CN111595501A - 倾斜测力装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种倾斜测力装置，包括：测量系统、支撑系统、固定支架、角位移传感器和处理系统；其中，测量系统用于测量施力对象对测量系统施加的力矩，并输出至处理系统；支撑系统的一端安装在固定支架上，另一端安装在测量系统上，通过支撑系统的伸缩带动测量系统绕固定支架转动；角位移传感器安装在固定支架与测量系统的转动连接处，用于测量测量系统与固定支架的延长线所成的夹角，并输出至处理系统；处理系统用于根据扭矩传感器测量的力矩与角位移传感器测量的角度值，计算施力对象的重量及所施加的力的大小。本发明可以实现全方位的倾斜测力(水平、垂直、倾斜力均可)，适用于医疗康复及工业等领域。

Description

倾斜测力装置

技术领域

本发明涉及力测量技术领域，特别涉及一种在倾斜状态下检测重量/力的装置。

背景技术

在医疗康复领域中，经常需要测量倾斜状态下的受力大小，例如在颈腰部的康复训练中，在患者的颈腰部运动到不同角度时，会要求实时反馈训练负荷的大小；在工业领域中，会要求测量倾斜吊挂的货物的重量，如在单臂塔吊搬运货物的过程中测量被吊货物的重量，可以减少称重环节，节省工作时间，提高工作效率。

因此，急需一种能够在倾斜状态下测量重量/力的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种倾斜测力装置，可在不同倾斜角度下实时测量重量/力。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种倾斜测力装置，包括：测量系统、支撑系统、固定支架、角位移传感器和处理系统；其中，测量系统用于测量施力对象对测量系统施加的力矩值T，并输出至处理系统；支撑系统的一端安装在固定支架上，另一端安装在测量系统上，通过支撑系统的伸缩带动测量系统绕固定支架转动；角位移传感器安装在固定支架与测量系统的转动连接处，用于测量测量系统与固定支架的延长线所成的夹角θ，并输出至处理系统；处理系统用于根据测量系统测量的力值F与角位移传感器测量的角度值θ计算施力对象的重量施力对象对测量系统施加的力。

优选地，测量系统包括第一异形构件、第二异形构件和扭矩传感器，第一异形构件的一端与第二异形构件的一端转动连接，第一异形构件的另一端吊挂重物或与人接触，第二异形构件的另一端与固定支架转动连接，扭矩传感器固定在第二异形构件上并与第一异形构件间隙配合，用于测量施力对象对第一异形构件施加的力矩值F。

优选地，第一异形构件与第二异形构件交叉设置，第一异形构件与第二异形构件的交叉处通过轴承转动连接。

优选地，轴承安装在轴承端块内，在轴承端块上通过螺钉安装有轴承端盖。

优选地，在第二异形构件上开设弹簧孔，在弹簧孔内安放有弹簧，在弹簧顶端顶有钢珠，在第一异形构件上开设有V形槽，弹簧将钢珠顶至V形槽内。

优选地，固定支架包括旋转轴，第二异形构件通过轴承安装在旋转轴上，在轴承上安装有轴承端盖。

优选地，角位移传感器的固定端通过安装架安装在固定支架上，角位移传感器的轴侧端安装在轴承端盖上与第二异形构件同步旋转。

优选地，支撑系统为液压或气压传动系统。

优选地，处理系统通过如下公式计算出施力对象的重量G₂：

其中，G₁为第一异形构件的重量，L₁为第一异形构件的长度。

优选地，处理系统通过如下公式计算所述施力对象对测量系统施加的力F：

其中，L₁为第一异形构件的长度。

本发明能够取得以下技术效果：

(1)通过轴承与轴承端块构成的轴系结构消除扭矩传感器因加工、安装、摩擦等产生的误差，使结构无限接近理论公式，可提高本装置的测量精度。

(2)应用范围广，可以实现全方位的倾斜测力(水平、垂直、倾斜力均可)，适用于医疗康复及工业等领域。

(3)当应用于医疗康复领域中，可以在患者的颈腰部运动到不同角度时，实时反馈训练负荷的大小。

(4)当应用于工业领域中，可以在吊挂单货物的过程中测量被吊货物的重量，从而减少称重环节，节省工作时间，提高工作效率。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的倾斜测力装置的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的测量系统的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的患者施加垂直于第一异形构件方向的力的测量原理示意图；

