专利名称：测力平台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于运动员测力的测量装置，特别是涉及测量运动员与测力平台间作用力的大小、方向及着力点的传感器。
在众多的体育项目中，有许多项目，运动员的成绩是和他最后一跳的发力过程密切相关的。例如在跳跃项目中，跳高和跳远在运动员助跑速度和腿部力量确定的条件下，运动员的成绩主要取决于最后起跳时，运动员发力在各方向上的分配和作用时间的长短。在确定的条件下(主要指运动员的发力，作用时间，起跳速度等)，有一个针对运动员本身条件的最佳出发，此时运动员可望获得最优成绩。并且这个最优成绩是可以通过发力的大小和方向，作用时间的长短，力变化过程曲线，力作用点轨迹变化等参数计算和模拟出来，也就是说通过这些参数，能够得到运动员能够获得最好成绩的这个过程的标准过程，运动员训练的过程就应该使自己的动作尽量逼近这个标准过程。
目前我国运动员的训练主要凭经验，缺乏专用的测试设备，主要是缺少测试的技术手段和传感器，运动员在训练过程中没有一些确切的数据供分析和研究。专用于体育运动的全力测试台产品，目前在国内外尚未见到，仅有一些兼用于工业和体育的三维力测试平台。目前在世界上最有影响的名牌产品是瑞士Kistler公司的压电式测力系统，其次是美国AMTI公司的电阻应变片式的测力系统。国内也有几家单位实验生产此类测力台，如清华大学、大连理工大学等，它们主要是仿造瑞士公司的产品。
传感器是测力平台的核心部分，其性能的优劣关系到整个测量装置的用途和价值。目前，国内外所用的测力平台的传感器由以下几种形式1．采用四个三维压电力传感器四个三维压电力传感器，安装在底板的四个角上，而踏板则安装在四个传感器的受力端，利用四个传感器的输出来计算测力平台六个输出量。这种采用四个三维力传感器的方案，有以下特点①力计算比较简单，其理想模型中测力平台的六个输出只是所测得的12个力分量中的某几个量的和，或者是某几个量的与固定距离的乘积，也就是说只是所测得的12个力分量的四则运算结果。
②由于四个传感器是相对独立的，测力平台的大小只与踏板的尺寸有关，而与传感器没有直接关系，因此测力平台的大小可以根据用户的需求制定多种规格，而不至于影响整个生产过程。
③由于四个传感器是安装在同一个踏板和同一个底板上的，因此安装时各传感器间可能存在较大的作用力，这与安装、调试的方法程序以及安装人员的经验有关，一般说来，较大的初始作用力会影响整个测力平台系统的精度和使用。
④由于踏板和底板在实际使用中可能有较大的温度差异，因此，踏板和底板上安装的传感器之间的距离可能发生变化，而形成随温度变化的初始作用力，因此从系统上来看，这一方案可能存在较大的零点漂移。
⑤采用压电材料做的力传感器，其频率响应的近零端下降严重，不适宜于做静态测试和标定。
2．采用四个三维应变式传感器采用四个三维应变式传感器，此类传感器在原理上基本上与上述压电式传感器相同，但是不存在频率响应的近零端下降的问题。目前流行的多维力测试平台大都是由四个三维力传感器组合而成的，所以结构比较复杂，价格也非常昂贵。
本发明的目的是采用机器人十字梁形六维力传感器作为运动员测力平台，该装置主要是针对与定点脚部发力过程有关的运动，如跳高、跳远、起跑、跳水等运动。在运动员对地面发力作用的过程中，利用多维力传感器来连续记录发力作用的全部过程。将发力作用过程以曲线的形式显示出来，作为教练员，运动员了解这个过程的依据，使训练科学化。可望大幅度地提高运动员的运动成绩，为我国体育事业发展起促进作用。
本发明的技术方案是一种测力平台，包括底板(1)、电源盒(2)、应变梁(3)、中心块(4)、浮动梁(5)、基座(6)、踏板(7)、卡套(8)，其特征在于测力平台的结构为传感器弹性体十字梁型，十字梁位于中心块(4)上，中心块(4)的中心是一正方形空心；基座(6)通过螺孔固定在底板(1)上，电源盒(2)固定在基座(6)旁，基座(6)的中间安装中心块(4)并有螺孔安装传感器，在中心块(4)的四个对角上安装有四个应变梁(3)和四个浮动梁(5)，中心块(4)上覆盖有螺孔固定的踏板(7)和卡套(8)，在应变梁(3)的每个面上安装有箔式应变片组成应变桥路，通过将应变桥路的输出解耦得到相应的六维力/力矩输出；所述的传感器弹性体是一个整体，应变梁(3)、中心块(4)、和基座(6)都是由一块金属材料加工而成。
本实用新型的有益效果是1．传感器弹性体是一个整体，应变梁中心块和基座都是由一块材料加工而成，因此其材质相同，联系紧密，在内部容易实现性能和温度的一致和均衡，传感器的零点漂移等较小；2．由于是整体加工的，其安装调试相对于其它方案较为简单，不至于因为安装不妥而引起严重问题；3．其数据采集和处理可以参照六维腕力传感器的成熟经验，有利于消除各种线性误差，提高精度。
4．传感器在本质上是四个二维传感器，因此在内力较大时，可采用分区标定计算方法来消除内力引起的误差。
