專利名稱：：用于失重環(huán)境下攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于力的測(cè)量領(lǐng)域，是一種測(cè)量桿受力情況的裝置，尤其是一種應(yīng)用于失重環(huán)境下人員攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置。二、
背景技術(shù)：
人在失重環(huán)境下，通常需要利用上肢攀爬來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)。這種活動(dòng)方式與普通環(huán)境下陸地上的活動(dòng)方式之間存在著很大的差異，為了方便研究失重環(huán)境下人員活動(dòng)時(shí)的生物力學(xué)特征，本發(fā)明設(shè)計(jì)了用于失重環(huán)境下人員攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種應(yīng)用于失重環(huán)境下人員攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)施加在抓桿上力的大小和方向的高精度測(cè)量。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種用于失重環(huán)境下攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置，包括支架，在支架上分別設(shè)有第一三維力傳感器和第二三維力傳感器，在第一三維力傳感器的傳力軸和第二三維力傳感器的傳力軸上連接有抓桿。本發(fā)明是由2個(gè)三維力傳感器來(lái)測(cè)量施加在抓桿上的外力，其原理為分別測(cè)得X，Y，Z三個(gè)方向的分力，設(shè)兩個(gè)三維傳感器分別測(cè)得三個(gè)方向的分力Fxl，F(xiàn)yl，F(xiàn)zl，F(xiàn)x2，F(xiàn)y2和Fz2，則每個(gè)方向的合力分別為Fx=Fxi+Fx2Py=Pyl+Py2Pz=Pzi+Pz2則抓桿所受合力為F=總+巧+。在數(shù)值上，合力值廠=^K2+F2y+F/；方向上，合力在X-Y平面上的投影與Y軸的夾角為α=arctan(Fx/Fy)，而合力與Z軸的夾角為^=Brctan^2+F；/F2)e本發(fā)明通過(guò)提出一種三維力傳感器的安裝方式，減小了傳感器受力的力臂長(zhǎng)度，從而減小了傳感器的耦合誤差，提高了力的測(cè)量精度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要2個(gè)傳感器就完成了力的大小和方向的測(cè)量。(2)不需耗費(fèi)額外的硬件和軟件開(kāi)銷，就大大減小了耦合誤差，提高了測(cè)量精度。四圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的載荷方向示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)照實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是對(duì)照實(shí)施例的載荷方向與位置示意圖。五具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，一種用于失重環(huán)境下攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置，包括支架3，在支架3上分別設(shè)有第一三維力傳感器11和第二三維力傳感器12，在第一三維力傳感器11的傳力軸111和第二三維力傳感器12的傳力軸121上連接有抓桿2；所述第一三維力傳感器11的傳力軸111的軸線與所述第二三維力傳感器12的傳力軸121的軸線平行且方向相同。當(dāng)人員進(jìn)行攀爬訓(xùn)練時(shí)，抓桿受到力的作用，分別測(cè)得2個(gè)三維力傳感器X，Y，Z三個(gè)方向的分力，設(shè)兩個(gè)三維傳感器分別測(cè)得三個(gè)方向的分力Fxl，F(xiàn)yl，F(xiàn)zl，F(xiàn)x2，F(xiàn)y2和Fz2，則每個(gè)方向的合力分別為FX=FXX+FX2Fy=Fyl+FylFz=Fzl+Fz2則抓桿所受合力為p=px+py+Fz。在數(shù)值上，合力值F=ylF2+Fy2+F22；方向上，合力在X-Y平面上的投影與Y軸的夾角為α=arctan(Fx/Fy)，而合力與Z軸的夾角為β=ax—」Fx2+Fy2/F2)，從而得到力的大小和方向。本實(shí)施例的量程為100N，第一三維力傳感器和第二三維力傳感器的量程均為100N，其信號(hào)采集電路選用了10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，則三維力傳感器滿量程時(shí)傳感器輸出為1024。抓桿長(zhǎng)度為800mm，對(duì)本抓桿測(cè)力裝置進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，載荷方向參照?qǐng)D2，載荷作用點(diǎn)位于抓桿的中點(diǎn)。首先對(duì)抓桿施加X(jué)負(fù)方向的載荷，標(biāo)定從空載開(kāi)始，每次增加20N載荷，載荷增加到100N時(shí)開(kāi)始卸載，每次減少20N直到0N，標(biāo)定結(jié)果如表1。標(biāo)定結(jié)果中，差值=輸出最大值_輸出最小值；耦合誤差=差值/量程X100%。表1載荷為X負(fù)方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>表2到表6分別是載荷為X正方向，Y負(fù)方向，Y正方向，Z負(fù)方向和Z正方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果。表2載荷為X正方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3載荷為Y負(fù)方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表4載荷為Y正方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表5載荷為Z負(fù)方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表6載荷為Z正方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由以上結(jié)果可知，兩個(gè)三維力傳感器的維間耦合較小，約為3%；對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)由于傳感器的安裝角度問(wèn)題，各方向之間的耦合與載荷的大小均成線性關(guān)系，因此可以建立載荷與耦合誤差的線性關(guān)系，對(duì)三維力傳感器的輸出進(jìn)行解耦，解耦后的測(cè)量結(jié)果精度達(dá)到了1%。