(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210926645.2 (22)申请日 2022.08.03 (71)申请人 东北电力大 学 地址 132012 吉林省吉林市长 春路169号 (72)发明人 刘欢　潘虹旭　王俊尧　侯琪　 王锐　崔博文　郎天鸿　 (74)专利代理 机构 北京达友众邦知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11904 专利代理师 鲁福圆 (51)Int.Cl. G01L 5/165(2020.01) G01P 13/02(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 可测量多维力大小、 方向、 作用点的环形装 置及测量方法 (57)摘要 本发明涉及一种可测量多维力大小、 方向、 作用点的环形装置， 其特征在于： 包括外环弹性 体、 内圆柱弹性体、 连接弹性筋、 柔性电极、 半球 弹性体、 电容测量模块； 本发明通过四条十字形 排列的连接弹性筋， 使浮动的内圆柱弹性体在受 力时相对于固定的外环弹性体发生位移， 实现由 力转变为形变的物理量转换； 同时， 设置的柔性 电极共分四组， 每组包括两片尺 寸相同的柔性电 极片， 每组柔性电极片分别贴附于所述的外环弹 性体内侧表 面和所述的内圆柱弹性体外侧表面， 实现由形变转变为电容值变化的物理量转换； 设 置的每一组柔性电极片分别引线与所述的电容 测量模块相连， 实现对四组电容变化的检测。 本 发明具有受力方向任意、 结构简单、 计算过程简 便等特点。 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 CN 115265885 A 2022.11.01 CN 115265885 A 1.一种可测量多维力大小、 方向、 作用点的环形装置， 其特征在于： 包括外环弹性体、 内 圆柱弹性体、 连接弹性筋、 柔性电极、 半球弹性体、 电容测量模块； 所述的外环弹性体的底 面 是固定的， 所述的内圆柱弹性体是浮动的， 所述的外环弹性体与所述的内圆柱弹性体通过 四条所述的连接弹性筋相连， 四条所述的连接弹性筋呈十字形排列在所述的外环弹性体与 所述的内圆柱弹性体之间， 用于实现所述的内圆柱弹性体受力时的多维运动； 所述的柔性 电极共分四组， 每组包括两片尺寸相同的柔性电极片， 所述的柔性电极片分别贴附于所述 的外环弹性体内侧表面和所述的内圆柱弹性体外侧表面， 用于实现所述的柔性电极片和所 述的内圆柱弹性体运动时方向、 角度保持一致； 所述的半球弹性体下表面和所述的内圆柱 弹性体上表面同心连接， 用于实现将施加在所述的半球弹性体的力连续传递到所述的内圆 柱弹性体上； 所述的柔性电极片分别引线与所述的电容测 量模块相连， 所述的柔性电极每 一组都构成一个电容器， 用于实现对所述的电容器电容 值变化的检测。 2.根据权利要求1所述的一种可测量多维力大小、 方向、 作用点的环形装置， 其特征在 于： 所述的电容测量模块包括测量PCB板、 铝箔包裹的导线、 LCR测试仪， 所述的测量PCB板是 由两个多路选择芯片 CD4051BE构成的， 共有四组输入端， 每组所述的输入端有两个端口， 分 别与所述的一组柔性电极片相连， 所述的测量PCB板共有两个输出端， 分别与所述的LCR测 试仪的两端相连， 通过所述的多路选择芯片CD4051BE对不同通路的快速切换， 最终保证对 每一个所述的电容器电容 值的测量在同一时间完成。 3.根据权利要求1所述的一种可测量多维力大小、 方向、 作用点的环形装置， 其特征在 于： 所述的内圆柱弹性体的高度小于所述的外环弹性体的高度， 所述的内圆柱弹性体的直 径小于所述的外环弹性体的直径， 所述的柔性电极沿着高度方向的长度等于所述的内圆柱 弹性体的高度。 4.一种可测量多维力大小、 方向、 作用点的测量方法， 其特 征在于包括下列步骤： 步骤(1)将所述的柔性电极用所述的铝箔包裹的导线引出， 用于实现电场屏蔽， 保证测 试得到的电容 值不受到干扰； 步骤(2)将所述的外环弹性体固定于测试平台上， 保证所述的内圆柱弹性体在压力状 态下相对于所述的外环弹性体在空间中产生相对位移， 使 所述的连接弹性筋在空间中产生 不同的形变， 用于实现力到形变的转 化； 步骤(3)将任意方向力F施加于所述的半球弹性体上； 步骤(4)将所述的电容测量模块分别接入所述的柔性电极进行实际测量， 四个所述的 电容器电容值可通过所述的LCR测试仪获得， 得出形变引起的电容变化值， 用于实现形变到 电容值的转化， 施加力F引起的竖直方向的电容变化ΔCZ和水平方向的平均位移变化x可由 如下式子得到： 权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115265885 A 2施加力F与xy平面的夹角 γ、 施加力F分解到xy平面的力与x轴的夹角 α和施加力F引起的 竖直方向的电容变化Δ CZ的关系为： 其中： ε0为极板间空气的介电常数， R1为内圆柱弹性体的半径， R2为外环弹性体的半径， b为连接弹性筋的宽度， a为连接弹性筋沿径向方向的长度， E为连接弹性筋的弹性模量， I为 连接弹性筋的惯 性矩， L为柔性电极高度, θ为受力方向柔性电极上任一点与x轴的夹角， x为 施加力F引起的水平方向的平均位移变化。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115265885 A 3