DD209519A1

DD209519A1 - Plattform zur messung mehrerer orthogonaler kraftkomponenten

Info

Publication number: DD209519A1
Application number: DD24321582A
Authority: DD
Inventors: Bernd Haerting; Manfred Zschocke; Friedrich Alvermann; Ullrich Wecker; Uwe Schattke
Original assignee: Koerperkultur Sport Forsch
Priority date: 1982-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1984-05-09

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar zur Bestimmung der orthogonal wirkenden Reaktionskraftkomponenten einer von aussen auf die Kraftmessplattenform einwirkenden Kraft, insbesondere in den Bereichen der Biomechnik, der Orthopaedie, der Arbeitsphysiologie und der Sportforschung. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Mehrkomponenten- Kraftmessplattform mit niedrigem Uebersprechverhalten der einzelnen Komponenten untereinander und gleichzeitig gegenueber dem Stand der Technik, mit vergroessertem Einsatzbereich, geringeren Herstellungs- und Servicekosten und geringerem Handhabungsaufwand. Zur Erlangung dieses Zieles sind zwischen der Trittplatte und der Fundamentplatte der Kraftmessplattform in den Eckpunkten einer dieser Platten je ein Geberblock, mit drei othogonal zueinander ansprechbaren Einkomponenten- Kraftmesselementen, und dazu in Wirkverbindung an der anderen Platte je drei einstellbare bewegliche Widerlager angeordnet.Die einstellbaren beweglichen Widerlager bestehen dabei je aus einer, in der Koordinatenrichtung der zu messenden Kraft, anstellbaren, z.B. mittels Exzenter oder Schraube, und orthogonal zu dieser Anstellbewegung geringfuegig frei beweglichen Kugel.

Description

Plattform zur Messung mehrerer orthogonaler Kraftkomponenten Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung iat anwendbar zur Bestimmung der orthogonal wirkenden Reaktionskraftkomponenten einer von außen auf die erfindungsgemäße Einrichtung wirkenden Kraft und weiterhin zur Bestimmung der von diesen Kräften erzeugten Momente in allen Bereichen der Technik, insbesondere zur Bestimmung der Bodenreaktionskräfte und deren -momente in den Bereichen der Biomechanik, der Orthopädie, der Arbeitsphysiologie und der Sportforschung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Kenntnis der Bodenreaktionskräfte nach Größe und !Richtung hat sich,in vielen Fällen der Biomechanik als unerläßlich erwiesen.

Zur Messung der orthogonal wirkenden Komponenten dieser Kräfte wurde bereits eine Mehrkomponenten-Meßplatte (DT - AS .19 52 522) vorgeschlagen, bei der zwischen zwei Montageplatten mehrere, meist je eine in den Plattformeckpunkten, piezoelektrische Mehrkomponenten-Meßzelle eingespannt sind. Die Sinspannung wirkt dabei gleichseitig auf die Meßzellen als Vorspannung. Bei. einer von außen auf die Einrichtung einwirkenden Kraft (Meßkraft) werden die in den Mehrkomponenten-Meßzellen enthaltenen drei piezoelektrischen Systeme entsprechend der Komponente nrichtunge η dieser Meßkraft selektiv angesprochen und liefern ein der Komponentengröße entsprechendes Signal. lach

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erfolgter elektronischer Signalverarbeitung werden die drei Komponenten der Meßkraft und/oder die auf die Meßplattform wirkenden Momente angezeigt oder registriert.

Hachteil dieser vorgeschlagenen Mehrkomponenten-Meßplattform mit piezoelektrischen Zellen ist es, daß mit ihnen keine statischen Kraftmessungen vorgenommen werden können· Zur Nutzung der Plattform für quasi-statische Messungen ist ein hoher gerätetechnischer Aufwand erforderlich; auch die Handhabung wird sehr kompliziert. Für die gleichmäßige Einspannung (Vorspannung) der Geber zwischen den zwei Platten und der gleichmäßigen Kraftverteilung (meist liegt hier ein statisch unbestimmtes System vor) einer von außen einwirkenden Kraft sind hohe fertigungstechnische Forderungen zu erfüllen, wodurch die Herstellungskosten relativ sehr groß werden; weiterhin ist durch die individuelle Anpassung der einzelnen Geber ein Austausch eines defekten Gebers nur im Fertigungsbetrieb und hier wieder nur mit hohem Kostenaufwand möglich·