图4是根据本发明一个实施例的重物重量的测量原理示意图；

图5是根据本发明一个实施例的任意施力方向的力的测量原理示意图。

其中的附图标记包括：测量系统1、支撑系统2、固定支架3、角位移传感器4、处理系统5、第一异形构件101、吊挂孔1011、第二异形构件102、第一轴承103、第二轴承104、第三轴承105、第一轴承端块106、第二轴承端块107、第一螺钉108、第二螺钉109、第一轴承端盖110、第二轴承端盖111、扭矩传感器112、弹簧113、钢珠114、第三轴承115、第二轴承端盖116、安装架6、重物7。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面将对本发明实施例提供的倾斜测力装置进行详细说明。

图1示出了根据本发明一个实施例的倾斜测力装置的结构。

如图1所示，本发明实施例提供的倾斜测力装置，包括：测量系统1、支撑系统2、固定支架3、角位移传感器4和处理系统5，测量系统1用于测量对测量系统施加的力矩值，输出至处理系统5；施力对象可以是吊挂在测量系统1上的重物或向测量系统1施力的患者；支撑系统2的一端安装在固定支架3上，另一端安装在测量系统1上，通过支撑系统2的伸缩带动测量系统1绕固定支架3转动；角位移传感器4安装在固定支架3与测量系统1的转动连接处，用于测量测量系统1与固定支架3的延长线所形成的夹角θ，并输出至处理系统5；处理系统5用于根据测量系统1输出的力矩值T与角位移传感器4输出的角度值θ计算重物的重量或患者对测量系统1施加的力。

固定支架3可以固定在康复器材、起重设备或移动车身上，实现倾斜测力装置的固定。

当固定支架3固定在康复器材上，通过测量系统1实时测量患者所需康复的部位在不同角度时对测量系统1所施加的力矩值，根据力矩值计算出患者所施加的力，实时反馈训练负荷的大小，通过处理系统5进行显示。

当固定支架3固定在起重设备或移动车身上，需要称重的重物吊挂在测量系统1上，通过测量系统1测量重物对自身施加的力矩值，然后传输至处理系统5，处理系统5将模拟信号转换为数字信号后计算出重物的重量。由此在吊挂重物的过程中实现对重物的称重，可以减少称重环节，节省工作时间，提高工作效率。

处理系统5可以为台式电脑、笔记本电脑、单片机等具有数据处理能力的硬件设备。

图2示出了根据本发明一个实施例的测量系统的结构。

如图2所示，测量系统1包括第一异形构件101、吊挂孔1011、第二异形构件102、第一轴承103、第二轴承104、第三轴承105、第一轴承端块106、第二轴承端块107、第一螺钉108、第二螺钉109、第一轴承端盖110、第二轴承端盖111、扭矩传感器112、弹簧113和钢珠114。

第一异形构件101和第二异形构件102均为二指叉形结构，使第一异形构件101与第二异形构件102能够交叉设置。在第一异形构件101未与第二异形构件102交叉的一端开设有吊挂孔1011，用于吊挂重物。第二异形构件102的另一端通过第三轴承114与固定支架3的旋转轴上，与固定支架3转动连接，在第三轴承114上安装有第二轴承端盖111，通过第二轴承端盖111对第二异形构件102进行定位。

第一轴承103与第二轴承104分别安装在第一异形构件101上与第二异形构件102交叉处的两个自由端，第一轴承端块106与第二轴承端块107分别安装在第二异形构件102上与第一异形构件101交叉处的两个自由端，第一异形构件101与第二异形构件102带第一轴承103、第二轴承104、第一轴承端块106、第二轴承端块107安装，将第一轴承103安装在第一轴承端块106上，以及将第二轴承104安装在第二轴承端块107中，实现第一异形构件101与第二异形构件102绕第一轴承103、第二轴承104进行转动。

