用于力测量的多形态装置的电子测量单元和包括该电子测量单元的多形态装置的制造方法
【专利说明】用于力测量的多形态装置的电子测量单元和包括该电子测量单元的多形态装置
[0001]本发明涉及一种用于力测量的多形态(polymorphous，多形态的，多形的)装置的电子测量单元，以及一种包括这种电子测量单元的多形态装置。
[0002]如已知的，需要在许多应用领域测量力和/或力矩。为此目的，例如，能够使用所谓的六轴测力元件(six-axis load cell)，如例如在Experimental Mechanics(实验机械)51:373-388(2011)，G.Mastinu, M.Gobbi 和 G.Previati 的"A new six-axisload cell.Part 1:design(新型六轴测力元件第一部分:设计)〃所描述的，或在专利文献W02005/015146中描述的六轴测力元件。六轴测力元件的另外的实例，也已知为具有六个自由度的测力元件，由S.M.Declercq, D.R.Lazor和D.L.Brown在〃A smart6-D0F load cell development (精巧的6自由度测力元件的研发)〃，Society forExperimental Mechanics (SEM)(实验机械社会(SEM))，Internat1nal Modal AnalysisConference XX (国际模态分析会议第二十次会议)，和由N.G.Tsagarakis, G.Metta等人在〃iCub:the design and realizat1n of an open humanoid platform for cognitiveand neuroscience research(iClub:认知和神经科学研宄的开放人性化平台的设计与实现)〃，Advanced Robotics (现进机器人技术)，21卷，10号，第1151-1175页(2007)中描述的。
[0003]总的来说，六轴测力元件，后面简述将称为测力元件，是被设计成用于为作用在电子系统上的力的三个分量的提供测量的电子系统，这三个分量相对于测力元件的参考系统来测量。此外，测力元件被设计成用于为作用于测力元件上的力矩的三个分量的提供测量，这三个分量也相对于测力元件的参考系统来测量。
[0004]详细地，测力元件具有三个径向臂，该三个径向臂被制成为一体并布置为使得成对的径向臂形成120°角。每个径向臂都从中央部分延伸，与另外的径向臂制成为一体。此外，测力元件包括框架，该框架环绕径向臂。
[0005]更详细地，每个径向臂都具有:第一端，该第一端连接到中央部分；以及第二端，该第二端与第一端相对并被限制到框架。此外，一个或多个传感器安装在每个径向臂上，这些传感器能够检测相关联的径向臂在上述力和力矩施加后所经受的变形。
[0006]具体而言，存在已知的测力元件，其中每个径向臂基本上具有平行六面体的形状并且在其中对应的应变计被设置在平行六面体的每个面上。考虑一个径向臂和四个对应的应变计(strain gauge)，四个应变计中的两个(设置在径向臂的相对的面上)电连接到第一对固定电阻，以便形成被称为半桥型的第一惠斯登(Wheatstone)电桥。此外，另外两个应变计连接到第二对固定电阻，从而形成第二惠斯登电桥，该第二惠斯登电桥也是被称为半桥型的电桥。
[0007]应变计电连接到处理单元。此外，每个应变计提供指示相应的局部应力的电信号。
[0008]基于由应变计提供的信号和径向臂的(已知的)形状，处理单元能够确定对应的局部矢量(local vector)，该局部矢量由三对局部力形成。每对局部力包括第一局部力和第二局部力，它们是彼此正交的且都作用在对应径向臂上。特别而言，给定一个径向臂，对应的第一局部力和第二局部力是被限制到框架的径向臂所经受的限制作用。
[0009]基于局部矢量，处理单元还能够确定作用在测力元件上的力的上述三个分量，以及作用在测力元件上的力矩的上述三个分量，这样的力和力矩作用于在测力元件的几何中央上。计算该力和力矩的参考系统通常是与测力元件的框架的参考系统一致。
[0010]已经谈及，在许多应用领域，需要测量在夹持物体时所施加的力。例如，需要测量在处理对象时由人或机器人所施加的力。
