RU2185094C2

RU2185094C2 - Force-measuring platform

Info

Publication number: RU2185094C2
Application number: RU99127133/14A
Authority: RU
Inventors: С.С. Слива; Д.В. Кривец; И.В. Кондратьев
Original assignee: Слива Сергей Семенович
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2002-07-20

Abstract

FIELD: medical and force-measuring platforms. SUBSTANCE: invention is related to equipment measuring supporting reactions and coordinates of center of pressure forces originated by man standing on platform. Platform can be employed in biological and mechanical examinations of balance functions of man. Force-measuring platform has force-taking plate, supports and transducers of supporting reactions. These transducers are bending sensors of parallelogram type, manufactured in cantilevers of peripheral stiffening ribs of force- taking platform resting with ends against supports through spherical washers. Separable stiffening ribs are linked to force-taking platform by rigid link with length of contact in central part larger than height of stiffening rib. EFFECT: increased accuracy in process of dynamic measurement of coordinates of center of pressure forces, reduced mass characteristics and simplified design of platform. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской и силоизмерительной технике, в частности к устройствам для измерения опорных реакций и координат центра сил давления при стоянии человека на платформе, и может использоваться для биомеханических исследований, в том числе исследований функции равновесия человека. The invention relates to medical and force-measuring equipment, in particular to devices for measuring support reactions and coordinates of the center of pressure forces when a person is standing on a platform, and can be used for biomechanical studies, including studies of the human equilibrium function.

Известно устройство для измерения опорных реакций, содержащее опорную раму, опорную плиту, винты фиксации и регулировки, генератор сигналов возбуждения, однокомпонентные пьезодатчики и блок управления. Опорная рама выполнена в виде цилиндрического кольца и снабжена датчиками горизонтальных составляющих, закрепленными с торца опорной рамы с помощью направляющих и винтов фиксации (см. описание к авторскому свидетельству СССР 1629032, МПК 5 А 61 В 5/103, опубл. 1991 г.). A device for measuring support reactions is known, comprising a support frame, a support plate, fixation and adjustment screws, an excitation signal generator, one-component piezoelectric sensors and a control unit. The supporting frame is made in the form of a cylindrical ring and is equipped with sensors of horizontal components fixed from the end of the supporting frame using guides and fixing screws (see description to USSR author's certificate 1629032, IPC 5 A 61 V 5/103, publ. 1991).

Недостаток такого устройства - конструктивная сложность, сравнительно низкая эксплуатационная надежность и сравнительно невысокая точность измерения изменений координат центра сил давления из-за отсутствия жесткой фиксации опорной плиты. The disadvantage of this device is the structural complexity, relatively low operational reliability and relatively low accuracy of measuring changes in the coordinates of the center of pressure forces due to the lack of rigid fixation of the base plate.

