一种跨栏步技术训练装置 |
|||||||
| 申请号 | CN201510455753.6 | 申请日 | 2015-07-28 | 公开(公告)号 | CN105013169A | 公开(公告)日 | 2015-11-04 |
| 申请人 | 芜湖科创生产力促进中心有限责任公司; | 发明人 | 王军; 李小牛; 端黎明; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种跨栏步技术训练装置，该装置包括 位姿 识别单元、速度识别单元、步态识别单元、 数据处理 单元、无线通信装置和 控制器 ，位姿识别单元包括腰部压 力 传感器 、 膝关节 压力传感器 、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力 开关 ，所述速度识别单元用于采集跨栏速度。本发明的跨栏辅助训练装置对运动员在各个阶段的用力机制进行全程监测，可在运动员跨栏技术动作、足底压力动态分布特征、足底压力中心轨迹、脚底各个分区的压强峰值和腾空时相、足底分区冲量等方面作定量分析，作为训练、比赛及避免运动创伤等提供辅助训练依据。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种跨栏步技术训练装置，其特征在于,该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，所述位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元分别数据处理单元连接，所述数据处理单元、无线通信装置分别和控制器连接，所述无线通信装置与远程接收单元进行通信，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度，所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均采用薄膜三维力压力传感器，所述薄膜三维力压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所述条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，所述圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。 |
||||||
| 说明书全文 | 一种跨栏步技术训练装置技术领域[0001] 本发明属于体育运动技术领域，涉及一种跨栏运动，具体涉及一种跨栏步技术训练装置。 背景技术[0002] 跨栏是属于跑跨结合的一项运动，属于固定组合结构的非对称周期性运动项目，其技术关键在于跑跨的结合转变。在跨栏的一次全程中,完成十次不自然的大步,这个不自然的大步,在跨栏技术中称之“跨栏步”。完整的跨栏步,一般分为起跨攻栏、栏上动作、下栏动作等几个不可分割的部分。跨栏步技术是以动作的起跨角度、距离、速度和力量等四个因素决定,其中动作速度是核心。角度距离是保证,用力效果是根本。跨栏步技术的好坏直接影响运动成绩。 [0003] 目前，在跨栏辅助训练这一领域，大多聚集在男子110米跨栏分析，采用录像统计和简单的三维摄像方式对运动过程进行分析，但是这对跟踪拍摄所的要求很高，而且只能分析运动过程中的动作等，对于运动过程中运动员各处用力，与地面间的作用力等都没有涉及，这对于辅助训练具有一定的局限性。 发明内容[0004] 根据以上现有技术的不足，本发明提出一种跨栏步技术训练装置，对运动员跨栏过程中的各个部位用力情况进行监测，分析人与地面的相互作用力，用于辅助训练。 [0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：本发明的跨栏步技术训练装置，该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，所述位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元分别数据处理单元连接，所述数据处理单元、无线通信装置分别和控制器连接，所述无线通信装置与远程接收单元进行通信，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度，所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均采用薄膜三维力压力传感器。其中，脚底压力传感器每只脚设有五组，鞋夹层的前掌设置三组，鞋夹层的后掌设置二组，所述设置于鞋夹层的脚底压力开关根据左右鞋转换的频率确定装置是否启动。所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库用于存储检测数据和标准数据，所述标准数据为跨栏训练各指标的最优数据。该装置还包括设置在跨栏上用于测量跨栏高度的跨栏姿态单元，所述跨栏姿态单元包括跨栏姿态采集单元和跨栏无线通信单元，所述跨栏无线通信单元和无线通信装置相互通信。 [0006] 上述薄膜三维力压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。圆环电容单元组包括两组以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ左和右差位δ右，b0驱＝b0感+δ右+δ左，其中b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左差位δ左＝右差位δ右，且δ左≥d0· 其中d0为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τymax为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中 其中，a平为平行板的长度，r圆为圆环电容单元圆环的宽度，aδ圆相邻两圆环电容电容之间的电极间距。所述电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元， 其中，a平为平行板的长度，aδ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a0条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度r圆和条状电容单元的宽度a0相等；条状电容单元电极间距aδ条和圆环电容单元电极间距aδ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d0为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接。