CN101296674B - 用于测量力和/或力矩的传感装置和这种传感装置的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量力和/或力矩的传感装置，所述力和/或力矩借助于一刚性的传递件进行传递，其中，该传感装置可借助于一个第一接头(2)与传递件的一个第一部件连接并且可借助于一个第二接头(10)与该传递件的一个第二部件连接并且装备有机电的传感元件(21)以将机械参数转换为电参数，在小尺寸的情况下通过以下方式使得精确测量成为可能，即该传感装置具有一个从第一接头(2)起围绕该第一接头(2)的第一法兰(3)，该第一法兰通过一些垂直于该第一法兰(3)的支撑件(13)与一个平行于该第一法兰(3)定向的第二法兰(12)连接，其中，这些支撑件(13)之间的间隔(15)大于这些支撑件(13)的宽度尺寸；所述第二接头(10)设置在该第二法兰(12)上；所述传感元件被设计用于确定伸展或压缩并且在这些支撑件(13)附近设置在该第二法兰(12)的两个表面中的至少一个上。优选该传感装置使用在人造肢体中、特别是使用在人造腿中。

Description

用于测量力和/或力矩的传感装置和这种传感装置的应用
技术领域
本发明涉及一种用于测量力和/或力矩的传感装置，所述力和/或力矩借助于刚性的传递件进行传递，其中，该传感装置可借助于第一接头与该传递件的第一部件连接并且可借助于第二接头与该传递件的第二部件连接并且装备有一些机电的传感元件以将机械参数转换为电参数。
本发明还涉及这种传感装置在人造肢体、特别是在人造腿中的应用。
背景技术
已经公知了一些传感装置，借助于它们可以对患者进行行走分析。因为这些传感装置体积较大，所以它们必须被安装在测试假体中，这些测试假体应尽可能良好地与实际中使用的假体相应。但是，由于假体的其他设计和通过传感装置而改变的重量关系，仅能进行这样的行走分析，这些行走分析可能不非常完全地与实际使用假体时的行走状况相应。
此外，还尝试在患者装有假体的四肢上设置一个传感装置，该传感装置构造有加速度测量计。这种装置可以被用来分析行走动态，但是在站立时或者在几乎静止的运动时不能测量假体的负荷。
由DE101 39 333公开了一种带有大腿部、膝关节、小腿部和脚部的假体，其中，小腿部被构造用于容纳一个传感装置。该传感装置被设置用于在测量技术上区分弯曲负荷的轴向负荷。该传感装置包括一个框架，该框架包括一些弯曲的、用于测量弯曲负荷的侧支撑件和一个中心的、用于测量垂直(轴向)负荷的薄支撑件。
不仅对于假体而且对于很多其他的应用领域、例如对于机器人手臂的设计和控制存在对力和/或转矩进行确定的需要。
发明内容
因此本发明的目的在于，提出一种开头所述类型的传感装置，其能够以较小的空间构成并且使得静态负荷以及动态负荷的可靠测量成为可能。
根据本发明，该目的通过一种开头所述类型的传感装置来解决，该传感装置的特征是，该传感装置具有一个从第一接头起围绕该第一接头的第一法兰，该第一法兰通过一些垂直于该第一法兰的支撑件与一个平行于该第一法兰定向的第二法兰连接，其中，支撑件之间的间隔大于支撑件的宽度尺寸；所述第二接头设置在该第二法兰上；所述传感元件被设计用于确定伸展或压缩并且被靠近支撑件地设置在该第二法兰的两个表面中的至少一个上。
本发明的传感装置允许力从第一接头到优选设置在第二法兰中心处的第二接头的可靠传递并且反过来，其中，传递的力可以通过测量第二法兰上的最小变形来获知。由于力在两个法兰之间借助于支撑件传递，因而变形将集中在第二法兰的邻近所述支撑件的表面区域中并且可以在那里利用对伸展或压缩做出反应的传感元件进行检测。其长度优选超过其宽度尺寸的支撑件引起这两个法兰的脱联，它使得力的传递成为可能，另一方面，变形集中在这些法兰之一上、在此集中在第二法兰上，以至于在变形方面、即在测量效果方面实现这两个法兰的脱联。
在本发明的一个优选的实施形式中，用于传感伸展和压缩的传感元件被设置在第二法兰的两个表面上。通过伸展和压缩之间的由此实现的区分，能够以更高的可靠性确定所述传递的力和/或力矩的类型。此外，可能的是，当这些处于第二法兰的上表面和下表面上的传感元件以合适的方式彼此接线时，获得增强的测量信号。
在本发明的一个优选的实施形式中，该传感装置两件式地以一个包括所述第一法兰的第一部件和一个包括所述第二法兰和所述支撑件的第二部件构成，其中，这两个部件刚性地、例如通过螺钉连接、彼此连接。当所述支撑件设有用于容纳固定螺钉的螺纹孔时，所述螺钉连接可以优选通过这些支撑件实现。
该传感装置的第一接头优选帽状地构造有圆筒形的横截面，第一法兰连接在其上。该帽状接头可以优选跨接(übergreifen)一个公知的调整角锥并且设有用于一些作用在调整角锥的平坦面上的调整螺钉的贯穿螺纹孔。
第二接头可以例如构造有一个调整角锥，该调整角锥通过一个凸拱部过渡到第二法兰。
