[发明专利]一种三维测力平台现场静态标定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及体育运动分析、人体步态研究及矫形康复行走机能评定等领域，特别涉及一种三维测力平台现场静态标定装置及方法。 

背景技术

自1952年美国加利福尼亚大学步态研究项目中第一次使用三维测力平台开始，测力台就成为了体育运动研究、人体步态研究及矫形康复行走机能评定等领域测量地面反作用力的标准动力学测试工具。测力台可提供力、力矩、扭矩、力角、冲量和压力中心位置等指标，非常直观地分析人体运动过程中力的变化特征。力和力矩为原始输出数据，其它指标为计算指标。其中三维力、力作用点和扭矩与运动学数据结合，采用“逆向动力学法Inverse Dynamic”能够计算出人体下肢髋、膝和踝关节的关节力、关节力矩和关节功率。排除运动学数据，测力台测量地面反作用力（GRF）和压力中心（COP）的精确性直接影响关节动力学计算结果。 

依据采用不同力传感器，三维测力平台系统分为压电式与应变式两种类型。国外测力平台生产厂家有Kistler、Amti、Bertec，国内主要有大连理工大学和合肥智能机械研究所。目前，国内外诸多步态分析、体育运动、神经控制等研究单位均以配置了三维测力平台。 

三维测力平台出厂前都要使用专用精密仪器进行标定，即每一个测力平台都有一个单独的标定系数。出厂后该标定参数会随测力平台一同交付使用单位。但由于使用时间、不当安装或者运输过程中的磕碰等因素，均会影响其测量的准确性。无论是国外产品还是国内产品，把测力平台运回厂家重新标定都是一个耗时又耗力的过程。即使返厂重新标定，返回后的运输和安装过程还会再次产生影响测量精度的因素。因此，亟待一种应用于三维测力平台安装现场的静态标定装置及方法。 

国际上科研工作者和生产厂家对三维测力平台精度的评价标准主要为两个方面：1）三维力误差≤2%；2）压力中心误差≤1cm（Schmiedmayer，1999）。 

发明内容

本发明的目的是：为了解决由于使用时间、安装不当或者运输过程中磕碰导致的三维测力平台标定系数不准确的技术问题，提供一种三维测力平台静态标定装置及方法，本发明使用方便，能够在现场准确的对三维测力平台进行标定。 

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种三维测力平台静态标定装置，包括：垂直加载装置、水平加载装置； 

所述垂直加载装置主要实现在垂直方向对三维测力平台施加已知力与力矩，包括：垂直加载框架1、加载模块；所述垂直加载框架1上端面平行设置两个横板2，横板2之间固定有加载面板3；所述加载模块进一步包括：加载轴5、加载平台6、加载块7；所述加载轴5一端穿过加载面板3的加载轴承与加载平台6固定，另一端与加载块7固定。

所述水平加载装置主要实现向三维测力平台加载横向和侧向的已知力与力矩，保证加载力的精确度和减少向间干扰，包括：水平加载框架8、加载挂钩9、加载螺栓10、固定滑轮以及杠铃片14；所述水平加载框架8的下端横梁上设有第一固定滑轮11，上端横梁上设有第二固定滑轮12；所述加载挂钩9与钢丝13固定连接，钢丝13的另一端依次通过第二固定滑轮12、第一固定滑轮11与加载螺栓10以螺栓结构连接，且第二固定滑轮12、第一固定滑轮11、加载螺栓10三者在一条直线上。所述固定滑轮和钢丝结构可实现将垂直向下的拉力转化为横向拉力；通过横向移动水平加载框架8使钢丝13与加载螺栓10在同一方向。 

其中，所述垂直加载框架1底端的四个角设有可调节底座4，可调节底座4能够保证垂直加载框架1与地面完全垂直。 

其中，所述加载轴承为精密传动轴承15，所述精密传动轴承15固定于加载轴5与加载面板3连接处，此结构能够减少垂直加载装置的向间干扰。 

其中，所述加载轴5与加载块7采用钢珠接触结构固定，以保证加载垂直力的精确度和减少向间干扰。 

本发明还提供了一种三维测力平台静态标定方法，首先应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台进行现场标定，然后将标定后的各项参数输入到标定算法公式中，从而获得标定系数C，最后对标定结果进行验证；具体包括以下步骤： 

步骤1：将三维测力平台（16）放置于预设的地坑内，应用三维测力平台静态标定装置对三维测力平台（16）进行现场标定，设定三维测力平台坐标原点（0，0，0），F_z为垂直方向作用力，F_x为横向作用力，F_y为纵向作用力；

步骤1.1：使用垂直加载装置对三维测力平台（16）进行垂直加载；