Авторским свидетельством СССР 1600703, МПК 5 А 61 В 5/103, 5/22, опубл. 1990 г. , защищена динамометрическая платформа, содержащая основание, на котором свободно при помощи опор трения качения установлена опорная плита, опоры трения качения выполнены в виде двух цилиндрических сегментов, между которыми установлено кольцо с тензорезисторами, между основанием и опорной плитой установлены чувствительные элементы, выполненные в виде колец с тензорезисторами. Кольца с тензорезисторами установлены при помощи пазов, выполненных по ширине кольца в цилиндрических сегментах, а цилиндрические сегменты - при помощи пазов, выполненных под ширину сегмента в основании и опорной плите. В цилиндрических сегментах, в кольцах с тензорезисторами и в основании соосно выполнены углубления, в которых установлены шарики. Такая динамометрическая платформа имеет сравнительно высокую точность при измерении сил и моментов. Однако из-за выполнения чувствительных элементов в виде колец, величина периметра которых сопоставима с геометрическими размерами опорной плиты и, из-за отсутствия жесткой фиксации опорной плиты точность измерения координат центра сил давления понижена. Copyright certificate of the USSR 1600703, IPC 5 A 61 V 5/103, 5/22, publ. 1990, a dynamometer platform is protected, containing a base on which a support plate is freely installed using rolling friction bearings, rolling friction bearings are made in the form of two cylindrical segments, between which a ring with strain gages is installed, sensitive elements are installed between the base and the base plate, made in the form of rings with strain gages. Rings with strain gauges are installed using grooves made along the width of the ring in cylindrical segments, and cylindrical segments using grooves made under the width of the segment in the base and base plate. In cylindrical segments, in rings with strain gauges and in the base, recesses are made coaxially in which balls are mounted. Such a dynamometric platform has a relatively high accuracy in measuring forces and moments. However, due to the implementation of sensitive elements in the form of rings, the perimeter of which is comparable to the geometric dimensions of the base plate and, due to the lack of rigid fixation of the base plate, the accuracy of measuring the coordinates of the center of pressure forces is reduced.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, по мнению авторов, является динамометрическая платформа для биомеханических исследований, описанная в препринте Института проблем передачи информации АН СССР "Силовые моментные датчики для робототехнических систем", авторы А. Ю. Шнейдер и др., Москва, 1986 г., стр. 14, рис. 1.7. Эта платформа (фиг.1) состоит из нижнего основания 1 и опорной плиты 2, опирающейся на четыре датчика - опоры. Упругий элемент каждого датчика включает стержень 3, один конец которого жестко закреплен в бобышке 4, а другой с опорным уголком 5, скрепленным с верхней плитой. Тензорезисторы 6 наклеены на каждый стержень и вертикальную поверхность каждого опорного уголка. Недостаток такой платформы обусловлен ее конструктивными особенностями. Для обеспечения необходимого частотного диапазона измерений верхняя плита должна обладать достаточной жесткостью, что сказывается на точностных характеристиках и массогабаритных параметрах платформы. Повышенная инерционность верхней плиты существенно снижает чувствительность и точность при динамическом измерении координат центра сил давления. The closest in technical essence to the claimed technical solution, according to the authors, is a dynamometric platform for biomechanical research, described in the preprint of the Institute of Information Transmission Problems of the Academy of Sciences of the USSR "Power Torque Sensors for Robotic Systems", authors A. Yu. Shneider et al., Moscow , 1986, p. 14, fig. 1.7. This platform (figure 1) consists of a lower base 1 and a base plate 2, based on four sensors - supports. The elastic element of each sensor includes a rod 3, one end of which is rigidly fixed in the boss 4, and the other with a reference angle 5, fastened to the upper plate. The strain gauges 6 are glued to each rod and the vertical surface of each reference corner. The disadvantage of this platform is due to its design features. To ensure the necessary frequency range of measurements, the top plate must have sufficient rigidity, which affects the accuracy characteristics and weight and size parameters of the platform. The increased inertia of the upper plate significantly reduces the sensitivity and accuracy during dynamic measurement of the coordinates of the center of pressure forces.

Технический результат от использования изобретения - повышение точности при динамическом измерении координат центра сил давления, оптимизация массогабаритных параметров платформы при упрощении конструкции. The technical result from the use of the invention is to increase accuracy in the dynamic measurement of the coordinates of the center of pressure forces, optimization of the weight and size parameters of the platform while simplifying the design.

Указанный технический результат достигается тем, что в силометрической платформе, содержащей силовоспринимающую плиту, опоры и датчики опорных реакций, датчики опорных реакций представляют собой изгибные датчики параллелограммного типа, выполненные в консолях периферийных ребер жесткости силовоспринимающей плиты, свободными концами опирающихся на опоры через сферические шайбы. The specified technical result is achieved by the fact that in a load-bearing platform containing a force-sensing plate, supports and support reaction sensors, support reaction sensors are parallelogram type bending sensors made in the consoles of peripheral stiffeners of the power-receiving plate, with free ends resting on supports through spherical washers.

Периферийные ребра жесткости силовоспринимающей плиты выполнены съемными и соединены с силовоспринимающей плитой жестким соединением, например винтовым, с длиной контакта в центральной части большей, чем высота ребра жесткости. The peripheral stiffeners of the force-sensing plate are removable and connected to the force-sensing plate by a rigid connection, for example a screw, with a contact length in the central part greater than the height of the stiffener.

Изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 показана конструкция силометрической плиты, выбранной в качестве прототипа. Figure 1 shows the design of a pressure plate selected as a prototype.

На фиг. 2 схематично изображена конструкция заявленной силометрической платформы. In FIG. 2 schematically shows the design of the claimed silometric platform.

На фиг. 3 показана конструкция заявленной силометрической платформы со съемными периферийными ребрами жесткости силовоспринимающей плиты. In FIG. 3 shows the design of the claimed silometric platform with removable peripheral stiffeners of the force-sensing plate.

На фиг.4 изображена конструкция изгибного датчика опорных реакций и его приведенная схема. Figure 4 shows the design of the bending sensor of the support reactions and its reduced circuit.

На фиг.5 показана конструкция опоры со сферическими шайбами. Figure 5 shows the construction of the support with spherical washers.