所述圆环电容单元、电容单元模块和控制单元之间分别设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。 [0007] 本发明有益效果是：本发明的跨栏步技术训练装置对运动员在各个阶段的用力机制进行全程监测，可在运动员跨栏技术动作、足底压力动态分布特征、足底压力中心轨迹、脚底各个分区的压强峰值和腾空时相、足底分区冲量等方面作定量分析，作为训练、比赛及避免运动创伤等提供辅助训练依据。另外，本发明在电容测量三维力的基础上，有效使用平板单用的使用面积，并且通过差动等方法有效解决三维力相互影响，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。附图说明 [0009] 图1是本发明的具体实施方式的同心圆环偏移错位面积分析图。 [0010] 图2是本发明的具体实施方式的为外同心圆环错位对外径圆分析图。 [0011] 图3是本发明的具体实施方式的平行板电容的平面设计图。 [0012] 图4是本发明的具体实施方式的驱动电极的结构图。 [0013] 图5是本发明的具体实施方式的平板电容板的直角坐标系。 [0014] 图6是本发明的具体实施方式的两组圆环电容组结构图。 [0015] 图7是本发明的具体实施方式的差动条状电容单元的初始错位图。 [0016] 图8是本发明的具体实施方式的差动条状电容单元受力后偏移图。 [0018] 图10是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。 [0019] 图11是本发明的具体实施方式的训练装置的系统结构图。 [0020] 其中,1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驱动电极，4、感应电极，5、弹性介质。 具体实施方式[0021] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。 [0022] 一种跨栏步技术训练装置，该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，所述位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元分别与数据处理单元连接，所述数据处理单元、无线通信装置分别和控制器连接，所述无线通信装置与远程接收单元进行通信，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度，所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均采用薄膜三维力压力传感器。远程接收单元可以为手机、服务器等。 [0023] 所述脚底压力传感器每只脚设有五组，由于短跑主要用脚前掌，鞋夹层的前掌设置三组，鞋夹层的后掌设置二组，脚底压力传感器一直开启，所述设置于鞋夹层的脚底压力开关根据左右鞋转换的频率确定整个装置是否启动。 [0024] 所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库用于存储检测数据和标准数据，所述标准数据为跨栏训练各指标的最优数据。所述控制器用于接收数据处理单元输出的二维数据表和标准数据进行对比计算确定训练方案， [0025] 该装置还包括无线通信装置和设置在跨栏上用于测量跨栏高度的跨栏姿态单元，所述跨栏姿态单元包括跨栏姿态采集单元和跨栏无线通信单元，所述跨栏无线通信单元和无线通信装置相互通信。 [0026] 脚底压力根据控制器设置的阀值确定训练员是处于静止起步状态、跨栏状态和跑步状态，以便控制器能更准确的调整训练方案，同时能够再非运动状态关闭跨栏辅助训练装置节省功耗。该装置还设有延时单元，所述的延迟单元用于静止起步状态、跨栏状态和跑步状态进行转换时的系统延时。所述速度识别单元包括背部加速度传感器和速度测量传感器，两者配合进行测量训练者加速度和速度，这样能更准确的判断训练者的速度状态。 [0027] 所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均经过A/D转换和放大器后于数据处理单元连接。 [0028] 上述薄膜三维力压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。圆环电容单元组包括两组以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ左和右差位δ右，b0驱＝b0感+δ右+δ左，其中b0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b0感为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左差位δ左＝右差位δ右，且δ左≥d0· 其中d0为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τymax为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中 其中，a平为平行板的长度，r圆为圆环电容单元圆环的宽度，aδ圆相邻两圆环电容电容之间的电极间距。所述电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元， 其中，a平为平行板的长度，aδ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a0条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度r圆和条状电容单元的宽度a0相等；条状电容单元电极间距aδ条和圆环电容单元电极间距aδ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d0为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接。所述圆环电容单元、电容单元模块和控制单元之间分别设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。 [0029] 下面结合附图1-10对本发明的推导和原理，对各部分形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明。 [0030] 1.1电容公式及其输入输出特性 [0031] 平行板的初始电容为： [0032] [0033] 式中，ε0真空介质电常数为8.85PF/m，εr＝2.5为电介质的相对介电常数，A0为上下极板初始正对面积。