DE202014005194U1 - Device for detecting a force - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Detektion einer Kraft, die einen fluidgefüllten schlauchförmigen Körper (11) und einen Messwertwandler (8) aufweist, wobei der Messwertwandler (8) mit dem schlauchförmigen Körper (11) fluidisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des schlauchförmigen Körpers (11) eine plastisch verformbare, an ihren Enden fixierte Seele (1) angeordnet ist, wobei die Seele (1) entlang der Messstrecke von einem elastischen Schlauch (4a) zumindest teilweise umschlossen ist und der elastische Schlauch (4a) über radial angeordnete elastische Stege (4) mit der Wandung (2) des schlauchförmigen Körpers (11) verbunden ist und zusammen mit der Wandung (2) mindestens eine fluidgefüllte Kammer (3) bildet.Device for detecting a force, which has a fluid-filled tubular body (11) and a transducer (8), the transducer (8) being fluidically connected to the tubular body (11), characterized in that inside the tubular body (11 ) a plastically deformable core (1) fixed at its ends is arranged, the core (1) being at least partially enclosed along the measuring section by an elastic tube (4a) and the elastic tube (4a) via radially arranged elastic webs (4 ) is connected to the wall (2) of the tubular body (11) and together with the wall (2) forms at least one fluid-filled chamber (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Kraft, deren Besonderheit es ist, entlang eines beliebigen räumlichen Pfades die Einleitung einer Kraft messen zu können. Derartige Vorrichtungen zur Detektion von Kräften (Kraftaufnehmer) können z. B. im Bereich der Bewegungsanalyse von Lebewesen, insbesondere der Messung von Substratreaktionskräften eingesetzt werden. Weitere Anwendungsfelder finden sich überall dort, wo die Krafteinleitungsstelle und der Messwertwandler unter räumlichem Abstand positioniert werden müssen, z. B. aufgrund einer bestehenden Gefahr der Zerstörung oder weil der Ort der Krafteinleitung variiert und nicht eindeutig vorhersehbar ist.The present invention relates to a device for detecting a force whose specificity is to be able to measure the introduction of a force along any spatial path. Such devices for detecting forces (force transducer) can, for. B. in the field of motion analysis of living beings, in particular the measurement of substrate reaction forces are used. Further fields of application can be found wherever the force application point and the transducer have to be positioned at a spatial distance, eg. B. due to an existing risk of destruction or because the location of the force application varies and is not clearly predictable.

Aus der DE 101 14 465 (A1) ist ein Kontaktsensor zur Detektion der Berührung eines Gegenstandes mit einem anderen Objekt bekannt, bei dem ein mit einem Fluid gefüllter Schlauch verwendet wird, um eine, an einer beliebigen Stelle eines PKW-Stoßfängers eingeleitete Kraft, erzeugt durch einen Aufprall, mit nur einem oder zwei Sensoren aufnehmen zu können. Dabei bedarf es aber in jedem Fall einer Trägerstruktur, mit der der Schlauch an seiner Mantelfläche verbunden wird. Dadurch ist ausgeschlossen, dass der Schlauch umgriffen werden kann. Es wird beschrieben, dass prinzipiell ein einziger Sensor genügt, um einen Aufprall bzw. die Intensität eines Aufpralls zu detektieren, jedoch mittels zweier Sensoren zusätzlich die Position eines Aufpralls innerhalb der Länge l des Schlauches bestimmt werden kann, was im beschriebenen Anwendungsfall, der Erkennung eines Auslöseschwellenwertes z. B. für eine Sicherheitseinrichtung, ausreichend ist.From the DE 101 14 465 (A1) For example, there is known a contact sensor for detecting the contact of an object with another object using a tube filled with a fluid to force a force introduced at any point of a car bumper, generated by an impact, with only one or two To be able to record sensors. In each case, however, it requires a support structure with which the hose is connected to its lateral surface. This excludes that the hose can be encompassed. It is described that in principle a single sensor is sufficient to detect an impact or the intensity of an impact, but by means of two sensors additionally the position of an impact within the length l of the hose can be determined, which in the described application, the detection of a Tripping threshold z. B. for a safety device, is sufficient.

