[发明专利]一种力分布测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种力分布测量装置，其特征是：所述测量装置(1)是由平板(2)和四个结构相同且两两在一个水平线上的支撑梁(3)构成，每个支撑梁(3)上设有两个弹性体，所述两个弹性体是分处在沿着支撑梁(3)的长度方向的不同位置上，令：处在支撑梁首端一侧的弹性体为首端弹性体，处在支撑梁末端一侧的弹性体为末端弹性体；

所述平板(2)为矩形平板，在所述测力装置(1)上建立的三维坐标系是以矩形平板的底面的中心点为坐标原点，沿矩形平板的长度方向为X向，沿矩形平板的宽度方向为Y向，沿矩形平板的厚度方向为Z向；

所述平板(2)或为圆形平板，在所述测力装置(1)上建立的三维坐标系是以圆形平板的底面的中心点为坐标原点，任一径向定义X向，另一径向且垂直于X向为Y向；沿平板(2)的厚度方向为Z向；

支撑梁(3)设置在平板(2)的底面用于对平板(2)形成Z向支撑；各支撑梁(3)的首端与平板(2)固定连接，支撑梁(3)的末端作为所述测量装置的支撑点。

2.根据权利要求1所述的力分布测量装置，其特征是：在所述支撑梁(3)上设置通孔(4)，利用所述通孔(4)形成所述弹性体，所述通孔(4)为圆形孔，或为长圆形孔，或为腰形孔。

3.根据权利要求1所述的力分布测量装置，其特征是：针对所述平板(2)为矩形平板，四个支撑梁(3)均沿X向设置，且两两对称分布在平板(2)的两端，处在同一端的两个支撑梁(3)相互之间形成有Y向间隔，并以X轴为对称轴相互对称；使四个支撑梁(3)分处在平面坐标XOY的四个象限中，令：处在第一、第二、第三和第四各象限中的支撑梁依次为第四梁(3d)、第一梁(3a)、第二梁(3b)和第三梁(3c)；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：

第一梁与第二梁中首端弹性体X向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称；

第一梁与第四梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第四梁中末端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中首端弹性体Y向对称，第二梁与第三梁中末端弹性体Y向对称。

4.根据权利要求1所述的力分布测量装置，其特征是：针对所述平板(2)为矩形平板或为圆形平板，四个支撑梁(3)关于平板(2)的中心呈十字对称，第一梁和第二梁分布在X轴向上，第三梁和第四梁分布在Y轴向上；以坐标原点为对称中心，形成如下各对称结构：第一梁与第二梁中首端弹性体Y向对称，第一梁与第二梁中末端弹性体Y向对称，第三梁与第四梁中首端弹性体X向对称，第三梁与第四梁中末端弹性体X向对称。

5.一种权利要求3或4所述的力分布测量装置的测量方法，其特征是：在各支撑梁(3)的表面按如下位置粘贴应变片：

对应于第一梁(3a)上首端弹性体的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R11和R12；对应于第一梁(3a)上末端弹性体的中心位置，在第一梁(3a)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R13和R14；

对应于第二梁(3b)上首端弹性体的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R21和R22；对应于第二梁(3b)上末端弹性体的中心位置，在第二梁(3b)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R23和R24；

对应于第三梁(3c)上首端弹性体的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R31和R32；对应于第三梁(3c)上末端弹性体的中心位置，在第三梁(3c)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R33和R34；

对应于第四梁(3d)上首端弹性体的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R41和R42；对应于第四梁(3d)上末端弹性体的中心位置，在第四梁(3d)的上表面和下表面一一对应贴有应变片R43和R44；

各应变片均沿支撑梁的长度方向进行设置；所述测量装置的测量方法是：

以应变片R11和R12构成第一惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₁₁；

以应变片R13和R14构成第二惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₁₂；

以应变片R21和R22构成第三惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₂₁；

以应变片R23和R24构成第四惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₂₂；

以应变片R31和R32构成第五惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₃₁；

以应变片R33和R34构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₃₂；

以应变片R41和R42构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₄₁；

以应变片R43和R44构成第六惠斯通半桥信号检测电路，并输出检测信号U₄₂；

建立所述检测信号与平板表面压力的数学模型为：C·F＝M；

基于将平板上的作用力等效为一个或两个法向力，按如下方式一和方式二实现力的测量：

方式一：基于将平板上的作用力等效为一个法向力，按如下方式获得所述一个法向力的大小和位置：

系数矩阵C是通过标定获得的3×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，所述等效力向量F由式(1)所表征：

所述检测信号向量M是由在检测信号U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁、U₄₂中选取的三个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最多选取一个检测信号；

所述检测信号向量M可以是：

式(1)中，F_z为平板上的等效法向作用力，(x，y)是平板上等效法向作用力F_z在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点，利用数学模型C·F＝M，根据各检测信号，获得等效于平板(2)上的一个法向力的大小和位置分别为：F_z和(x，y)；

方式二：基于将平板上的作用力等效为两个法向力，按如下方式分别获得所述两个法向力的大小和位置：

系数矩阵C是通过标定获得的6×16的常数矩阵，F为等效力向量，M为检测信号向量，所述等效力向量F由式(2)所表征：

所述检测信号向量M是由在检测信号U₁₁、U₁₂、U₂₁、U₂₂、U₃₁、U₃₂、U₄₁、U₄₂中选取的六个不同的检测信号所构成，且每个支撑梁上最少选取一个检测信号；

所述检测信号向量M可以是：

式中：F_z1和F_z2为平板上两个不同的等效法向作用力，(x₁，y₁)、(x₂，y₂)一一对应为等效法向作用力F_z1和等效法向作用力F_z2在平板XOY坐标系上的等效作用坐标点。