[0011]例如，由W.D.Memberg 和 P.E.Crago 所写的文章 “ Instrumented objects forquantitative evaluat1n of hand grasp (用于手抓力量化评估的仪器对象)”，Journalof Rehabilitat1n Research and Development (复原研宄和发展杂志)34 (I)(第 82-90页，1997 年)和由 G.Kurillo, M.Gregoric 所写的文章“Grip force tracking system forassessment and rehabilitat1n of hand funct1n(用于手功能的评估与复原的抓持力追踪系统)”，Technology and Health Care (技术和健康护理)13 (3)(第 137-149 页，2005年)描述了被设计为在手抓握期间测量被施加的力的电子装置。
[0012]专利申请W02011/096367描述了地面反应力测量装置，其被限制在用户的脚的鞋底(sole)下方。该装置包括第一单元，该第一单元适合于被限制为靠近跟部；以及第二单元，该第二单元适合于被限制为靠近大脚趾；第一单元和第二单元两者都包括以平面方式布置的三个反应力传感器。
[0013]因此，参考抓握力来指示在由用户(无论是人或机械装置)处理对象时产生的力，已知类型的电子装置有相当准确的测量抓握力的能力。然而，这些电子装置使用灵活性较低，因为它们中的每个都根据对应抓握模式而设计；换言之，每个电子装置都具有根据预期用途(即根据用户期望处理装置的方式)而确定的形状。因此相对于预期用途的可能变型会对电子装置(特别对于相应的电子电路)带来巨大的变化。
[0014]本发明的目的是提供一种至少部分地解决已知技术的缺点的测力装置。
[0015]根据本发明，提供了如所附权利要求中定义的电子单元和测力装置。
[0016]为了更好地理解本发明，现在参考附图，将通过仅为非限制性实例的方式描述一些实施例，在附图中:
[0017]-图1示意地示出本多形态装置的实施例的透视图，其中移除了部分；
[0018]-图2示意地示出本多形态装置的另一实施例的一部分的透视图；
[0019]-图3示意地示出图1中所示的实施例的一部分的俯视图；
[0020]-图4示出在组装阶段期间的本多形态装置的一部分的横截面；
[0021]-图5a至图5d示出本多形态装置的外部覆盖元件的实例的透视图；以及
[0022]-图6a至图6d示出在组装时的本多形态装置的一些实施例的透视图。
[0023]本多形态装置基本上由可机械地联接到多个外部覆盖元件的中央电子单元形成，所述外部覆盖元件相对于中央电子单元形成外部布置的结构且该结构适合于被抓握或在任何情况下被处置。外部覆盖元件可具有不同形状，使得外部结构可根据需要应用不同形状，而没有必要更换或修改中央电子单元。因此，本多形态装置形成模块化结构，这使得能够改变适合与例如用户的手相互作用的表面的几何形状，而没有必要修改该表面下的电子元件。
[0024]已经谈及，图1示出由附图标号I整体指示的本多形态装置。
[0025]多形态性装置I包括上述中央电子单元2，其又包括六个横向结构4(仅四个横向结构示于图1中)。
[0026]每个横向结构4包括对应的测力元件6，其本身是已知的类型。
[0027]每个测力元件6包括(其本身是已知的)封闭支撑元件8，该封闭支撑元件作为框架，并且在其内部延伸有三个轮辐状件10，该三个轮辐状件形成为一体并布置为用于限定三对轮辐状件，每对轮辐状件形成120°的角度。在实践中，封闭支撑元件8环绕三个轮辐状件10 ;此外，每个轮辐状件10具有平行六面体形状并且在对应端部被限制到封闭支撑元件8。例如，在图1中所示的实施例中，轮辐状件10与封闭支撑元件8形成一体。
[0028]如图2中所示，即使参考不同实施例，每个轮辐状件10都配有(以其本身已知的方式)对应的传感器系统12，该传感器系统包括例如四个应变计14，这些应变计能够提供指示对应轮辐状件10上的局部应力的电信号。
[0029]中央电子单元2还包括处理单元20 (图3)，该处理单元连接到传感器系统12。因此，处理单元20在六个测力元件6之间共享。
[0030]考虑任何横向结构4，处理单元20都能够在由三个对应传感器系统12并且以其本身已知的方式供应的电信号的基础确定对应的横向结构的矢量，这些矢量包括作用在对应测力元件6上的力的三个分量以及作用在对应测力元件6上的力矩的三个分量，该力和力矩作用在测力元件6的几何中心上。例如，确定任何局部结构矢量的六个分量使得它们参考支撑元件8，并且使得当作用在测力元件6的几何中心上的前述的力和力矩为零时这六个分量为零。
[0031]再次，参考横向结构4，其中每个都包括中央区域22(图2)。因此每个