Soll aber z. B. die Charakteristik des Greifens eines sich arboreal (d. h. unter formschlüssigem Kontakt zwischen dem Fortbewegungsorgan und einer zylindrischen Struktur, deren Durchmesser kleiner als der des Rumpfes ist) fortbewegenden Tieres ermittelt werden, ist einerseits das Umgreifen eine wichtige Voraussetzung, andererseits ist für detaillierte Untersuchungen die einfache Änderbarkeit des Pfades sowie die Auflösung des Ortes der Krafteinleitung nach Sektoren im Querschnitt des Schlauches, erforderlich, was mit der in der DE 101 14 465 A1 vorgestellten Lösung nicht realisierbar ist.But should z. B. the characteristic of gripping an arboreal (ie under positive contact between the locomotive organ and a cylindrical structure whose diameter is smaller than that of the trunk) moving animal are determined, on the one hand embracing an important prerequisite, on the other hand, for detailed studies easy changeability of the path as well as the resolution of the place of introduction of force by sector in the cross section of the hose, what is required in the DE 101 14 465 A1 presented solution is not feasible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung zur Detektion einer Kraft bereitzustellen, deren Krafteinleitungsstruktur umgreifbar ist und bei der die Krafteinleitung und der Messwertwandler mit systematischer auch längerstreckiger Kraftgrößenweiterleitung in veränderliche Relativlagen gebracht werden können.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide a device for detecting a force whose force introduction structure can be encompassed and in which the force introduction and the transducer can be brought into variable relative positions with systematic, even longer-term force propagation.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, the solution of this problem succeeds with the features of the first claim. Advantageous embodiments of the device according to the invention are specified in the subclaims.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:Details and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. Show it:

1 – Detailansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 - Detail view of the device according to the invention

2 – ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 - An embodiment of the device according to the invention

Kernelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein fluidgefüllter schlauchförmiger Körper (11), dargestellt im Detail in 1. Der schlauchförmige Körper ist vorzugsweise dünnwandig ausgeführt und reagiert sensibel auf die Einleitung von Kräften an seiner Außenseite. Jedoch ist er gegenüber dem in seinem Inneren hervorgerufenen Druckanstieg steif. Außerdem enthält er eine plastisch verformbare Seele (1), die zur Aufrechterhaltung des gewünschten räumlichen Pfades dient. Zur Übertragung der eingeleiteten Kräfte auf den Messwertwandler (8) wird ein fluides Medium (10) verwendet. Der schlauchförmige Körper (11) besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff mit hoher Elastizität und zeichnet sich einerseits durch eine hohe Sensibilität hinsichtlich der Verformung durch senkrecht zur Mantelfläche (5) in die Wandung (2) eingeleitete Kräfte aus und andererseits durch eine durch anisotropes Verformungsverhalten bewirkte Verformungsresistenz gegenüber dem inneren Druckanstieg in der Kammer (3). Dieses gelingt beispielsweise durch eine geringe Dicke der Wandung (2) in Kombination mit der Einbettung eines Fadenwerks (6), welches in 1 in Form eines Geflechtes in der Wandung (2) dargestellt ist. Dabei ist es wichtig, eine Stärkung gegenüber radialer und axialer Verformung vorzunehmen, d. h. einerseits den Umfang des schlauchförmigen Körpers (11) kreisförmig und andererseits seine Länge zu stabilisieren. Dadurch und durch die Befüllung mit einem Fluid (10), das im Falle einer Flüssigkeit als inkompressibel betrachtet werden kann, kann eine Kraftgröße, im Falle der Realisierung als Hydraulik auch ein eingeleiteter Impuls, erzeugt von der Kraftgrößenquelle (14), weitgehend ohne Verluste innerhalb des Systems transportiert werden, bis das Signal den Messwertwandler (8) erreicht. Das Maß der Verformung in Reaktion auf eine flächig begrenzte Krafteinleitung an der Mantelfläche (5) ist über die Kolben-Feder-Verstelleinrichtung (15) wählbar. Damit können entsprechend der Federkennlinie des Gesamtsystems gleichzeitig, sofern vorhanden, störende Elastizitäten vorgespannt oder schwund- bzw. materialermüdungsbedingte Erschlaffungen ausgeglichen werden. Ferner lassen sich damit temperaturbedingte Druckunterschiede statisch ausgleichen.The core element of the device according to the invention is a fluid-filled tubular body ( 11 ), shown in detail in 1 , The tubular body is preferably made thin-walled and sensitive to the introduction of forces on its outside. However, it is stiff to the pressure increase caused inside. It also contains a plastically deformable soul ( 1 ), which serves to maintain the desired spatial path. For transmitting the introduced forces to the transducer ( 8th ) becomes a fluid medium ( 10 ) used. The tubular body ( 11 ) is preferably made of a plastic with high elasticity and is characterized on the one hand by a high sensitivity to deformation by perpendicular to the lateral surface ( 5 ) in the wall ( 2 ) and on the other hand by an anisotropic deformation behavior caused deformation resistance to the internal pressure rise in the chamber ( 3 ). This succeeds, for example, by a small thickness of the wall ( 2 ) in combination with the embedding of a threadwork ( 6 ), which in 1 in the form of a braid in the wall ( 2 ) is shown. It is important to strengthen against radial and axial deformation, ie on the one hand, the circumference of the tubular body ( 11 ) circular and on the other hand to stabilize its length. Thereby and by the filling with a fluid ( 10 ), which in the case of a liquid can be regarded as being incompressible, a force variable, in the case of realization as hydraulics also an introduced pulse, can be generated by the force source ( 14 ), are transported largely without losses within the system until the signal reaches the transducer ( 8th ) reached. The degree of deformation in response to a surface limited force on the lateral surface ( 5 ) is via the piston-spring adjustment device ( 15 ) selectable. Thus, according to the spring characteristic of the overall system at the same time, if present, annoying elasticities biased or shrinkage or material fatigue-related slackenings are compensated. Furthermore, temperature-related pressure differences can be compensated statically.