d0受σn的激励产生相对变形εn＝δn/d0＝σn/E，代入(1)式得到输入输出特性 [0034] [0035] 1.2法向应力作用下的线性度和灵敏度 [0036] 1.2.1法向线性度 [0037] (2)式中Fn在分母中，故Cn＝f(Fn)的关系是非线性的。因转换量程中的最大值σnmax与介质弹性常数E相比，εn是个很小的量，即分母中εn<<1，将(2)式按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，可简化为： [0038] [0039] 可见在Cn与Fn的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。 [0040] 1.2.2灵敏度 [0041] 按法向灵敏度的定义 [0042] 而按(2)式则 [0043] [0044] 按(3)式可得线性灵敏度， [0045] Sn1＝C0/AE＝ε0εr/d0E (5) [0046] Sn2随Fn而变，Fn愈大，Sn2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。 [0047] 1.3切向位移和圆环电容器有效面积之间的关系 [0048] 针对同心圆环电容对进行分析，如图1所示，R1为外圆半径，R2为内圆半径，r＝圆环宽度＝大外圆半径R1-内圆半径R2。给驱动电极一个切面上的力Fx，导致上下对应的驱动电极和感应电极产生一个剪切错位，设dx为切面位移，错位面积为S内和S外，电极板的初2 2 始正对面积应为π(R1-R2)。图2为外同心圆环电容对外径圆分析图，移动前后两圆心距离为dx，移动前后两圆心和两圆的交点形成一个菱形，可以计算S外的面积： [0049] [0050] [0051] 上式中，有dx< [0052] 由 [0053] 将 的泰勒级数展开，并略去高次项， [0054] [0055] 同理，可以知道，S内＝2R2dx，所以同心圆环电容的错误面积为S＝2R1dx+2R2dx。 [0056] 1.4切向应力τ激励下的圆环电容单元组的电容变化 [0057] 切向应力τ并不改变极板的几何尺寸参数A0，对介质厚度d0也不产生影响。然而τx和τy改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。极板在τ作用下的错位偏移dx。当τ为零时，圆环电容单元的上下电极是正对的，上下电极之间有效截面 在图2中，在τx右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移dx，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积由此产生的电容为： [0058] [0059] 根据剪切胡克定律 [0060] τx＝γx·G＝G·δx/d0 (7) [0061] 将(7)代入(6)可得 [0062] [0063] (8)式即为切应力下的输入—输出特性，Cτ与τx呈线性关系，其灵敏度[0064] [0065] 由公式(9)可以看出切向灵敏度和R1-R2有关，即切向灵敏度和圆环的宽度成反比，宽度越小灵敏度越高。 [0066] 2平板电容器的设计 [0067] 2.1平板电容器的设计 [0068] 参见图3中的电极平面布置和图4驱动电极的结构图，在一个10×10mm2的基板上的一种圆环式接触式平行板三维压力传感器，传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，条状电容单元组用于测量切向力的方向，条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。这样可以有效的使用平行板的面积，圆环电容单元组铺满整个平行板，在测量三维力时，都起作用，而条状电容单元组有效利用了圆环电容单元组铺设后，平行板四角的空间，用于测量三维力切向力的方向。圆环电容单元组的驱动电极和感应电极都是由n个同心圆环组成，n为偶数，则形成n/2圆环电容单元对。影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面，其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准。 [0069] 参照图5的平板电容的直角坐标系，坐标系统原点在圆环电容单元组的同心圆原点，x轴和y轴分别沿平板电容的对角线方向，X方向差动电容单元组包括X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ，X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ分别位于x轴的正负半轴且沿y轴对称，Y方向差动电容单元组包括Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ，Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ分别位于y轴的正负半轴且沿x轴对称，X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ形成对τx做出响应的差动电容单元组合，Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ形成对τy做出响应的差动电容单元组合。 [0070] 圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中 其中，a平为平行板的长度，r圆为圆环电容单元圆环的宽度，aδ圆相邻两圆环电容电容之间的电极间距。电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元， 其中，aδ条为相邻两条状电容单元之间设有电极间距，a0条状电容单元的宽度。同心圆环电容单元的宽度r圆和条状电容单元的宽度a0相等；条状电容单元电极间距aδ条和圆环电容电极间距aδ圆相等，所述条状电容单元的宽度 其中，d0为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。 [0071] 2.2激励信号和坐标系 [0072] 将圆环电容单元置于图5所示的直角坐标系中，三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即 方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容的响应；法向应力σn＝Fn/A，其中 为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ切＝F切/A。 [0073] 根据弹性力学中的虎克定律，σn和τx，τy都将使弹性体产生相应的变形。