5．将六维力传感器的基本原理和基本结构运用于测力平台，解决了由于测力平台负荷量大(最大量程1.2T)，受力面积大(400mm×400mm)，和受力点分散等特殊性而在结构设计和标定过程中带来的一系列问题，研制出单一的六维力传感器的测力平台，测力平台结构简单，物理概念清楚等优点，是一般组合式的测力平台所不可比拟的6．测力平台采用便携式结构，全部数据处理系统集成在一个手提箱内，并配备有交/直流两用电源，特别适用于在不同环境的现场操作。
7．该测力平台的性能/价格比高，国外类似的测力平台开价一般在几十万美元，国内的仿制产品也要价7万人民币以上。测力平台主要性能指标达到国外同类产品的先进水平，性能则优于国外产品，但价格只为国外产品的十几分之一以下，低于国内的仿制产品，一般体育科研单位、院校和运动队都有可能接受。
以下结合附图对实施例进行详细说明。
图1是测力平台弹性体外形结构图。
在附图中，基座6是一个矩形的框架，在框架上可以有孔或螺孔用来安装，中心块4是用作加力的部分，在中心块4上可以有孔或螺孔用来安装踏板，在基座6的四角上有四个浮动梁5，而在四个浮动梁5的中心和中心块之间分别有四个应变梁3和基座6相连，在每个应变梁3的四个面上，均贴有应变片，用来测量外力作用引起的应变梁的应变。当作用力加到中心块4上时，四个应变梁3上的应变片的阻值发生变化，经过适当的组桥，可以测量三个力分量Fx,Fy,Fz和三个力矩分量Mx,My,Mz，其中Mx和My可以用来分别计算Y、X的值，也就是力作用点的位置。浮动梁5的作用是增加应变梁3在纵向的柔性，提高Fx、Fy的灵敏度。
弹性体及应变桥路部分是测力系统的关键部件，通过它将平台上受到的力转变成电讯号输出。它主要由踏板7、弹性体部分的中心块4、应变桥路和电源电路组成。踏板7是一块平板，它通过八个螺钉固定在弹性体的中心结构上。根据需要运动的类型，它可选用铝合金板，木板或硬质橡胶板(或塑胶板)，它的作用是将承受的力传送给弹性体。弹性体是一个钢质的，外部尺寸为400cm×400cm×20cm的正方形平台，核心部分采用十字梁结构，十字梁结构是一个中间有空腔的方形台面，在方形台面的四个角上伸出四根应变梁3和弹性体的外部结构相连，通过方形台面将由踏板7传递来的外力，传递给十字梁。在十字梁的每一个应变梁的上、下、左、右四面贴有两个应变片，四个梁上共贴有32片箔式应变片，组成8组应变桥路，在十字梁发生应变时，应变桥路有相应的电信号输出。这些电讯号经过解耦，转变成对应的六维力/力矩信息。弹性体的外部结构是十字梁平台的支撑面。桥路电源电路为八路桥路提供稳定的工作电源，电源盒2放在平台的空腔内。
测力平台需要在户内、户外都能方便地工作，所以测力平台的电源必须具备以下特点
1)在没有外接电源(包括交流和直流电源)的条件下，测力平台需要能够正常工作不少于1小时。
2)可使用220V/50Hz的交流电源连续正常工作。
3)不需要任何外部设备，可方便地用220V交流电源为机内电源充电。
根据测力平台对电源部分的要求，电源部分采用一组蓄电池作为主电源，当蓄电池电压低于极限值时有灯光报警。通过DC-DC转换提供多组直流电源输出。交流电源作为辅助电源，在交流电源工作的情况下，一方面通过变压、整流、稳压和DC-DC转换，将交流电转交为多组直流稳压电源输出，另一方面蓄电池电源自动转为充电状态。在测力平台不工作时，但交流电源存在的情况下，蓄电池也处于充电状态。
传感器是由一块材料整体加工而成，因此，材质和热处理等性能能够保证该传感器的四个应变梁性能一致，大大提高了测力平台的精度。
权利要求1．一种测力平台，包括底板(1)、电源盒(2)、应变梁(3)、中心块(4)、浮动梁(5)、基座(6)、踏板(7)、卡套(8)，其特征在于测力平台的结构为传感器弹性体十字梁型，十字梁位于中心块(4)上，中心块(4)的中心是一正方形空心；基座(6)通过螺孔固定在底板(1)上，电源盒(2)固定在基座(6)旁，基座(6)的中间安装中心块(4)并有螺孔安装传感器，在中心块(4)的四个对角上安装有四个应变梁(3)和四个浮动梁(5)，中心块(4)上覆盖有螺孔固定的踏板(7)和卡套(8)，在应变梁(3)的每个面上安装有箔式应变片组成应变桥路，通过将应变桥路的输出解耦得到相应的六维力/力矩输出；
2．根据权利要求1所述的一种测力平台，其特征在于所述的传感器弹性体是一个整体，应变梁(3)、中心块(4)、和基座(6)都是由一块金属材料加工而成。
专利摘要本实用新型涉及一种测量运动员与测力平台间作用力的大小、方向及着力点的传感器测力平台,包括底板、电源盒、应变梁、中心块、浮动梁、基座、踏板、卡套。测力平台性能/价格比高,采用便携式结构,全部数据处理系统集成在一个手提箱内,并配备有交/直流两用电源,特别适用于在不同环境的现场操作。
文档编号G01L1/16GK2439671SQ00221860
公开日2001年7月18日 申请日期2000年9月20日 优先权日2000年9月20日
发明者葛运建, 张贵敏, 王国泰, 朱永亮, 佟永典, 王理丽 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所