Силометрическая платформа, принятая в качестве прототипа (фиг.1), содержит основание 1, силовоспринимающую плиту 2, датчики опорных реакций в виде стержней 3, конструктивно выполненных как единое целое с бобышками 4, жестко крепленными с основанием 1. Силовоспринимающая плита 2 соединена со стержнями 3 через опорные уголки 5. Тензорезисторы 6 наклеены на каждый стержень 3 и вертикальную поверхность каждого опорного уголка 5. The force-measuring platform, adopted as a prototype (Fig. 1), contains a base 1, a force-sensing plate 2, sensors of support reactions in the form of rods 3, structurally made as a unit with the bosses 4, rigidly attached to the base 1. The force-sensing plate 2 is connected to the rods 3 through the reference angles 5. The strain gauges 6 are glued to each rod 3 and the vertical surface of each reference corner 5.

Заявленная силометрическая платформа (фиг.2) содержит силовоспринимающую платформу 2 с периферийными ребрами жесткости 7, в консолях которых конструктивно едино выполнены изгибные датчики 8 опорных реакций. Концы ребер жесткости 7 через сферические шайбы 9 опираются на опоры 10. Место расположения изгибных датчиков 8 в ребре жесткости 7 некритично, достаточно того, чтобы изгибной датчик 8 находился между областью контакта ребра жесткости 7 с силовоспринимающей плитой 2 и точкой контакта с опорой 10. The claimed silometric platform (figure 2) contains a power-sensing platform 2 with peripheral stiffeners 7, in the consoles of which the bending sensors 8 of the support reactions are structurally uniformly made. The ends of the stiffeners 7 through the spherical washers 9 rest on the supports 10. The location of the bend sensors 8 in the stiffener 7 is uncritical, it is enough that the bend sensor 8 is between the contact area of the stiffener 7 with the force-sensing plate 2 and the point of contact with the support 10.

Тензорезисторы 6 наклеены на концентраторах 11 напряжений изгибных датчиков 8 (фиг.4). Съемные периферийные ребра жесткости 7 (фиг.3) центральной частью 12, ширина которой L превышает высоту Н ребра жесткости 7, контактируют с силовоспринимающей плитой 2 и крепятся с ней, например, с помощью винтов 13. Концы 14 ребер жесткости 7 (фиг.5) опираются на опоры 10 через нижнюю 15 и верхнюю 16 сферические шайбы. Опора 10 содержит стержень 17, который фиксируется в силовом стержне 18 с помощью эластичной шайбы 19. Силовой стержень 18 скрепляется с концом 14 ребра жесткости 7 резьбовым соединением или жесткой насадкой. Одна из опор 10 имеет регулировочный элемент, изменяющий ее высоту. The strain gauges 6 are glued on the stress concentrators 11 of the bending sensors 8 (figure 4). Removable peripheral stiffeners 7 (Fig. 3) with the central part 12, the width of which L exceeds the height H of the stiffeners 7, are in contact with the power-receiving plate 2 and fastened with it, for example, using screws 13. The ends 14 of the stiffeners 7 (Fig. 5) ) rely on supports 10 through the lower 15 and upper 16 spherical washers. The support 10 includes a rod 17, which is fixed in the power rod 18 with an elastic washer 19. The power rod 18 is fastened to the end 14 of the stiffener 7 with a threaded connection or a rigid nozzle. One of the supports 10 has an adjustment element that changes its height.

Заявленная силометрическая платформа работает следующим образом. Платформу устанавливают на ровную горизонтальную площадку и регулировкой высоты опоры 10 с регулировочным элементом добиваются устойчивого положения платформы на площадке. При силовом воздействии на силовоспринимающую плиту 2, например установке человека, с датчиков 8 снимаются электрические сигналы, значения которых связаны функциональной зависимостью с величинами, соответствующими силам давления на опоры 10. Измерив значения электрических сигналов с каждого из датчиков 8, можно определить с высокой точностью координаты центра сил давления на силовоспринимающую плиту 2 относительно опор 10. The claimed silometric platform works as follows. The platform is installed on a flat horizontal platform and by adjusting the height of the support 10 with the adjusting element achieve a stable position of the platform on the site. When a force is applied to the force-sensing plate 2, for example, a human installation, the electrical signals are removed from the sensors 8, the values of which are functionally related to the values corresponding to the pressure forces on the supports 10. By measuring the values of the electrical signals from each of the sensors 8, the coordinates can be determined with high accuracy the center of pressure forces on the power-receiving plate 2 relative to the supports 10.