Zur Modellierung eines bestimmten Pfades beinhaltet der schlauchförmige Körper (11) eine plastisch verformbare Seele (1), die am vorderen und hinteren Ende in Lagern (9) aufgenommen wird, die wiederum Teil eines Gehäuses (7) sind. Die Seele (1) ist entlang der Messstrecke zumindest teilweise von einem elastischen Schlauch (4a) umschlossen, von welchem aus die Wandung (2) durch vorzugsweise 3 elastische Stege (4) aufgespannt wird, die durchbrochen oder durchgängig ausgeführt sein können. Die Stege (4) sollten dabei in einer Weise nachgiebig sein, dass das Messergebnis bei Krafteinleitung direkt über dem Steg so wenig wie möglich beeinflusst wird, jedoch die nötige Stabilität besteht, um die Wandung (2) in der funktionswichtigen Distanz zu halten. Durchbrochene oder teilverstärkte Stege (4), entsprechend der linearen Anordnung einer Vielzahl von Pfeilern, sind ein probates Mittel, um dieser Herausforderung zu genügen.To model a particular path, the tubular body ( 11 ) a plastically deformable soul ( 1 ), which are located at the front and rear ends in warehouses ( 9 ), which in turn is part of a housing ( 7 ) are. The soul ( 1 ) is at least partially along the measuring path of an elastic hose ( 4a ), from which the wall ( 2 ) by preferably 3 elastic webs ( 4 ) is spanned, which may be broken or continuous. The bridges ( 4 ) should be yielding in such a way that the measurement result is influenced as little as possible when force is applied directly above the web, but the necessary stability exists to keep the wall ( 2 ) at the functionally important distance. Openwork or partially reinforced webs ( 4 ), corresponding to the linear arrangement of a plurality of pillars, are a tried and tested means to meet this challenge.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, wie in 2 dargestellt, z. B. zur Messung der Greifkraft eines Tieres verwendet werden. Das Tier als Kraftgrößenquelle (14) bewegt sich entlang eines schlauchförmigen Körpers (11), der entsprechend dem in Betracht gezogenen Substrat dimensioniert, vorgespannt und oberflächenbeschaffen ist. Während der Messung kann mit der Kamera (12) eine Videoaufzeichnung innerhalb eines bestimmten Aufnahmebereiches (13) vorgenommen werden, um die Kontaktflächen zwischen Kraftgrößenquelle (14) und Kraftaufnehmer lokalisieren zu können. Ein jeder Kraftgrößeneingriff gelangt durch Verformung der Mantelfläche (5) des schlauchförmigen Körpers (11) in das Fluid (10) und wird innerhalb des Systems bis zum Gehäuse (7) transportiert, in dem der Messwertwandler (8) befestigt ist. Das Ausgangssignal wird am Messwertwandler (8) z. B. als eine elektrische Spannung ausgegeben und aufgezeichnet.The device according to the invention can, as in 2 represented, z. B. used to measure the gripping force of an animal. The animal as a force source ( 14 ) moves along a tubular body ( 11 ) dimensioned, biased and surface-finished according to the substrate under consideration. While the measurement can be done with the camera ( 12 ) a video recording within a certain recording area ( 13 ) to determine the contact surfaces between force source ( 14 ) and to be able to locate load cells. Each force-magnitude intervention is achieved by deformation of the lateral surface ( 5 ) of the tubular body ( 11 ) into the fluid ( 10 ) and within the system up to the housing ( 7 ), in which the transducer ( 8th ) is attached. The output signal is measured at the transducer ( 8th ) z. B. output as an electrical voltage and recorded.

Dabei ist darauf zu achten, dass das Ausgangssignal der Kamera (12) und das des Messwertwandlers (8) synchron sind. Ein derartiger Messaufbau erlaubt unter Abzug der Masse des Tieres Aussagen über die Gesamtgreifkraft beim Greifvorgang und je nach Messsituation auch die Identifikation von Momenten. Bei Notwendigkeit von Messergebnissen höherer Genauigkeit können die Stege (4) im schlauchförmigen Körper (11) durchgängig und in höherer Anzahl vorgesehen werden, so dass sich die Anzahl der Kammern (3) erhöht. Das Ergebnis ähnelt einem Multilumenschlauch, bekannt aus der Medizintechnik. Werden die Druckunterschiede der einzelnen Kammern unabhängig voneinander ausgelesen, kann die Art und Weise der Krafteinleitung dann auch differenziert in die radialen Sektoren ausgewertet werden.It is important to ensure that the output signal of the camera ( 12 ) and that of the transducer ( 8th ) are synchronous. Such a measurement setup allows deduction of the mass of the animal statements about the total gripping force during gripping and depending on the measurement situation and the identification of moments. If higher accuracy measurement results are required, the webs ( 4 ) in the tubular body ( 11 ) be provided consistently and in higher numbers, so that the number of chambers ( 3 ) elevated. The result is similar to a multi-lumen tube, known from medical technology. If the pressure differences of the individual chambers are read out independently of each other, the manner of introducing the force can then also be differentiated into the radial sectors.

