加工、安装和调试的难度。3)三维测力平台外形设计成与通用机房地板匹配的尺寸，这样就可以快速方便地采用机房地板来做步道，三维测力平台就像其中的一块地板一样，安装和拆卸都非常方便。并且在箱体底座上设计有安装标定架的滑轨和安装孔，可以方便地利用配套设计的便携式装置进行现场标定。
权利要求1.一种应变式三维测力平台，其特征在于所述三维测力平台包括脚踏板、位于所述脚踏板正下方的箱体，以及设置在所述箱体中的四个相同的三维应变式力传感器、调理电路和USB接口数据转换与采集电路；所述的三维应变式力传感器包括由一整块金属加工而成的弹性体结构和多个应变片，所述弹性体结构包括分层叠加在一起的两个正交的用于检测前后和左右方向力的悬臂梁和一个用于检测竖直方向力的剪切梁，所述悬臂梁和剪切梁上均分别贴有四个应变片，每个梁上的四个应变片组成一个全桥电路，从而每个力传感器设有三个全桥电路，各力传感器上的全桥电路均通过调理电路与所述的USB接口数据转换与采集电路连接，所述弹性体结构的上下两端分别通过螺栓固定在所述脚踏板和箱体上。
2.根据权利要求1所述的应变式三维测力平台，其特征在于所述四个三维应变式力传感器分别位于脚踏板的四个角上。
3.根据权利要求1所述的应变式三维测力平台，其特征在于所述悬臂梁采用单片梁结构、三片梁结构或者五片梁结构。
4.根据权利要求1所述的应变式三维测力平台，其特征在于所述应变式三维测力平台的箱体的底座与通用机房地板底部的金属支架紧密配合，脚踏板与通用机房地板顶部之间设有5-15mm的间隙。
专利摘要一种应变式三维测力平台，属于步态检测设备技术领域。为克服现有测力台的不足，本实用新型公开了一种应变式三维测力平台，包括脚踏板、位于脚踏板正下方的箱体，以及设置在箱体中的四个三维应变式力传感器、调理电路和USB接口数据转换与采集电路。三维应变式力传感器包括由一整块金属加工而成的弹性体结构和多个应变片，弹性体结构包括分层叠加在一起的两个正交的用于检测前后和左右方向力的悬臂梁和一个用于检测竖直方向力的剪切梁，各梁上均分别贴有四个应变片，每个梁上的四个应变片组成一个全桥电路，从而每个力传感器设有三个全桥电路。本实用新型对四个力传感器的一致性要求低，从而降低了加工、安装和调试的难度和成本，使用方便。
文档编号A61B5/22GK2702708SQ20042005964
公开日2005年6月1日 申请日期2004年5月21日 优先权日2004年5月21日
发明者王人成, 金德闻, 张济川, 王茂斌 申请人:清华大学