TWI360409B - Sensor arrangement for the measurement of forces a - Google Patents

Description

1360409 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種測量力量及/或力矩用的感測器裝 置’該力量及/或力矩利用一剛性的傳動器傳動，其中該 感测器裝置可利用一第一接頭與該傳動器一第一部分連 接’並利用一第二接頭與該聯動器的一第二部分連接且 設有機械電氣式感測器元件將機械參數轉換成電氣參數。 此外，本發明關於這種感測器裝置在一義肢，特别是 在一義腿中的應用。 【先前技術】 有一些習知之感測器裝置’藉之可作患者的步行分析。 由於該感測器裝置體積很大，因此它們須建入測試義肢 (Testprothese)中’這些測試義肢須儘量良好地和實際使用 的義肢相當。但由於測試義肢的結構不同以及重量性質受 感測器裝置改變，只可能作一些步行分析，它們只能很不 完整地反映出用實際上使用的義肢的步行性質。 此外，人們嘗試，將患者在其配有義肢的肢部設以一 感測器裝置，它設有加速度計，但對於該義肢在站立或似 靜止的運動中的負荷並無法測量。 在德專利DE 101 39 333 A1表行一種義肢，具一大腿 部、一膝關節、一小腿部、及一足部，其中小腿部設計成 用於容納一感測器裝置。感測器裝置用將彎應力負荷的轴 向負荷用測量技術分離《它由一框框條構成，該框具有彎 曲的側框條以測量彎應力負荷，該中間細框用於測量垂直 5 1360409 (輪向）負荷。 測疋力量及/或力矩的需求不僅對於義肢，而且也對 ;許夕其他應用領域都有，例如對於機器人手臂的設計與 控制。 【發明内容】 。本發明的目的在提供一種上述種類的感測器裝置，它 可在很小的空間上建構’且可使靜態及動態的負荷能可靠 地測量。 攻種目的在上述種類的感測器裝置，依本發明其達成 之道係使该感測器裝置有一第一突緣，從第一接頭開始， 圍、& »亥第一接頭，且该突緣經由垂直於該突緣的框條與一 第二突緣連接，該第二突緣平行於該第一突緣朝向，其中 該框條之間的中間空間比框條的寬度尺寸大，且第二接頭 认在該第二突緣上，且該感測器元件設計成用於測定拉伸 或壓縮，且設在第二突緣的二表面的至少一表面上設在框 條旁。 本發明的感測器裝置可使力量確實地從第一接頭傳送 到第二接頭（它宜設在第二突緣中心）以及從第二接頭傳送 到第一接頭，其中所傳送的力量可藉著在第二突緣上測量 最小的變形而檢知。由於利用框條在二突緣間將力量傳 送，因此變形應變集中在第二突緣的與框條相鄰的表面的 區域，且可在該處利用對於拉伸或壓縮（Stauchung)反應的 感測器元件檢出。這些框條（其長度宜超過其寬度）的作用 係將該二個突緣解除耦合（該二個突緣使力量能傳送），另 6 1360409 ‘：方面使變形集中到其中-突緣(此處為第二突緣），因此就 變形以及測量效果而言，可使二突緣解除耦合。 在本發明一較佳實施例，該用於接受拉伸及壓縮的感 測裔疋件設在第二突緣的二表面上’由於如此可區分拉伸 f壓縮，因此所傳送的力量及/或力矩的種類可以高度可 靠，測定。此外，如果該位在第二突緣的上側及下側的感 ’則益凡件用適當方式配接，則可得到較強的測量信號。 φ 在本發明一較佳實施例中，該感測器用二部分構成： 一個具有第一突緣的第一部分及一個具有第二突緣的第二 Τ分，其中該二部分可呈剛性互相連接，例如利用螺絲接 合，如果框條設有螺紋孔以容納固定螺絲，則螺絲宜穿 該框條。 感測器元件的第-接頭宜設計成帽形，具有圓柱形橫 截面，第一突緣連接到該橫截面。該帽形接頭宜可將一習 知之「調整金字塔形」搭住，且可設有貫通螺紋孔，以供 % 嵌在該調整金字塔形的平面上的調整螺絲之用。 第二接頭，舉例而言’可設以-調整金字塔形，該齒 狀構造經由一凸起的隆起部過渡到第二突緣中。 該感測器元件宜為「接伸測量條帶」，它們在本發明 一較佳實施例係被定位以接受直線狀的拉伸或壓縮。 这些宜呈直線狀的拉伸或壓縮區域可在第二突緣上藉 设置凹隙而影響其位置。這些凹隙可為圓形孔，但也可為 具有任意形狀（例如大約三角形）的外輪廓的貫通孔。 该第一及第二突緣宜具四角形輪廓，且設有四個框條 7 1360409 以將一大緣的四角連接。這些凹隙（它們被設置以將拉伸或 壓縮區域在第二突緣中定位）宜在第二接頭與框條之間亦 即沿該第二突緣（宜呈方形）的對角線方向。 利用适種結構，可以將平行於第二突緣的邊緣從凹隙 延伸的直線形拉伸或壓縮區域設計成平行於第二突緣的邊 緣’因此，為此將拉伸測量條帶定位。 本發明的感測器裝置可在很小的空間上實施，且所需 構造南度不大於2〜3 e m。 因此本發明可配合例如一種旋轉承接器 (Rotationsadapter·)的大小及重量（該旋轉承接器設在一義腿 中在義腿中在該人工膝關節上方）。這類義肢的旋轉承接 器（它可作一額外的旋轉）可直接和本發明的感測器裝置更 換，因此可在為患者隨後之應用所製的義肢上測定步行分 析所需的力量及力矩。因此，這種負荷的測定可在完成的 義肢上實施’其中可藉調整義肢而作最佳化。 本發明的感測器裝置也適用於長時建入一義肢，以作 長時期研究。 本發明在以下利用圖式所示之一實施例詳細說明。圖 式中： 【實施方式】 圖1〜6顯示一本發明的感測器裝置的一實施例的構 成。它由一第一部分⑴構成’第一部分⑴由一帽形圓柱狀 接頭（2)及一接到其上的方形突緣（3)構成。方形突緣（3)的 四角上有貫通孔（4)以供固定螺絲（圖未示）穿過。 8 1360409 帽形接頭⑺設有-圓筒形函殼壁（5)，其中有螺纹孔 ⑷’各偏離9〇。的旋轉角度。帽形接頭⑺上侧有_圓柱 形底（7) ’下侧有一圓形鍋突緣（Krempe)(8)，該鍋突緣與長 方形突緣（3)連接成一體並將之補強。 —圖2顯示該帽形接頭（2)有一設計成近乎長方形的容納 至（9)，用於容納-「調整承接器」，該調整承接器有四個 斜斜的調整面，§玄穿過螺紋孔（6)旋過去的調整螺絲壓到該 調整面上。 這種調整承接器（10)在感測器裝置的第二部分（11)上形 成。第二部分（11)有一第二方形突緣（12),其尺寸相當於第 一突緣（3)尺寸。該二突緣（3)(12)利用在第二部分上一體形 成的框條（13)互相連接，該框條在第二突緣（12)的角隅向下 延伸，因此框條沿徑向在帽形接頭（2)外倚在第一突緣 上。框條（13)由起下側起設有一螺紋盲孔，該盲孔可與第 一突緣（3)的貫通孔（4)對齊。 圖3及圖4還可看出：框條（12)具長方形橫截面，且 朝向其自由接頭及下方利用一斜部（16)變細窄，該斜部（16) 朝向二框條（13 )間一中間空間（1 5)。 調整承接器（10)位在第二突緣（12)之背向框條（13)的那 個十側上。它以習知方式設計成一倒截金字塔形，因此具 有四個斜伸的平坦調整面（18 )，該調整面可與調整螺絲配 合作調整。調整承接器（1〇)過渡到一直徑較大的套筒（19) 中 °亥套琦以一弯起的面構成一過渡區過渡到方形的第二 突緣（12)。 9 1360409 調整承接器（ίο)構成感測器裝置的一第二接頭。在第 一接頭（10)與設在第二突緣（12)角隅的框條（13)之間[亦即 沿第二方形突緣（12)對角線方向]各有一凹隙（2〇)，呈一貫 通孔形式，該張力或拉伸區域的形成（以下將說明）可受該 貫通孔影響。 / 圖5及圖6顯示由二部分⑴(")組合成的感測器裝置 的安裝狀態（但沒有固定螺絲）。圖中可看出，在第—接頭 的谷納室（9)及第二接頭之間形成的調整承接器（1〇)只需要 2〜3cm的小小構造高度。 圖7〜圖1〇以不意方式顯示經過依圖i〜圖6的感測 器裝置的-垂直剖面’ <旦以示意顯示該粘在突緣⑽的二 個表面上的拉伸測量條帶（2丨）（當作感測器元件）。 在圖7〜圖10中的上視圖顯示該拉伸測量條帶（21)定 位成使它受該直線形壓縮區域（2 2 )或拉伸區域（2 3)影響改變 其長度’因此造成不同的電阻。 圖7顯示力量沿z方向[即沿一小腿的管骨義肢的軸向] 作用的情形。在此’該位於第二突緣（12)上側的拉伸測量 條帶(21)位在壓縮區域(22)中，該壓縮區域呈直線狀從貫通 孔（20)平行於第一大緣〇 2)的邊緣朝向相鄰的邊緣延伸過 去。因此，對應設計的拉伸測量條帶（21)沿愿縮方向改變 其電阻值。 依圖8，調整承接器（1〇)被施以一力矩，該力矩繞著一 條垂直於圖面(X彳向)的軸。對於該位在上側⑼的拉伸測 量條帶（21)在力矩所朝向的那一側（見圖8中所示箭頭 1360409