Im Rahmen der Bemühungen zur Behebung dieser Nachteile, insbesondere zur Srmöglichung der statischen Messungen sind auch Kraftmeßplattform-Iösungen vorgeschlagen bzw. bekannt geworden, bei denen zwischen den beiden Platten (Fundament- und Trittplatte) mit Metall- oder Halbleiterdehnmeßstreifen (DMS) beklebte Federelemente angeordnet sind·

Erfolgreich haben sich hiervon Lösungen zur Messung nur einer

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Kraftkomponente, meist der vertikalen Kraftkomponente, durchgesetzt, z· B. als Brücken- oder Plattformwaagen.

Vorgeschlagene Mehrkomponenten-Meßplattformen mit induktiven, kapazitiven oder elektromechanischen (DMS) Feder-Kraftmeßelementen (z. B. DS - AS 24 03 779) konnten bisher den Anforderungen der Biomechanik nicht gerecht werden; bei diesen Lösungen ist die Kopplung der Geber für die verschiedenen Komponenten ungünstig gelöst, so daß hier ein großes übersprechen der Komponenten untereinander vorliegt. Dieses Übersprechen wirkt sich in der Weise aus, daß beim Einwirken einer äußeren Kraft in Richtung einer Koordinatenachse auch an den, den anderen Koordinatenachsen zugeordneten, Geberausgangen Signale auftreten. Diese, durch das übersprechen bedingten, Störsignale

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verfälschen das Meßergebnis· Ein weiterer Nachteil dieser vorgeschlagenen Mehrkomponenten-Meßplattformen ist die ungünstige Geberanordnung, wodurch die nutzbare Plattengröße stark eingeschränkt und weiterhin eine Aneinanderreihung mehrerer Kraftmeßplattformen nicht möglich ist·

Für verschiedene mehrdimensionale Kraftmeßaufgaben, so ζ·Β· für die Kraftmessung in der Robotertechnik, sind mehrachsige Kraftmeßdosen vorgeschlagen worden, so z.B· ΏΤ AS 27 27 704 oder DT AS 28 26 131.

Alle diese vorgeschlagenen Lösungen ermöglichen zwar die Messung in bzw· um mehrere Koordinatenachsen wirkenden Kräfte und Momente, jedoch sind die Bauhöhen derart groß, daß eine Verwendung für flache Baugruppen, also für Plattformen, nicht möglich ist·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Mehrkomponenten-Meßplattform mit niedrigem Übersprechverhalten der einzelnen Komponenten untereinander und vergrößertem Einsatzbereich bei der Kraft- und Momentenmessung in der Biomechanik, bei gleichzeitiger Senkung der Herstellungs- und Servicekosten, einer Verringerung des gerätetechnischen Aufwandes für die Signalverarbeitung und einer Vereinfachung in der Handhabung und Bedienung des gesamten Gerätes· Ein weiteres Ziel ist die Gestaltung relativ großer Meßplattformen zu einem großen Plattformband oder einer -fläche·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Kraftmeßplattformen mit zwei Montageplatten (Tritt- und Pundamentplatte) derart zu verändern, daß mit diesen Kraftmeßplattformen statische und dynamische Kraft- und Momentenmessungen möglich sind. Weitere Aufgaben der Erfindung sind eine günstigere Gestaltung der Kopplungsstelle der Geber für die verschiedenen Komponenten und eine Verbesserung des Verhältnisses

Plattformgrundflache zur nutzbaren Plattformfläche (Meßfläche)_t Srfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an der Unterseite der oberen Montageplatte (Trittplatte) oder an der Oberseite der unteren Montageplatte (Fundamentplatte) in den Eckpunkten dieser Platte je ein Geberblock und an der Oberbzw· Unterseite der anderen Montageplatte in deren Eckpunkten je drei einstellbare bewegliche Widerlager angeordnet sind· Zwischen unterer und oberer Montageplatte sind in der vertikalen Koordinatenrichtung ein oder mehrere Spanneinrichtungen angebracht·