Заявленная силометрическая платформа в сравнении с аналогами и прототипом обеспечивает с высокой точностью измерение изменений координат центра сил давления при стоянии человека на силовоспринимающей плите. Повышение точности достигается за счет того, что:
1) датчики опорных реакций выполнены единым конструктивным элементом в периферийных ребрах жесткости силовоспринимающей плиты (исключены погрешности, вносимые элементами присоединения датчиков к силовоспринимающей плите);
2) в качестве датчиков опорных реакций использованы изгибные датчики параллелограммного типа, отличающиеся высокой чувствительностью к вертикальным составляющим приложенного к силовоспринимающей платформе силового воздействия и не чувствительные к боковым силам и крутящим моментам (исключено влияние этих составляющих на результаты измерения координат центра сил давления);
3) использованы в качестве контактирующих элементов с опорами сферические шайбы, обеспечивающие минимизацию геометрических размеров и стабильную фиксацию зоны контакта с опорой (уменьшены погрешности за счет неопределенности точки приложения опорных реакций).The claimed silometric platform in comparison with analogues and prototype provides with high accuracy the measurement of changes in the coordinates of the center of pressure forces when a person is standing on a power-sensing plate. Improving accuracy is achieved due to the fact that:
1) the sensors of the support reactions are made by a single structural element in the peripheral stiffeners of the force-sensing plate (errors made by elements connecting the sensors to the force-sensing plate are excluded);
2) parallelogram-type bending sensors used as support reaction sensors, which are highly sensitive to the vertical components of the force acting on the force-sensing platform and are not sensitive to lateral forces and torques (the influence of these components on the measurement results of the coordinates of the center of pressure forces is excluded);
3) spherical washers were used as contacting elements with supports, ensuring minimization of geometric dimensions and stable fixation of the contact zone with the support (errors were reduced due to the uncertainty of the point of application of support reactions).

Снижение весовых характеристик в сравнении с прототипом достигается за счет того, что:
- в результате использования выполненных в консолях периферийных ребер жесткости силовоспринимающей платформы изгибных датчиков параллелограммного типа отпала необходимость в повышенных требованиях к жесткости силовоспринимающей плиты;
- в результате использования в качестве контактирующих элементов с опорами сферических шайб отпала необходимость в нижнем основании, обеспечивающем жесткость опор.The reduction in weight characteristics in comparison with the prototype is achieved due to the fact that:
- as a result of using peripheral stiffening ribs made in consoles of a power-sensing platform of parallelogram bending sensors, there is no longer a need for increased rigidity requirements for a power-receiving plate;
- as a result of the use of spherical washers as contacting elements with bearings, the need for a lower base, which ensures the rigidity of the bearings, is no longer necessary.

Заявленная силовоспринимающая платформа отличается технологичностью и простотой конструкции. Силовоспринимающая плита 2 представляет литую конструкцию из легкого металла, например силумина, и не требует специальной обработки. Снимаемые ребра жесткости 7 выполнены из брусков с соотношением высоты к ширине в пределах 5:1 из сплава Д16Т и изготовляются фрезерованием. Платформа не содержит подстроечных элементов и не нуждается в регулировке при эксплуатации. Изготовленные опытные образцы заявленной силовоспринимающей платформы с габаритами 500х500 мм² и массой исследуемых объектов до 150 кг имеют вес 5-7 кг и обеспечивают измерение изменений координат центра сил давления с точностью не хуже 1%.The claimed power-sensing platform is technological and simple in design. The power-receiving plate 2 is a cast structure of light metal, for example silumin, and does not require special processing. Removable stiffeners 7 are made of bars with a height to width ratio of 5: 1 from D16T alloy and are made by milling. The platform does not contain tuning elements and does not need to be adjusted during operation. The manufactured prototypes of the claimed power-receiving platform with dimensions of 500x500 mm ² and the mass of the studied objects up to 150 kg have a weight of 5-7 kg and provide measurements of changes in the coordinates of the center of pressure forces with an accuracy of no worse than 1%.

Claims

1. A load-bearing platform containing a force-sensing plate, supports and support reaction sensors, characterized in that the support reaction sensors are parallelogram type bend sensors made in peripheral stiffness ribs of the power-receiving plate, resting on the supports with free ends through spherical washers.

2. The gravimetric platform according to claim 1, characterized in that the peripheral stiffeners of the force-sensing plate are removable and connected to the force-sensing plate by a rigid connection, for example screw, with a contact length in the central part greater than the height of the stiffener.