Mx) ’該力矩造成壓縮，而在相反那一側，造成拉伸區域（23) 的形成。 圖9顯示在圖面（y方向）作用到調整承接器（1〇)上的側 向力量，利用§亥力量只形成垂直於所施力量的拉伸區域（23) 與壓縮區域（22)，而其餘之拉伸測量條帶（21)在第二突緣（12) 的上側不留下測量信號。 當如圖10中所示’沿z方向施加力矩Mz時，在各凹 隙（20)產生一壓縮區域（23)及一拉伸區域（22)，其中沿力矩 Mz方向看，該壓縮區域（23)各在拉伸區域（22)前方9〇。。 利用圖示之例可知’利用拉伸測量條帶（21)當作感測 器元件’可清楚地檢出各種不同之所發生的力量及力矩。 拉伸測量條帶（2 1)在第二突緣（12)下側產生的信號與該 第二突緣（12)上側（17)的拉伸測量條帶（21)的信號互補，因 此它們在適當加成時可促進測量信號加強。 【圖式簡單說明】 圖1係一感測器裝置的第一部分的一立體側視圖， 圖2係依圖1之第一部分斜斜由下往上看的立體圖， 圖3係一感測器裝置的第二部分的立體側視圖， 圖4係依圖3第二部分斜斜由下往上看的立體圖， 圖5係由該二部分組合的感測器裝置的立體側視圖， 圖6係依圖5的感測器裝置斜斜由下往上看的立體圖， 圖7係該感測器裝置之示意剖面圖，顯示一軸向負荷（z 方向）’並示意顯示第二突緣上的直線形壓縮區域， 圖8係圖7之示意圖’顯示繞一水平軸軸）的力矩’ 11 1360409 (22) 直線形壓縮區域 (23) 拉伸區域

