专利名称：用于失重环境下攀爬训练的抓杆测力装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于力的测量领域，是一种测量杆受力情况的装置，尤其是一种应用 于失重环境下人员攀爬训练的抓杆测力装置。
二背景技术：
人在失重环境下，通常需要利用上肢攀爬来实现移动。这种活动方式与普通环境 下陆地上的活动方式之间存在着很大的差异，为了方便研究失重环境下人员活动时的生物 力学特征，本实用新型设计了用于失重环境下人员攀爬训练的抓杆测力装置。
三
实用新型内容本实用新型提供一种应用于失重环境下人员攀爬训练的抓杆测力装置，该装置结 构简单，实现了对施加在抓杆上力的大小和方向的高精度测量。本实用新型采用如下技术方案一种用于失重环境下攀爬训练的抓杆测力装置，包括支架，在支架上分别设有第 一三维力传感器和第二三维力传感器，在第一三维力传感器的传力轴和第二三维力传感器 的传力轴上连接有抓杆。本实用新型是由2个三维力传感器来测量施加在抓杆上的外力，其原理为分别 测得X，Y，Z三个方向的分力，设两个三维传感器分别测得三个方向的分力Fxl，Fyl，Fzl，Fx2， Fy2和Fz2，则每个方向的合力分别为Fx = Fx, + FxlFy = Fyl + Fy2Fz = Fzl+Fz2则抓杆所受合力为F =只+巧+只。在数值上，合力值F = J巧2 + K +巧；方向上，
合力在X-Y平面上的投影与Y轴的夹角为a = arctan(Fx/Fy)，而合力与Z轴的夹角为本实用新型通过提出一种三维力传感器的安装方式，减小了传感器受力的力臂长 度，从而减小了传感器的耦合误差，提高了力的测量精度。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点(1)结构简单，只需要2个传感器就完成了力的大小和方向的测量。(2)不需耗费 额外的硬件和软件开销，就大大减小了耦合误差，提高了测量精度。
四
图1是本实用新型实施例的结构示意图。图2是本实用新型实施例的载荷方向示意图。图3是本实用新型实施例的对照实施例结构示意图。[0017]图4是对照实施例的载荷方向与位置示意图。 五具体实施方式
参照图1，一种用于失重环境下攀爬训练的抓杆测力装置，包括支架3，在支架3 上分别设有第一三维力传感器11和第二三维力传感器12，在第一三维力传感器11的传力 轴111和第二三维力传感器12的传力轴121上连接有抓杆2 ；所述第一三维力传感器11的 传力轴111的轴线与所述第二三维力传感器12的传力轴121的轴线平行且方向相同。当人员进行攀爬训练时，抓杆受到力的作用，分别测得2个三维力传感器X，Y，Z三 个方向的分力，设两个三维传感器分别测得三个方向的分力Fxl，Fyl，Fzl，Fx2，Fy2和Fz2，则每 个方向的合力分别为Fx=Fx1+Fx2Fy=Fyl+Fy2Fz = Fzl + Fz2则抓杆所受合力为F = Px+Py+民。在数值上，合力值尸二 ^Fx2+Fy2+Fz2 ；方向上， 合力在X-Y平面上的投影与Y轴的夹角为a = arctan(Fx/Fy)，而合力与Z轴的夹角为 P = arctan(^2+F； / Fz)，从而得到力的大小和方向。本实施例的量程为100N，第一三维力传感器和第二三维力传感器的量程均为 100N，其信号采集电路选用了 10位数模转换器，则三维力传感器满量程时传感器输出为 1024。抓杆长度为800mm，对本抓杆测力装置进行标定试验，载荷方向参照图2，载荷作用点 位于抓杆的中点。首先对抓杆施加X负方向的载荷，标定从空载开始，每次增加20N载荷， 载荷增加到100N时开始卸载，每次减少20N直到0N，标定结果如表1。标定结果中，差值=输出最大值_输出最小值；耦合误差=差值/量程X 100 %。表1载荷为X负方向时的标定结果 表2到表6分别是载荷为X正方向，Y负方向，Y正方向，Z负方向和Z正方向时的 标定结果。表2载荷为X正方向时的标定结果 表3载荷为Y负方向时的标定结果 表4载荷为Y正方向时的标定结果 表5载荷为Z负方向时的标定结果 表6载荷为Z正方向时的标定结果 由以上结果可知，两个三维力传感器的维间耦合较�。