Jeder Geberblock besteht aus drei orthogonal zueinander ansprechbaren Einkomponenten - Kraftmeßelementen· Diese bestehen aus einem Federkörper, z· B· der bekannte einseitig eingespannte Biegebalken mit konstanter Biegespannung und einer Anordnung zur elektrischen Messung der der aufgebrachten Kraft proportionalen Dehnung,z. B· mittels Metall- oder Halbleiterdehnmeßstreifen·

Die Kraftübertragung von der !Drittplatte auf die Fundamentplatte erfolgt über die in den drei Koordinatenrichtungen angeordneten Einkomponenten-Kraftmeßelementen und entsprechend angeordneten Widerlagern. Diese Widerlager bestehen aus einer Kugel und sind zur Justage und zur Einstellung der Vorspannung in Richtung der entsprechenden Einkomponenten-Kraftmeßelemente anstellbar, z· B· mittels Exzenter oder Schraube; für die seitliche Führung der Trittplatte und gleichzeitig als Querkraftschutz (Selektor) sind diese Kugeln zusätzlich, und zwar orthogonal zur Anste11bewegung, geringfügig frei beweglich· Die Kugeln sind in einer gehärteten Buchse geführt und diese wiederum ist in einem elastischem Material, z· B· weicher Gummi, eingebettet· Bei seitlicher Bewegung der Trittplatte, also Kraftmessung auch in den beiden anderen Koordinatenrichtungen, darf der Widerstand des elektrischen Materials nur so groß sein, daß einmal noch eine definierte lage gegeben ist und weiterhin zwischen Kugel und Einkomponenten-Kraftmefielement keine gleitende, sondern eine rollende Bewegung erfolgt·

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Eine Spanneinrichtung besteht aus einer in der einen Montageplatte gelenkig gelagerten Zugfeder und/oder Strebe sowie einem in der anderen Montageplatte angeordneten Element zum Aufbringen und Halten einer Kraft, z. B. die Elemente Keil, Exzenter oder Schraube·

Dia obere Montageplatte (Trittplatte) besitzt eine hohe Plattenstabilität und ist relativ leicht, z. B. eine Aluminiumplatte mit entsprechend angeordneten Yertiefungsrippen oder eine Verbundplatte, bestehend aus zwei Deckschichten aus dünnen Aluminiumblech oder Glasfaserlaminat mit dazwischen eingebrachten Stützkernen aus metallischen oder nichtmetallischen Waben und/oder Profilen und/oder aus einer oder mehreren Schaumstoffplatte^

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Einrichtung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Pig. 1 eine Seitenansicht der Kraftmeßplattform, mit einem Teilschnitt der Fig. 2

Pig. 2 einen Grundriß der Kraftmeßplattform, als Schnittdarstellung der Pig. 1

Pig. 3 einen Teilschnitt der Pig. 2 zur Darstellung eines Tertikalkomponenten-Kraftmeßelementes

Pig. 4 die Anordnung eines Einkomponenten-Kraftmeßelementes und ein mit diesem in Wirkverbindung stehenden Widerlagers .

Pig. 5 einen Teilsehnitt zur Darstellung der Spanneinrichtung

Pig. β Aufbau der Gerätekette.