优选这些传感元件是电阻应变片，这些电阻应变片在本发明的一个优选的实施形式中被定位，用于传感线状的伸展或压缩。
可以通过在第二法兰上在这些优选线状的伸展或压缩区域的位置中设置空槽来影响所述伸展或压缩区域。这些空槽可以是圆孔，但也可以是具有任意外轮廓、例如三角形外轮廓的穿通开口。
优选第一和第二法兰具有四边形的轮廓，并且设置四个支撑件以便在这两个法兰的角部上连接这两个法兰。被设置用于定位第二法兰中的伸展区域或压缩区域的空槽优选位于第二接头和这些支撑件之间，即沿着优选正方形的第二法兰的对角线的方向。
通过这种结构可以实现，平行于第二法兰的边缘地构造由这些空槽延伸的、平行于第二法兰的边缘的、线状伸展区域或压缩区域。
本发明的传感装置能够以非常小的空间实现并且需要不大于2-3cm的结构高度。
因此，本发明的传感装置可以适配于例如旋转接头(Rotationsadapter)的尺寸和重量，该旋转接头在假腿中设置在人造膝关节的紧上方。这种假体的使得附加的旋转成为可能的旋转接头可以容易地与本发明的传感装置进行更换，使得可以在被制造用于患者的接下来的使用的假体上确定对于行走分析所需的力和力矩。因此，负荷的确定可以在最终的假体上进行，其中，通过假体的调整可以实现最优化。
本发明的传感装置也适合于长时间安装在假体中，以便实施长时间的试验。
附图说明
下面根据图中所示的实施例详细说明本发明。其中：
图1是一个传感装置的第一部件的立体侧视图，
图2是从斜下方观察图1中第一部件的立体视图，
图3是一个传感装置的第二部件的立体侧视图，
图4是从斜下方观察图3中第二部件的立体视图，
图5是由这两个部件组装成的传感装置的立体侧视图，
图6是从斜下方观察图5中传感装置的立体视图，
图7是轴向负荷(z方向)时传感装置的示意性剖视图，包括第二法兰上的线状压缩区域的示意图，
图8是绕着一个水平轴线(x轴线)的转矩时根据图7的示图，
图9是侧向力起作用时根据图7的示意图，
图10是绕着一个垂直的轴线(z轴线)的转矩时根据图7的示意图。
具体实施方式
图1-6示出一个本发明传感装置的实施例的结构。其包括一个第一部件1，该第一部件由一个帽状的圆筒形接头2和一个与该接头连接的正方形法兰3构成。该正方形法兰3在其角部上具有用于(未示出的)固定螺钉的通孔4。
该帽状的接头2构造有一个圆筒形的外套壁5，在该外套壁中具有分别错开90°的转角的螺纹孔6。该帽状的接头2在其上表面上具有一个圆筒形的底部7并且在其下表面上具有一个圆环形的帽檐8，该帽檐与矩形的法兰3连接成一体并且使该法兰得到加强。
图2示出，该帽状的接头2具有一个近似矩形构成的容纳空间9，该容纳空间用于容纳一个调整适配器，该调整适配器具有四个倾斜的调整面，穿过螺纹孔6拧入的调整螺钉压在所述调整面上。
这种调整适配器10构造在该传感装置的一个第二部件11上。该第二部件11具有一个正方形的第二法兰12，该第二法兰的尺寸与第一法兰3的尺寸相等。这两个法兰3、12通过一体地成形在所述第二部件上的支撑件13彼此连接，这些支撑件在第二法兰12的角部上向下延伸，以至于这些支撑件在所述帽状接头2的径向外部被放置在第一法兰3上。这些支撑件13分别设有一个起始于其下表面的螺纹盲孔，这些螺纹盲孔可以与第一法兰3的通孔4对准。
从图3和4还可看出，所述支撑件13具有矩形横截面并且向着其自由端、即向下通过一个指向两个支撑件13之间的间隔15的斜面16变细。
调整适配器10位于第二法兰12的背离支撑件13的上表面17上。该调整适配器以本身公知的方式以颠倒的角锥台的形状构成并且从而具有四个倾斜延伸的、平坦的调整面18，这些调整面为了调整的目的可以与调整螺钉共同作用。该调整适配器10过渡为一个具有增大的直径的底座19，该底座以一个拱出的面产生一个到所述正方形的第二法兰12的过渡。
该调整适配器10构成该传感装置的第二接头。在该第二接头10与设置在第二法兰12的角部中的支撑件13之间、从而在所述正方形的第二法兰12的对角线方向上分别设有一个通孔形式的空槽20，通过这些空槽可以影响下面还要详细描述的应力范围或应变范围的形成。
图5和6示出由这两个部件1、11组装成的、在装配状态中(但是不具有固定螺钉)的传感装置。可以看出，在第一接头2的容纳空间9与构成第二接头的调整适配器10之间仅仅需要小的、2-3cm的结构高度。
图7-10分别示意性示出剖割所述图1-6中的传感装置的垂直剖面图，但是具有粘接在法兰12的两个表面上作为传感元件的应变测量计21的示意性示图。
在图7-10中分别处于下面的俯视图示出电阻应变片21的定位，所述电阻应变片通过线状的压缩区域22或伸展区域23改变其长度，从而给出改变的电阻。
图7示出一个力沿着z方向、即沿着一个用于小腿的管状骨架假体的轴向作用的情况。在此，位于第二法兰12的上表面17上的电阻应变片21处于压缩区域22中，这些压缩区域线状地从所述通孔20平行于第二法兰12的边缘地分别向着邻近的边缘延伸。因此，被相应地定向的电阻应变片21沿压缩方向改变其电阻值。