嘉�3% ；对测试结果进行 线性拟合，发现由于传感器的安装角度问题，各方向之间的耦合与载荷的大小均成线性关 系，因此可以建立载荷与耦合误差的线性关系，对三维力传感器的输出进行解耦，解耦后的 测量结果精度达到了 1%。为方便与本实用新型实施例相比较，将两个三维力传感器、抓杆和支架用另外一 种方式安装组成的抓杆测力装置作为对照实施例，参照图3，第一三维力传感器11的传力 轴111与第二三维力传感器12的传力轴相对安装在支架3上，且上述2个传力轴的轴线与 抓杆2的轴线在同一条直线上，抓杆2两端均与传感器11和传感器12固定。对照实施例的量程为100N，第一三维力传感器和第二三维力传感器的量程均为 100N，其信号采集电路选用了 10位数模转换器，则三维力传感器满量程时传感器输出为 1024。抓杆长度为800mm，对对照实施例进行以下标定试验，载荷方向与位置参照图4，载荷 作用点位于抓杆的中点C。标定从空载开始，每次增加20N载荷，载荷增加到100N时开始卸 载，每次减少20N直到ON。标定结果中，差值=输出最大值-输出最小值；耦合误差=差值/量程X 100 %。表7到表9分别是对照实施例载荷为X负方向，Y负方向和Z负方向时的标定结果表7载荷为X负方向且作用于C处时传感器的输出[0050] 表8载荷为Y负方向且作用于C处时传感器的输出 表9载荷为Z负方向且作用于C处时传感器的输出 由以上试验数据可知，对照实施例中，当三维力传感器的Y或X方向受力时，Z向 输出有很大的耦合误差，约为10% ；单独对Z向加载荷时，Z对X和Y方向的耦合较小，误差 约为3 % ;X和Y两方向之间的耦合也较小，约为2 %。在另一项试验中，参照图4，改变对照实施例上载荷的作用位置到A或B点，载荷方 向为Y的负方向，进行标定试验，标定结果如表10，表11。表10载荷为Y方向且作用在A处时传感器的输出 表11载荷为Y方向且作用在B处时传感器的输出 由试验结果表7、8、9、10和11比较可知，当砝码悬挂在中间位置C处时，耦合误差 最大，约为10%;当砝码悬挂在靠近传感器的位置时，耦合误差最�。嘉�4%。因此对照实 施例的传感器输出耦合误差与载荷作用的位置有关即传感器输出会受到弯矩的影响而使 误差增大，而且由于载荷与输出的耦合关系是不确定的，解耦计算工作量大，不易实现。通过对比，本实用新型所述结构相对于其他结构来说，耦合误差很小，易于解耦， 具有测量精度高，结构简单和易于实现的特点。
权利要求一种用于失重环境下攀爬训练的抓杆测力装置，其特征在于，包括支架(3)，在支架(3)上分别设有第一三维力传感器(11)和第二三维力传感器(12)，在第一三维力传感器(11)的传力轴(111)和第二三维力传感器(12)的传力轴(121)上连接有抓杆(2)。
2.根据权利要求1所述的用于失重环境下攀爬训练的抓杆测力装置，其特征在于所述 第一三维力传感器(11)的传力轴(111)的轴线与所述第二三维力传感器(12)的传力轴 (121)的轴线平行且方向相同。
专利摘要本实用新型公开了一种用于失重环境下攀爬训练的抓杆测力装置，属于力的测量领域，是一种测量杆受力情况的装置，尤其是一种应用于失重环境下人员攀爬训练的抓杆测力装置。本实用新型包括支架，在支架上分别设有第一三维力传感器和第二三维力传感器，在第一三维力传感器的传力轴和第二三维力传感器的传力轴上连接有抓杆。第一三维力传感器的传力轴的轴线与所述第二三维力传感器的传力轴的轴线平行且方向相同。本实用新型实现了对施加在抓杆上的外力的测量，具有结构简单，测量精度高的优点。
文档编号G01L1/00GK201615806SQ201020142480
公开日2010年10月27日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者刘玉庆, 吴涓, 宋爱国, 康妮, 徐宝国, 徐玉彬, 许俊超, 马俊青 申请人:东南大学
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