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Auf einer rechteckigen Fundamentplatte (untere Montageplatte) sind in deren vier Eckpunkten je ein Geberblock 2 aufgeschraubt. Jeder Geberblock besteht aus einam massiven Grundkörper 3 mit daran angeschraubten drei Einkomponenten-Kraftmeßelementen 4* je ein Element für die x-, y— oder z-Kraftkoordinatenachse. AIa Einkomponenten-Kraftmeßelement 4 wurde ein einseitig eingespannter Biegebalken gewählt; zur Erzielung einer entlang des Biegebalkens gleichbleibenden Biegespannung ist der Biegebalkenquerschnitt von der Einspänneteile zum Kraftangriffspunkt hin verjüngt· Auf den zug- und druckbelasteten Flächen dieses Biegekörpers sind Halbleiterdehnmeßstreifen 5 aufgeklebt· Am massiven GrundkSrper 3 sind Auskragungen angeformt, die für die x- und y-Einkomponenten-Kraftmeßelemente 4 al3 Überlastschutz 6 dienen. Ein überlastschutz 7 für die z-Kraftmeßelemente ist durch die entsprechende Anordnung gegenüber der Fundamentplatte 1 (siege Fig· 3) gegeben·

Auf diese so vorbereitete Fundamentplatte 1 wird eine gleichgroße Trittplatte (obere Montageplatte) 8 gesetzt. An der Unterseite dieser Trittplatte, und zwar ebenfalls an deren Eckpunkten, sind je drei verstellbare bewegliche Widerlager 9 angeschraubt. Jedes der insgesamt zwölf Widerlager 9 ist im Grundaufbau etwa gleich (siehe Fig# 4): Eine gehärtete Stahlkugel 10 wird mittels Exzenter 11 und einem Zwischenzylinder 12 an die entsprechenden Einkomponenten-Kraftmeßelemente 4 angestellt, damit kann eine Justage der einzelnen Geber und weiterhin für die Geber der (horizontalen) x- und y-Kraftkoordinatenachsen auch eine entsprechende Vorspannung erzielt werden. Die Stahlkugel 10 ist in einer gehärteten Buchse 13 geführt und diese wiederum ist in einem weichen Gummi 14 eingebettet.

Zur Erzielung einer Vorspannung für die Geber der (vertikalen) z-Kraftkoordinatenachse, sowie auch zur Vermeidung eines Abhebens der Trittplatte 8 sind zwischen Trittplatte 8 und Fundamentplatte 1 sechs Spanneinrichtungen 15 (siehe Fig. 5) angeordnet·

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Eine Spanneinrichtung 15 besteht aus einem in der Trittplatte 8 befestigten Zapfen 16, auf welchem eine Strebe 17 gelenkig gelagert ist, in diese Strebe greift ein in der Pundamentplatte 1 gelagerter Spannexzenter 18 ein· Beim Einwirken einer in Richtung und Größe nicht definierten äußeren Kraft auf die Trittplatte 8 werden über die verstellbaren beweglichen Widerlager 9 die einzelnen Einkomponenten-Kraftmeßelemente 4 auf Biegung und, dementsprechend die HaIbleiterdehnmeßstreifen 5 auf Dehnung beansprucht. Auf jeden Biegekörper sind je vier Dehnmeßstreifen aufgeklebt und als Tollbrücke geschaltet· Jj¹Ur die einfache Kraftmessung sind alle vier Yollbrücken einer Koordinatenrichtung speise- als auch ausgangsseitig parallel geschaltet (siehe fig. 6) und mit einem Speise- und Komponentenspannungsteil 19 verbunden. Entsprechend der Richtung und des Angriffspunktes der äußeren Kraft liefern die Einkomponenten-Kraftmeßelemente 4 ein unterschiedlich großes elektrisches Signal. Die Summe der elektrischen Signale pro Koordinatenrichtung (Parallelschaltung) wird in einem Gleichspannungsverstärker 20 verstärkt und anschließend einem Anzeigeteil 21 und/oder einer Registriereinrichtung 22 zugeleitet·

Sollen jedoch mit der Plattform neben der Kraft (nach Größe und Richtung) auch die Momentvektorkomponenten bestimmt werden, so sind durch einen Umschalter (in Fig. 6 nicht dargestellt) die vier Vollbrüeken einer Koordinatenrichtung getrennt zu speisen und ausgangsseitig einzeln einer Verrechnungseinheit zuzuführen. Die gewonnenen elektrischen Signale werden wieder in GIeichspannungsverstärkern 20 verstärkt und anschließend den Anzeigeteilen 21 und/oder der Registriereinrichtung 22 zugeleitet.