在第一轴承端块106和第二轴承端块107上分别通过第一螺钉108安装有第一轴承端盖110，通过第一轴承端盖110定位第一异形构件101上与第二异形构件102的上下方位运动，使第一异形构件101上与第二异形构件102只能绕第一轴承103、第二轴承104的中心进行转动，第一轴承103与第二轴承104充当第一异形构件101上与第二异形构件102之间的转轴。

扭矩传感器112安装在第一异形构件101与第二异形构件102的交叉部位中，具体地，扭矩传感器112的固定端安装在第二异形构件102上，扭矩传感器112的测力端与左侧E型构件12间隙连接，第一异形构件101与第二异形构件102绕第一轴承103、第二轴承104旋转时，带动扭矩传感器112的测力端转动，扭矩传感器112即可测出重物/患者对第一异形构件101施加的力矩T，并传输至处理系统5。因转动的第一轴承103与第二轴承104的间隙远小于扭矩传感器112的测力端与第一异形构件101的运动间隙，因此可以消除系统摩擦等因素带来的误差，使扭矩传感器112仅第一异形构件101的自身重量带来的重量分力，使结构无限接近理论公式，通过系统换算补偿后，可精确测量其负荷重量/力。

在第二异形构件102上开设弹簧孔，弹簧113安放于弹簧孔内，在弹簧113的顶端顶有钢珠114，在第一异形构件101上开设有V形槽，弹簧113将钢珠114顶至V形槽内，使第一异形构件101与第二异形构件102在无受力时定位于零位，从而使扭矩传感器112不受外力的影响。V形槽的角度优选为120°，但不限于120°，也可以是其他角度。

支撑系统2的一端安装在固定支架3上，另一端安装在第二异形构件102上，通过支撑系统2的伸缩运动带动测量系统1绕固定支架3进行转动。支撑系统2可以为液压传动系统或气动传动系统，实现伸缩功能。

角位移传感器4的固定端通过安装架6安装在固定支架3上，角位移传感器4的轴侧端安装在第二轴承端盖116上，与第二异形构件102同步旋转，在支撑系统2带动第二异形构件102转动并固定某一角度后，通过角位移传感器4测量第二异形构件102所转动的角度，即第二异形构件102与固定支架3的延长线所成的夹角θ，并传输至处理系统5。

角位移传感器4为编码器或角度传感器等测量角度的设备。

处理系统5用于接收角位移传感器4测量的角度值θ和测量系统1测量的力矩值T，力矩值T为患者对第一异形构件101施加的力矩或为重物对第一异形构件101施加的力矩，并根据该力矩可以计算出重物的重量及患者施加垂直于第一异形构件方向的力的大小。

图3示出了根据本发明一个实施例的患者施加垂直于第一异形构件方向的力的测量原理。

如图3所示，当施力对象为患者时，通过处理系统1进行模数转换，再根据如下公式计算患者垂直对第一异形构件101施加的力F，以实施反馈患者的肌肉训练负荷大小，并进行显示。

在扭矩传感器112的测量值为T时，预先测得第一异形构件101自身质心位置为L₁/2，则有：

T₂＝F×L₁；

其中，T₁为第一异形构件101作用在第一异形构件101与第二异形构件102之间的转轴上的力矩，G₁为第一异形构件101的重量，T₂为力F作用在该转轴上的力矩，L₁为第一异形构件101的长度。

根据上述式子可以推导出：

图4示出了根据本发明一个实施例的重物重量的测量原理。

如图4所示，当施力者为重物时，通过处理系统1进行模数转换后，根据如下公式计算重物7的重量G₂：

在扭矩传感器112的测量值为T时，预先测得第一异形构件101自身质心位置为L₁/2，则有：

T₂＝G₂×sinθ×L₁；

其中，T₁为第一异形构件101作用在第一异形构件101与第二异形构件102之间的转轴上的力矩，G₁为第一异形构件101的重量，T₂为重物7作用在该转轴上的力矩，L₁为第一异形构件101的长度。

