阅读说明：本技术 一种球型仿生六维力传感器 (Spherical bionic six-dimensional force sensor ) 是由 韩志武 金星泽 冯美 卢秀泉 公言磊 高帅 付强 李妍 倪志学 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种球型仿生六维力传感器,包括内球、外球、信号调理电路和六个Y型梁,所述外球空心,所述内球设置于所述外球内且与所述外球同心,所述Y型梁的底端与所述内球固连,所述Y型梁的两个顶端与所述外球的内壁贴合,所述Y型梁的底部设置有两个应变片,且两个所述应变片关于对应的所述Y型梁对称,所述内球与连杆一端固连,所述信号调理电路位于所述外球内且固设在所述连杆上,六个所述Y型梁上的所述应变片分别与所述信号调理电路电连接。本发明的球型仿生六维力传感器实现了对关节受力的人工检测。(The invention discloses a spherical bionic six-dimensional force sensor which comprises an inner sphere, an outer sphere, a signal conditioning circuit and six Y-shaped beams, wherein the outer sphere is hollow, the inner sphere is arranged in the outer sphere and is concentric with the outer sphere, the bottom end of each Y-shaped beam is fixedly connected with the inner sphere, two top ends of each Y-shaped beam are attached to the inner wall of the outer sphere, two strain gauges are arranged at the bottom of each Y-shaped beam and are symmetrical relative to the corresponding Y-shaped beam, the inner sphere is fixedly connected with one end of a connecting rod, the signal conditioning circuit is positioned in the outer sphere and is fixedly arranged on the connecting rod, and the strain gauges on the six Y-shaped beams are respectively and electrically connected with the signal conditioning circuit. The spherical bionic six-dimensional force sensor realizes the artificial detection of joint stress.)

一种球型仿生六维力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种球型仿生六维力传感器。

背景技术

关节软骨损伤是一种常见病，关节软骨损伤的原因是多方面的，关节软骨一旦损伤，关节运动功能将受到影响。随着比赛对抗程度的增强，导致运动性关节损伤有上升趋势。另外，关节炎是65岁以后老年人的常发疾病，而退行性骨关节炎与年龄有着密切的关联。临床上，需要行关节置换手术的患者大部分是老年患者，他们大致包括三类：退行性关节疾病，以前受过外伤或者感染导致严重的关节破坏，患者存在骨骼的发育性疾病。无论是在数量上还是在比例上，关节损伤都呈现出上升趋势，而关节软骨损伤接受人工关节置换是目前一种有效的治疗手段。人工关节从开始设计到临床应用已经经历了近一个世纪的历史，人工关节的先导为人工髋关节，随着临床上的技术应用不断娴熟，推动了腕关节、肩关节、膝关节等人工关节的设计、应用及改进。

关节损伤在治疗后需要一段时间的康复治疗。近年来，康复医疗获得了大力发展与支持，也在居民中逐渐得到了科普。康复时间通常根据患者的体质、年龄、受伤部位等因素决定，不仅需要患者本人的努力，也需要医生的经验指导。目前，临床上针对人工关节的受力检测还缺少有效便捷的检测手段。因此，开发出适用于人工关节的力检测装置，不仅可以加快康复过程，加强科学指导，也能获得对关节的完整受力情况，进一步指导康复医疗的工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种球型仿生六维力传感器，以解决上述现有技术存在的问题，实现对关节受力的人工检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种球型仿生六维力传感器，包括内球、外球、信号调理电路和六个Y型梁，所述外球空心，所述内球设置于所述外球内且与所述外球同心，所述Y型梁的底端与所述内球固连，所述Y型梁的两个顶端与所述外球的内壁贴合，所述Y型梁的底部设置有两个应变片，且两个所述应变片关于对应的所述Y型梁对称，所述内球与连杆一端固连，所述信号调理电路位于所述外球内且固设在所述连杆上，六个所述Y型梁上的所述应变片分别与所述信号调理电路电连接。

优选的，所述Y型梁的两个顶端均呈弧形曲面，所述Y型梁的两个顶端之间设置有圆弧过渡部。

优选的，所述Y型梁的底部为方形杆，所述Y型梁的侧壁上设置有若干个平行排列的凹槽，若干个所述平行排列的凹槽位于两个所述应变片之间，且所述凹槽的长度方向垂直于所述应变片。