Durch die besondere Konstruktion der Widerlager 9» die einmal in Richtung der Einkomponenten-Kraftmeßelemente 4 anstellbar und weiterhin auch rechtwinklig zu dieser Anstellbewegung bzw. Meßkoordinate geringfügig frei beweglich sind,

wirken diese Widerlager 9 gleichzeitig als seitliche Kugelführung für die Trittplatte 8, wenn diese sich um den Weg der Durchbiegung der Einkomponenten-Kraftmeßelemente 4 verschiebt. Gleichzeitig haben die Widerlager 9 die Punktion eines Querkraftsehutzes (Selektors).

Zum Schutz gegen Staub und Spritzwasser ist die Plattform mit einem Seitenschutz 23 versehen·

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1· Plattform zur Messung mehrerer orthogonaler Kraftkomponenten, mit mehreren, zwischen zwei Montageplatten angeordneten Mehrkomponenten-Kraftmeßelementen - bzw· -baugruppen, die entsprechend der einzelnen Komponenten einen auf die Plattform einwirkenden Kraftvektors selektiv ansprechen und mit einer Terstärkeranordnung verbunden sind, der eine Anzeigeanordnung nachgeschaltet ist, die sowohl eine Anzeige der von den Kraftelementen gemessenen Kraftkomponenten als auch daraus bestimmter Momentkomponenten liefert, gekennzeichnet dadurch, daß an der Unterseite der oberen Montageplatte (8) oder an der Oberseite der unteren Montageplatte (1) in den Eckpunkten dieser Platte ;je ein Geberblock (2), mit drei orthogonal zueinander ansprechbaren Einkomponenten-Kraftmeßelementen (4), und an der Ober- bzw· Unterseite der anderen Montageplatte in deren Eckpunkten je drei einstellbare bewegliche Widerlager (9)» die in lirkverbindung mit den drei Einkomponenten-Kraftmeßelementen (4) der Geberblöcke stehen, sowie weiterhin zwischen unterer und oberer Montageplatte, in der vertikalen Komponentenrichtung, ein oder mehrere Spanneinrichtungen (15) angeordnet sind,

2· Mehrkomponenten-Kraftmeßplattform nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Einkomponenten-Kraftmeßelemente (4) aus einem Federkörper, z· B. der bekannte einseitig eingespannte Biegebalken mit konstanter Biegespannung, und aus einer Anordnung zur elektrischen Deformationsmessung, z. B· mittels Metall- oder Halbleiterdehnmeßatreifen (5)> besteht.

3· Mehrkomponenten-Kraftmeßplattform nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die einstellbaren beweglichen-Widerlager (9), je aus einer, in der Koordinatenrichtung dar zu messenden Kraft, anstellbaren, z. B. mittels Ex-

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zeriter (11) oder Schraube, und orthogonal zu dieser Anstell· bewegung geringfügig frei beweglichen Kugel (10) besteht.

4. Mehrkomponenten-Kraftmeßplattform nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Kugel (10) in einer gehärteten Buchse (13) geführt und diese Buchse in einem elastischen Material (14), a. B. weicher Gummi, eingebettet ist.
5. Mehrkomponenten-Kraftmeßplattform nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spanneinrichtung (15) aus einer in der einen Montageplatte (1 ; 8) gelenkig gelagerten Zugfeder und/oder Strebe (17) sowie einem in der anderen Montageplatte angeordneten Element zum Aufbringen und Halten einer Kraft, z. B. die bekannten Elemente Keil, Exzenter (18) oder Schraube, besteht.
6. Mehrkomponenten-Kraftmeßplattform nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die obere Montageplatte (8) eine hohe Plattenstabilität aufweist und relativ leicht ist, z, B. eine Aluminiumplatte mit entsprechend angeordneten Versteifungsrippen oder eine Verbundplatte, bestehend aus zwei Deckschichten aus dünnem Aluminiumblech oder Glasfaserlaminat mit dazwischen eingebrachten Stützkernen aus metallischen oder nichtmetallischen Waben und/ oder Profilen und/oder aus einer oder mehreren Schaumstoff plat ten.

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