根据图8，调整适配器10被加载一个绕着一垂直于图纸平面(x方向)的轴线的转矩。该转矩对于位于上表面17上的电阻应变片21在该转矩所指向(参见图8中示出的箭头Mx)的一侧上导致一个压缩，而该转矩在相反的一侧上导致伸展区域23的形成。
图9示出沿图纸平面(y方向)作用在调整适配器10上的侧向力，通过该力仅形成垂直于该作用力的伸展区域23和压缩区域22，而在第二法兰12的上表面12上的其余的电阻应变片21保持没有测量信号。
在图10中所示的沿z方向作用的转矩Mz的情况下，在每个空槽20上产生一个压缩区域22和一个伸展区域23，其中，沿着该转矩Mz的方向看，压缩区域23分别以90°位于伸展区域前面。
借助于所述的实施例可以看出，以电阻应变片21作为传感元件可以单义地检测出现的各种力和力矩。
位于第二法兰12的下表面上的电阻应变片21分别给出一些信号，这些信号与位于该第二法兰12的上表面17上的电阻应变片21的信号互补，以至于它们在合适的相加时可以有助于测量信号的加强。

Claims (16)

1.一种用于测量力和/或力矩的传感装置，所述力和/或力矩被借助于刚性的传递件传递，其中，该传感装置可借助于一个第一接头(2)与传递件的一个第一部件连接并且可借助于一个第二接头(10)与该传递件的一个第二部件连接并且装备有机电的传感元件(21)以将机械参数转换为电参数，其特征在于：该传感装置具有一个从第一接头(2)起围绕该第一接头(2)的第一法兰(3)，该第一法兰通过一些垂直于该第一法兰(3)的支撑件(13)与一个平行于该第一法兰(3)定向的第二法兰(12)连接，其中，这些支撑件(13)之间的间隔(15)大于这些支撑件(13)的宽度尺寸；所述第二接头(10)设置在该第二法兰(12)上；所述传感元件被设计用于确定伸展或压缩并且在这些支撑件(13)旁设置在该第二法兰(12)的两个表面中的至少一个上。
2.按权利要求1所述的传感装置，其特征在于：这些传感元件(21)被设置在第二法兰(12)的两个表面上以便传感伸展或压缩。
3.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：该传感装置两件式地由一个具有所述第一法兰(3)的第一部件(1)和一个具有所述第二法兰(12)的第二部件(11)构成并且这些部件(1，11)可刚性地彼此连接。
4.按权利要求3所述的传感装置，其特征在于：所述支撑件(13)设有用于接收固定螺钉的螺纹孔(14)。
5.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：该第一接头(2)帽状地构造有圆筒形的横截面，第一法兰(3)连接在该第一接头上。
6.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：该第二接头(10)通过一个凸拱部过渡到第二法兰(12)。
7.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：这些传感元件(21)是电阻应变片。
8.按权利要求7所述的传感装置，其特征在于：这些电阻应变片(21)被定位以便传感线状的伸展或压缩。
9.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：该第二法兰(2)具有一些用于定位伸展区域(23)和压缩区域(22)的空槽(20)。
10.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：该第一法兰(3)和第二法兰(12)具有四边形的轮廓；所述支撑件(13)的数量为四个。
11.按权利要求10所述的传感装置，其特征在于：在第二接头(10)与这些支撑件(13)之间沿对角线方向设置了四个空槽(20)。
12.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：这些传感元件(21)是电阻应变片，该第二法兰(2)具有一些用于定位伸展区域(23)和压缩区域(22)的空槽(20)，这些电阻应变片(21)被定位以便传感从所述空槽(20)平行于第二法兰(12)的边缘延伸的伸展或压缩。
13.按权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于：该第二接头(10)设置在第二法兰(12)的中心处。
14.按权利要求1-13中任一项所述的传感装置在人造肢体中的应用，来代替人造肢体的可拆下的构件，该传感装置适配于该人造肢体的尺寸。
15.按权利要求14所述的传感装置在人造肢体中的应用，其中所述人造肢体是人造腿。
16.按权利要求15所述的传感装置在人造肢体中的应用，其中所述传感装置代替人造腿的旋转接头。
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