其中，[0074] [0075]2 2 [0076] 式中，E为弹性介质的杨氏模量GN/m，G为弹性介质的抗剪模量GN/m，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为圆环电容单元上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。 [0077] 2.3法向力和切向力大小的计算 [0078] 选取第n个圆环电容单元和第n/2个圆环电容单元，通过建立圆环电容单元对组成方程组进行计算，如图6所示。设电极板受到法向和切向激励作用后，设第n个圆环电容单元的输出电容为C1，n/2个圆环电容单元输出电容为C2，切向的位移为dx，法向的电容极距为dn，S10为外环初始的正对面积，S20为内环初始的正对面积。 [0079] ① [0080] ② [0081] 将 得到： [0082] [0083] 设上式中的 则 [0084] 根据 [0085] 可知： [0086] 将上述的将①*C2-②*C1得到： [0087] [0088] 由 所以Fτ为 [0089] [0090] 2.4切向力的方向判定 [0091] 2.4.1条状电容单元组状结构和参数设计 [0092] 为了实现τx和τy之间切向响应不相互产生影响，驱动电极长度两端预留差位δ0，因此b0驱＝b0底+2·δ0，其中在b0驱两端长度预留理论上应保证 其计算值为 故在工艺上应保证b0驱－b0底≥0.01mm。为了实现τx和τy不对法向电容响应产生影响，每个条状电容单元的驱动电极与感应电极在平面布置设置一定的错位偏移，对通过差动消除相互之间的影响。 [0093] 如图4所示，图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，取感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，设每根条状电容单元宽为a0，两条状电容单元之间的槽宽为aδ，则每根条状电容单元的节距为a0+aδ。这样在计算法向电容输出响应时已能保证τx和τy不对法向电容响应产生影响。而置他们与几何基准线差距均为δ0(0.1mm)，以保证X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ只产生对τx的差动电容输出响应，而Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ则只产生对τy的差动电容响应，设置一个初始错位偏移δxo，其取值应保证其计算值与δ0类似，其初始错位偏移均设置δxo＝δyo＝0.01mm，以保证四个电容单元在τx和τy切向激励下能产生两组差动电容对。 [0094] 图7中，一对电容CL和CR电极尺寸a0、b0、d0均相同，初始错位偏移δ0也相同，区别在于左边电容器CL上层δ0尖角的指向为+OX，而右边电容器CR上层δ0尖角指向-OX。当τx＝0时， 即图中阴影部分所对应的电容。在此基 础上，如在-Fx激励下产生±δx的错位偏移，形成如图8所示电容增减效果，[0095] [0097] [0098] 式中， 为切应力为零时的初始电容，(11)式即为切应力输入输出特性，Cτx与Fx是线性关系，而其灵敏度 [0099] 由式(11)可知a0愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故本发明电容单元采用由多个条状电容组成的条状电容单元组。 [0100] 2.4.2切向应力方向计算 [0101] CⅠ对CⅡ和CⅢ对CⅣ可以实现两对差动组合，如图9的单元电容对的信号差动示意图，经差动技术处理，差动输出的总响应 [0102] [0103] 式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对Oτ产生影响，即自动消除了σn和τy对τx的总输出的耦合或干扰。因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合的电容变化都自动消除。而Fy和Fx对σn的干扰可通过上层电极在b0方向增加几何长度2δ0消除。 [0104] 同理， [0105] 根据Oτx和Oτy的值计算出切向力的方向。 [0106] 2.4主要材料选择及其特性参数 [0107] 平行板电容器的结构剖面图类似于三明治结构如图10所示。由图10可知，1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极，5为弹性介质。极板距d0＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数εγ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E铜＝103GPa，故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。 [0108] 2.5电极引线设计 [0109] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故驱动电极只需共用同一个引出线。圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环单独引线与控制单元连接，控制单元根据每个圆环的输出值自由组合进行计算，之后进行求平均得出切向力的大小和法向力大小，在精度要求不高的情况下，圆环电容单元组可以只选择两个最优圆环引出2根引线，通过这两个圆环求出dx和dn，从而得出切向力的大小和法向力大小；X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接，用于计算切向力的方向。所述控制单元和电容单元之间设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。整个电容组件共有至少7个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。 [0110] 本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设2 计。在10×10mm的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，对电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求Fn做出贡献，同时又可获得Fx和Fy的信息，从而完整描述一个三维力，按设计参数可以提高一次转换的法向灵敏度和切向灵敏度和最大线性误差。 [0111] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