為方便與本發(fā)明實(shí)施例相比較，將兩個(gè)三維力傳感器、抓桿和支架用另外一種方式安裝組成的抓桿測(cè)力裝置作為對(duì)照實(shí)施例，參照?qǐng)D3，第一三維力傳感器11的傳力軸111與第二三維力傳感器12的傳力軸相對(duì)安裝在支架3上，且上述2個(gè)傳力軸的軸線與抓桿2的軸線在同一條直線上，抓桿2兩端均與傳感器11和傳感器12固定。對(duì)照實(shí)施例的量程為100N，第一三維力傳感器和第二三維力傳感器的量程均為100N，其信號(hào)采集電路選用了10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器，則三維力傳感器滿量程時(shí)傳感器輸出為1024。抓桿長(zhǎng)度為800mm，對(duì)對(duì)照實(shí)施例進(jìn)行以下標(biāo)定試驗(yàn)，載荷方向與位置參照?qǐng)D4，載荷作用點(diǎn)位于抓桿的中點(diǎn)C。標(biāo)定從空載開(kāi)始，每次增加20N載荷，載荷增加到100N時(shí)開(kāi)始卸載，每次減少20N直到ON。標(biāo)定結(jié)果中，差值=輸出最大值_輸出最小值；耦合誤差=差值/量程X100%。表7到表9分別是對(duì)照實(shí)施例載荷為X負(fù)方向，Y負(fù)方向和Z負(fù)方向時(shí)的標(biāo)定結(jié)果。表7載荷為X負(fù)方向且作用于C處時(shí)傳感器的輸出<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表8載荷為Y負(fù)方向且作用于C處時(shí)傳感器的輸出<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>表9載荷為Z負(fù)方向且作用于C處時(shí)傳感器的輸出<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)照實(shí)施例中，當(dāng)三維力傳感器的Y或X方向受力時(shí)，Z向輸出有很大的耦合誤差，約為10%；單獨(dú)對(duì)Z向加載荷時(shí)，Z對(duì)X和Y方向的耦合較小，誤差約為3%;X和Y兩方向之間的耦合也較小，約為2%。在另一項(xiàng)試驗(yàn)中，參照?qǐng)D4，改變對(duì)照實(shí)施例上載荷的作用位置到A或B點(diǎn)，載荷方向?yàn)閅的負(fù)方向，進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，標(biāo)定結(jié)果如表10，表11。表10載荷為Y方向且作用在A處時(shí)傳感器的輸出<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表11載荷為Y方向且作用在B處時(shí)傳感器的輸出<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>由試驗(yàn)結(jié)果表7、8、9、10和11比較可知，當(dāng)砝碼懸掛在中間位置C處時(shí)，耦合誤差最大，約為10%;當(dāng)砝碼懸掛在靠近傳感器的位置時(shí)，耦合誤差最小，約為4%。因此對(duì)照實(shí)施例的傳感器輸出耦合誤差與載荷作用的位置有關(guān)即傳感器輸出會(huì)受到彎矩的影響而使誤差增大，而且由于載荷與輸出的耦合關(guān)系是不確定的，解耦計(jì)算工作量大，不易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比，本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，耦合誤差很小，易于解耦，具有測(cè)量精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。權(quán)利要求一種用于失重環(huán)境下攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置，其特征在于，包括支架(3)，在支架(3)上分別設(shè)有第一三維力傳感器(11)和第二三維力傳感器(12)，在第一三維力傳感器(11)的傳力軸(111)和第二三維力傳感器(12)的傳力軸(121)上連接有抓桿(2)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于失重環(huán)境下攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置，其特征在于所述第一三維力傳感器(11)的傳力軸(111)的軸線與所述第二三維力傳感器(12)的傳力軸(121)的軸線平行且方向相同。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種用于失重環(huán)境下攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置，屬于力的測(cè)量領(lǐng)域，是一種測(cè)量桿受力情況的裝置，尤其是一種應(yīng)用于失重環(huán)境下人員攀爬訓(xùn)練的抓桿測(cè)力裝置。本發(fā)明包括支架，在支架上分別設(shè)有第一三維力傳感器和第二三維力傳感器，在第一三維力傳感器的傳力軸和第二三維力傳感器的傳力軸上連接有抓桿。第一三維力傳感器的傳力軸的軸線與所述第二三維力傳感器的傳力軸的軸線平行且方向相同。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)施加在抓桿上的外力的測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)A63B69/00GK101832834SQ20101013381公開(kāi)日2010年9月15日申請(qǐng)日期2010年3月26日優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日發(fā)明者劉玉慶,吳涓,宋愛(ài)國(guó),康妮,徐寶國(guó),徐玉彬,許俊超,馬俊青申請(qǐng)人:東南大學(xué)