优选的，所述连杆竖直，三个所述Y型梁水平设置且均与沿所述内球的中心水平面均匀分布，另三个所述Y型梁倾斜设置且沿所述内球表面的第二圆周均匀分布，所述第二圆周所在的平面与所述中心水平面平行，所述第二圆周远离所述连杆。

优选的，所述第二圆周与所述内球的球心的偏角为30°，且倾斜设置的三个所述Y型梁中每个所述Y型梁的两个顶角均位于同一竖直面内。

优选的，三个平行设置的所述Y型梁与倾斜设置的三个所述Y型梁交错分布。

优选的，所述外球设置有开口，所述连杆穿过所述开口，且所述信号调理电路靠近所述开口。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的球型仿生六维力传感器实现了对关节受力的人工检测。本发明球型仿生六维力传感器适用于人工关节置换，可以在康复治疗过程中反馈置换关节处受力大小，进而实现对人工关节置换的效果、康复治疗方案的调整提供有力的实验数据；本发明借鉴了节肢动物足部缝感受器的原理，设计具有缝结构(凹槽)的感知单元，提高传感器的灵敏度；本发明提供的球型仿生六维力传感器重量轻、灵敏度高，针对关节损伤患者的治疗与康复过程产生了极大的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明球型仿生六维力传感器的结构示意图一；

图2为本发明球型仿生六维力传感器的结构示意图二；

图3为本发明球型仿生六维力传感器的部分结构示意图一；

图4为本发明球型仿生六维力传感器的部分结构示意图二；

图5为本发明球型仿生六维力传感器的部分结构示意图三；

图6为本发明球型仿生六维力传感器中信号调理电路的电桥图；

其中：1、外球，2、连杆，3、Y型梁，3-1、第一Y型梁，3-1-1、缝结构，3-1-2、弧形曲面，3-1-3、圆弧过渡部，3-2、第二Y型梁，3-3、第三Y型梁，3-4、第四Y型梁，3-5、第五Y型梁，3-6、第六Y型梁，4、应变片，5、信号调理电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种球型仿生六维力传感器，以解决上述现有技术存在的问题，实现对关节受力的人工检测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图5所示：本实施例球型仿生六维力传感器包括内球、外球1、信号调理电路5和六个Y型梁3，外球1空心，外球1为人工骨关节形状，相当于人工骨关节；内球设置于外球1内且与外球1同心，Y型梁3的底端与内球固连，内球与连杆2一端固连，信号调理电路5位于外球1内且固设在连杆2上，六个Y型梁3上的应变片4分别与信号调理电路5电连接，外球1设置有开口，连杆2穿过开口，且信号调理电路5靠近开口。

连杆2竖直，第一Y型梁3-1、第二Y型梁3-2和第三Y型梁3-3水平设置且均与沿内球的中心水平面均匀分布，第四Y型梁3-4、第五Y型梁3-5和第六Y型梁3-6倾斜设置且沿内球表面的第二圆周均匀分布，第二圆周所在的平面与中心水平面平行，第二圆周远离连杆2，第二圆周与内球的球心的偏角为30°，且倾斜设置的三个Y型梁3中每个Y型梁3的两个顶角均位于同一竖直面内，三个平行设置的Y型梁3与倾斜设置的三个Y型梁3交错分布。

Y型梁3的两个顶端均呈弧形曲面3-1-2，Y型梁3的两个顶端与外球1的内壁完全贴合，Y型梁3的两个顶端之间设置有圆弧过渡部3-1-3。Y型梁3的底部为方形杆，方形杆的侧壁设置有两个应变片4，且这两个应变片4关于该Y型梁3对称，Y型梁3的侧壁上设置有若干个平行排列的凹槽形成缝结构3-1-1，若干个平行排列的凹槽位于两个应变片4之间，且凹槽的长度方向垂直于应变片4。

本实施例通过六个Y型梁3能够实时检测人工骨关节(外球1)的受力，外球1受力时会驱动Y型梁3发生形变，Y型梁3发生形变后Y型梁3上的应变片4会检测到电信号并反馈给信号调理电路5，信号调理电路5经过分析得到人工骨关节的受力情况。

信号调理电路5沿着连杆2的轴向方向放置，且置于外球1空间内。信号调理电路5通过电桥将电阻值变为电压值，电桥图参见图6。信号调理电路5中设有传感元件，通过探测位移能够得到每一个Y型梁3的输出。传感元件分别与信号调理电路5上另一侧的处理电路通信连接，从而可以测量压力并反馈给处理电路，实现了电路板与传感元件的集成。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。