Im möglichen Anwendungsbereich einer Greifkraftmessung steht mit einer entsprechend den Abmaßen des Greifers dimensionierten Röhre eine einfache Schnittstelle zwischen Versuchsobjekt und Messwertwandler zur Verfügung, die dem Anspruch der Aufnahme der Gesamtgreifkraft genügt. Ist eine Differenzierung bzw. die Lokalisation der Kräfte mit höherer Genauigkeit gefragt, stellen Fluidröhren mit mehreren fluidisch getrennten Kammern und jeweils einem Messwertwandler pro Kammer eine Variante dar. Zur Unterstützung bei solchen Messungen kann sich ein zeitgleich arbeitendes optisches Aufzeichnungssystem als hilfreich erweisen, um den Ort sowie die Art und Weise der Krafteinleitung zu dokumentieren.In the possible application of a gripping force measurement is a dimensioned according to the dimensions of the gripper tube a simple interface between the object to be tested and transducer available that meets the requirement of recording the total gripping force. If a differentiation or the localization of the forces with higher accuracy is required, fluid tubes with several fluidically separated chambers and one transducer per chamber represent a variant. To assist in such measurements, a simultaneous optical recording system may prove helpful to the location as well as to document the way of the force introduction.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Seelesoul

22

Wandungwall

33

Kammerchamber

44

Stegweb

4a4a

elastischer Schlauchelastic hose

55

Mantelflächelateral surface

66

Fadenwerkthread factory

77

Gehäusecasing

88th

MesswertwandlerTransducer

99

Lagercamp

1010

Fluidfluid

1111

schlauchförmiger Körpertubular body

1212

Kameracamera

1313

Aufnahmebereichreception area

1414

KraftgrößenquelleForce size Source

1515

Kolben-Feder-VerstelleinrichtungPiston spring adjusting device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 10114465 A1 [0002, 0003] DE 10114465 A1 [0002, 0003]

Claims (10)

Vorrichtung zur Detektion einer Kraft, die einen fluidgefüllten schlauchförmigen Körper (11) und einen Messwertwandler (8) aufweist, wobei der Messwertwandler (8) mit dem schlauchförmigen Körper (11) fluidisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des schlauchförmigen Körpers (11) eine plastisch verformbare, an ihren Enden fixierte Seele (1) angeordnet ist, wobei die Seele (1) entlang der Messstrecke von einem elastischen Schlauch (4a) zumindest teilweise umschlossen ist und der elastische Schlauch (4a) über radial angeordnete elastische Stege (4) mit der Wandung (2) des schlauchförmigen Körpers (11) verbunden ist und zusammen mit der Wandung (2) mindestens eine fluidgefüllte Kammer (3) bildet.Device for detecting a force comprising a fluid-filled tubular body ( 11 ) and a transducer ( 8th ), wherein the transducer ( 8th ) with the tubular body ( 11 ) is fluidically connected, characterized in that in the interior of the tubular body ( 11 ) a plastically deformable, at its ends fixed soul ( 1 ), the soul ( 1 ) along the measuring section of an elastic hose ( 4a ) is at least partially enclosed and the elastic hose ( 4a ) via radially arranged elastic webs ( 4 ) with the wall ( 2 ) of the tubular body ( 11 ) and together with the wall ( 2 ) at least one fluid-filled chamber ( 3 ). Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur Regulierung des Fluiddruckes aufweist.Apparatus according to claim 1, characterized in that it comprises means for regulating the fluid pressure. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Regulierung des Fluiddruckes eine Kolben-Feder-Verstelleinrichtung (15) ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that the means for regulating the fluid pressure, a piston-spring adjusting device ( 15 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sie drei radialsymmetrisch angeordnete elastische Stege (4) aufweist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises three radially symmetrically arranged elastic webs ( 4 ) having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (4) durchbrochen sind.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the webs ( 4 ) are broken. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (2) ein eingebettetes Geflecht aus radial und in Längsrichtung angeordneten Fäden aufweist.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the wall ( 2 ) has an embedded mesh of radially and longitudinally disposed filaments. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the fluid is a liquid. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere fluidgefüllte Kammern (3) aufweist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises a plurality of fluid-filled chambers ( 3 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren fluidgefüllten Kammern (3) getrennt voneinander auslesbar sind.Apparatus according to claim 8, characterized in that the plurality of fluid-filled chambers ( 3 ) are readable separately from each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass sie ein synchron arbeitendes optisches Aufzeichnungssystem (12) aufweist.Device according to one of Claims 1 to 9, characterized in that it comprises a synchronously operating optical recording system ( 12 ) having.

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