通过上式可以推出：

作为扩展，可以在第一异形构件101终端添加角度传感器，可测量附加在第一异形构件101终端的任一角度的力值N。

图5示出了根据本发明一个实施例的任意施力方向的力N的测量原理。

如图5所示，在扭矩传感器112的测量值为T时，预先测得第一异形构件101自身质心位置为L₁/2，则有：

T₂＝N×sinα×L₁；

其中，T₁为第一异形构件101作用在第一异形构件101与第二异形构件102之间的转轴上的力矩，G₁为第一异形构件101的重量，T₂为力N作用在转轴上的力矩，L₁为第一异形构件101的长度,α为力N与第一异形构件101之间的角度，α通过安装在第一异形构件101终端的角度传感器测得。

本发明能够在将重物吊挂至第一异形构件101上时，测量出重物的重量，并可加装角度传感器，可测得任意角度方向施加的力值，应用广泛，测得的数值随着传感器的增加可无限接近于真实值。可以减少称重环节，节省工作时间，提高工作效率。

本发明可以实现全方位的倾斜测力(水平、垂直、倾斜力均可)，广泛适用于医疗康复及工业等领域。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种倾斜测力装置，其特征在于，包括：测量系统、支撑系统、固定支架、角位移传感器和处理系统；其中，

所述测量系统用于测量施力对象对所述测量系统施加的力矩值T，并输出至所述处理系统；

所述支撑系统的一端安装在所述固定支架上，另一端安装在所述测量系统上，通过所述支撑系统的伸缩带动所述测量系统绕所述固定支架转动；

所述角位移传感器安装在所述固定支架与所述测量系统的转动连接处，用于测量所述测量系统与所述固定支架的延长线所成的夹角θ，并输出至所述处理系统；

所述处理系统用于根据所述测量系统测量的力矩值T与所述角位移传感器测量的角度值θ计算所述施力对象的重量或所述施力对象对所述测量系统施加的力。

2.根据权利要求1所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述测量系统包括第一异形构件、第二异形构件和扭矩传感器，所述第一异形构件的一端与所述第二异形构件的一端转动连接，所述第一异形构件的另一端吊挂所述重物或与人接触，所述第二异形构件的另一端与所述固定支架转动连接，所述扭矩传感器固定在所述第二异形构件上并与所述第一异形构件间隙配合，用于测量所述施力对象对所述第一异形构件施加的力矩值T。

3.根据权利要求2所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述第一异形构件与所述第二异形构件交叉设置，所述第一异形构件与所述第二异形构件的交叉处通过轴承转动连接。

4.根据权利要求3所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述轴承安装在轴承端块内，在所述轴承端块上通过螺钉安装有轴承端盖。

5.根据权利要求2所述的倾斜测力装置，其特征在于，在所述第二异形构件上开设弹簧孔，在所述弹簧孔内安放有弹簧，在所述弹簧顶端顶有钢珠，在所述第一异形构件上开设有V形槽，所述弹簧将所述钢珠顶至所述V形槽内。

6.根据权利要求2所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述固定支架包括旋转轴，所述第二异形构件通过轴承安装在所述旋转轴上，在所述轴承上安装有轴承端盖。

7.根据权利要求6所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述角位移传感器的固定端通过安装架安装在所述固定支架上，所述角位移传感器的轴侧端安装在所述轴承端盖上与所述第二异形构件同步旋转。

8.根据权利要求1所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述支撑系统为液压或气压传动系统。

9.根据权利要求2所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述处理系统通过如下公式计算出所述施力对象的重量G₂：

其中，G₁为所述第一异形构件的重量，L₁为所述第一异形构件的长度。

10.根据权利要求2所述的倾斜测力装置，其特征在于，所述处理系统通过如下公式计算所述施力对象对所述测量系统施加的力F：

其中，L₁为所述第一异形构件的长度。

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