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Claims (1)

1. 十、申請專利範圍： 100年11月分日修正替換頁 K-種測量力量及/或力矩用的感測器裝置，該力量及 或力矩利用一剛性的傳動器傳動，纟中該感測器裝置可 利用-第-接頭（2)與該傳動器—第—部分連接，並利用一 弟二接頭與該傳動器的-第二部分連接，設有機械電氣 式感測器元件將機械參數轉換成電氣參數，其特徵在：該 感測器裝置有一第-突緣(3)，從第-接頭開始，圍繞該第 -接頭（2)，且該第—突緣（3)經由垂直於該第—突緣⑺的框 條（13)與-第二突緣（12)連接，該第二突緣（12)平行於該第 一突緣（3)朝向，其中該框條（13)之間的+ μ空間（15)比框條 (13) :度尺寸大’且第二接頭（1G)^在該第二突緣（η) 上，且該感測器元件設計成用於測定拉伸或壓縮，且設在 第二突緣（12)的二表面的至少一表面上設在框條（13)旁。 2 ·如申請專利範圍第1項之感測器裝置，其中： 該感測器元件設在第二突緣（12)的兩側以接收拉伸或 壓縮。 3_如申請專利範圍第丨或第2項之感測器裝置，其中： 該感測器裝置由二部分構成：一個具有第一突緣（3)的 第一部分（1)及一個具有第二突緣（12)的第二部分（11)，該二 部分（1)(11)可互相呈剛性連接。 4. 如申請專利範圍第3項之感測器裝置，其中： 該框條（13)設有螺紋孔（14)以容納固定螺絲。 5. 如申請專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中： 該第一接頭（2)設計成帽形，具圓柱形橫截面，第一突 14 1360409 100年11月4日修正替換頁 緣（3)接到該橫截面。 6. 如申請專利範圍第i或第2項之感測器裝置其中： 該第二接頭以一凸出之隆起部過渡到第二突緣（12)。 7. 如申請專利範圍第丨或第2項之感測器裝置，其中： 該感測器元件（2 1)為拉伸測量條帶。 8. 如申請專利範圍第7項之感測器裝置，其中： 當作感測器元件的該拉伸測量條帶被定位以檢出直線 式拉伸或壓縮。 9. 如申請專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中： 該第二突緣（12)具有凹隙（2〇)以將拉伸區域（23)及壓縮 區域（22)定位。 10. 如申請專利範圍第8項之感測器裝置，其中： 該第一突緣（3)及第二突緣（12)具四角形輪廟，且設有四 個框條（13)。 1 1 ·如申请專利範圍第1 0項之感測器裝置，其中： 四個凹隙（2G)沿對角線方向設在第二接頭與框條（13)之 間。 12·士申叫專利範圍第丨丨項之感測器裝置，其中： 有拉伸測里條帶（2 1)被定位以檢出由凹隙（2〇)平行於 第二突緣（12)的邊緣延伸的拉伸或壓縮。 广如申明專利範圍第1或第2項之感測器裝置，其中： 第接頭3又在感測器裝置成對準第二突緣（丨2)的中 心 〇 15 1 4.如申請專利範圍笛彳十@。 2 祀固弟1或第2項之感測器裝置，其中： 1360409 ------------ ---- 100年II月f日修正替換頁 其係用於一A -----—» 工 工肢體’特別是在義腿中七兮 肢體的可拆卸的構件，此感測器裝二構二:公 15.如申請專利範圍第1或第2項之感測器 、 其係用於取代 D衣罝，其申： 人工義腿的一旋轉承接器。

   如 圖式： 次頁 16 1360409 Ο

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