[发明专利]用于基于光弹性法获得力的系统和方法

说明书

用于基于光弹性法获得力的系统和方法。提供了用于获得力的方法和系统，其中所述系统包括由光弹性材料制成的具有多个表面的块体、以及一个或多个在块体周围配置的偏光器，所述多个表面包括第一表面，在所述第一表面上物体正在向块体施加力，并且其中所述方法包括通过同时地使用三个偏光器来测量光弹性强度并且在时间上顺序地获得每一组光弹性强度以获得一系列测得的光弹性强度、以及基于与测得的和预测的光弹性强度之间的差异相关的量通过使用优化方法获得力。

技术领域

本发明涉及用于基于光弹性法获得施加在表面上的力的系统和方法。

背景技术

做出物理接触的两个物体基于牛顿第三定律对彼此施加力，这是说从第二物体向第一物体的力与从第一物体向第二物体的力在幅度上相等并且方向相反。人类的脚、手指或其他身体部分或者在材料表面上移动的任何物体产生在空间和时间上变化的力场。对于各种各样的工业应用已经提出测量这样的力场——特别是接触压力分布——的技术。例如，在机器人技术的触觉感测中，可以使用测得的触觉柔软度或坚硬度来模拟触摸感觉用于设计机器人的反馈反应(诸如抓握和操纵)。在游戏领域中，基于测得的力感测到的用户动作可以用来模拟用户在游戏中的虚拟参与。脚与运动员在其上奔跑的表面之间的交互被广泛地调查以提高运动员的表现以及限制受伤的风险。测量结果可以用于设计高品质运动鞋和场地草皮。通常在这样的脚着地期间测得的交互参数是法向力和切向力。与施加在脚、手或其他身体部分上的力有关的信息可以用于理疗和相关保健中的诊断和治疗方法、婴幼儿的神经发育的疗效评估、和各种其他医疗应用。另外，例如在汽车和/或航空工业中，可以在车辆性能测试中包含对轮胎与表面之间的力的空间和时间变化的测量。

虽然力和反作用力的存在是基本性质，却难以获得力的所有三个分量的空间和时间变化。同时获得垂直力(法向力)和剪切力(切向力)的光弹性方法迄今为止并不存在。例如，见Driscoll等人(NPL4)，其描述：“Dubey等人(NPL10、11、5)调查了对剪切且垂直的负载信息的提取。采用神经网络以解读光弹性脚印图像，但是推断出还是将需要相当多的手动分析以评估图像(NPL11)。最近调查了测量剪切应力的机械方法。Davis等人(NPL6)设计了在脚的足底表面下在前-后和内-外方向上同时测量垂直压力和剪切力的设备。结果能够识别在前脚内的最大剪切和最大压力的区域，并且针对测力板测量很好地进行了验证。然而，设备具有相对低的采样频率和小的测试面积；其组合限制了可以在设备上执行的移动范围。”

鉴于如在机器人技术、田径运动、治疗学、汽车和各种其他先进工业中遇到的对于两个物体之间的力的精确测量的不断增加的需求，需要新技术用于当两个物体动态地与彼此交互时获得关于力场的可靠的信息。

引文列表

非专利文献

NPL1:Michael B.Giles et al.,An introduction to the adjoint approachto design. Oxford University Computing Laboratory,Numerical Analysis Group,Report no.00/04 (2000).

NPL2:Leon Ainola et al.,On the generalized Wertheim law in integratedphotoelasticity.J.Opt.Soc.Am.A,Vol.25,No.8,1843-1849(2008).

NPL3:M.Arcan et al.,A fundamental characteristic of the human bodyand foot,the foot-ground pressure pattern.J.Biomechanics,Vol.9,453-457(1976).