Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo y procedimiento de obtención de dichas cargas.

La presente invención consiste en un dispositivo para la determinación de cargas de apoyo, bien sean estáticas, bien sean dinámicas. Es también objeto de la invención el conjunto de etapas que permiten obtener las cargas a partir de dicho dispositivo. El dispositivo hace uso de una plataforma de lectura de la carga por medio de la detección del campo de desplazamientos provocado por el apoyo. A partir de estos desplazamientos se obtienen las cargas que los provocan. El dispositivo tiene especial interés en la evaluación de cargas de módulo pequeño, por ejemplo provenientes de la pisada de un roedor, dado que es un tipo de carga para la que no existen dispositivos con la suficiente resolución espacial y respuesta temporal para determinar la distribución de presiones

Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo y procedimiento de obtención de dichas cargas.

Objeto de la invención

La presente invención consiste en un dispositivo para la determinación de cargas de apoyo, bien sean estáticas, bien sean dinámicas.

Es también objeto de la invención el conjunto de etapas que permiten obtener las cargas a partir de dicho dispositivo.

El dispositivo hace uso de una plataforma de lectura de la carga por medio de la detección del campo de desplazamientos provocado por el apoyo. El dispositivo tiene especial interés en la evaluación de cargas de módulo pequeño, por ejemplo provenientes de la pisada de un roedor, dado que es un tipo de carga para la que no existen dispositivos con la suficiente resolución espacial y respuesta temporal para determinar la distribución de presiones.

A partir del campo de desplazamientos en la plataforma es posible determinar la fuerza o fuerzas que la origina, datos muy relevantes por ejemplo para el estudio de animales con posibles patologías que afectan a sus movimientos.

La plataforma dispone de un conjunto de componentes para el registro de imágenes de interferometría correspondientes a la deformación de una placa. Las imágenes son procesadas posteriormente para determinar las cargas que originan las deformaciones de la placa.

Antecedentes de la invención

Existen diversos medios para medir cargas dependiendo de los valores de la carga y el modo en el que son aplicadas.

Las galgas extensométricas permiten medir deformaciones longitudinales. Seria preciso manejar una malla de bandas extensométricas que diera información del campo de deformaciones, el cual una vez integrado nos informarla del campo de desplazamientos, a partir del cual se podrían deducir las cargas. Existe también la limitación de que poseen unas dimensiones excesivamente elevadas para aplicaciones en las que es necesario obtener medidas con alta resolución espacial.

Si bien la invención está orientada a la determinación de cargas independientemente de su origen, tiene especial interés el ámbito de análisis de pequeños animales que tienen una pisada del orden de la decena de gramo. La carga tan reducida y las dimensiones de la pisada imponen resoluciones muy elevadas que suponen un reto que no es resuelto por cualquier medio de determinación de cargas.

Se conoce la patente con número de publicación US6715444 en el que se describe un método y dispositivo para la medida de frecuencias asociadas a un determinado comportamiento de un animal.

En esta patente también se considera el análisis de un roedor capaz por ejemplo de arañar. El roedor se sitúa sobre una jaula de cría y con un conjunto de detectores se analiza la frecuencia de las solicitaciones ejercidas por el roedor sobre la jaula. El análisis de estas señales permite estudiar el comportamiento del roedor comparando la señal con diversos patrones.

En este dispositivo no es posible determinar la fuerza del apoyo del roedor sobre la jaula sino que las medidas recogen resultantes globales independientes por ejemplo del número de apoyos simultáneos.

Para conseguir determinar la distribución de presiones resultante de una pisada, de la cual por integración se puede conocer la fuerza ejercida, se conoce la patente con número de publicación ES2120860 en la que se propone como solución técnica el uso de sensores piezoresistivos configurando una matriz capaz de dar una resolución elevada reduciendo el tamaño de dichos sensores.

Esta matriz está destinada a detectar posibles patologías de sobrecarga por hiperapoyo de los metatarsianos de un ser humano. El nivel de carga por lo tanto es del orden de varias decenas de kilogramos y la resolución, si bien es adecuada para un pie humano por establecerse en 0'25 cm², es muy grande para determinar la distribución de presiones de la pata de un roedor. Es tan grande como que una sola lectura corresponde aproximadamente al área total de la pisada de dicho roedor.

Una alternativa para medir las cargas de una pisada es definir una plataforma de apoyo con sensores de carga. Esta es la estrategia definida en la patente con número de publicación US4398429 donde se configura una plataforma constituida por dos placas relacionadas mediante cuatro columnas de esquina. La deformación de la placa da lugar a la deformación de los pilares de esquina. El uso de piezas adecuadas con sensores de carga permiten determinar la resultante de las fuerzas aplicadas pero nunca el valor individual de cada una de ellas.

A la hora de establecer la deformación de una superficie se conocen técnicas como la de interferometría de moteado con desplazamiento espacial de la fase. Se utilizan dos haces de iluminación: uno principal que incide sobre la superficie y otro secundario de referencia que se mezcla en el sensor con la luz difundida por la superficie, produciendo un moteograma. La comparación de dos moteogramas permite obtener la deformación sufrida por la superficie entre los dos registros. La publicación [Digital Speckle Pattern Interferometry and related techniques. John Wiley Sons 2001, P.K. Rastogi] describe los principios de la medida de desplazamientos mediante interferometría de moteado.

Descripción de la invención

La presente invención consiste en un dispositivo para la determinación de cargas de apoyo de tal modo que es posible por ejemplo la determinación de cargas de valor muy reducido y con resoluciones muy elevadas.

Este dispositivo está constituido principalmente por una plataforma que está especialmente concebida para su uso en la determinación de patologías en animales de reducido peso y área de pisada donde este tipo de cargas exige un nivel de resolución muy elevado.

La plataforma comprende esencialmente una placa deformable sobre la que se ejercerán las cargas. La deformación de la placa es la que determinará a través de su correcta interpretación el valor de las cargas y sus puntos de aplicación.

La placa será capaz no solo de detectar cargas puntuales aisladas sino la aplicación de más de una carga simultáneamente.

Es de gran interés establecer principalmente las cargas normales a la superficie a través de la medida de las deformaciones según la dirección normal.

La lectura de la deformación se lleva a cabo haciendo uso de técnicas de interferometría de moteado. El objetivo es el de obtener el valor del desplazamiento en un conjunto de puntos que formarán una red discreta de valores. Estos valores son los que se utilizarán mediante técnicas de cálculo numérico para determinar valores de fuerza.

En esencia, los componentes que permiten la obtención de una imagen de interferometría son:

1. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo caracterizado por comprender al menos los siguientes componentes:

• una placa (11) deformable;

• una fuente (1) de emisión láser,

• medios de separación del haz que proviene de la fuente láser en dos: un haz principal y un haz secundario;

• un sensor (8) digital de imagen;

• medios de iluminación de la placa (11) deformable con el haz primario del láser;

• medios para combinar el haz de referencia o secundario con el haz principal del láser sobre el sensor digital de imagen;

de tal modo que la placa (11) deformable constituye el área de estudio de la especie a analizar mediante interferometría de moteado.

2. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 1 caracterizado porque la placa (11) deformable se encuentra en una jaula (9) que establece el recinto en el que se mueve la especie a analizar.

3. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 2 caracterizado porque la jaula (9) dispone de un pasillo (9.2) con paredes (9.3) laterales ajustables.

4. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 1 caracterizado porque el haz principal tiene más energía que el haz secundario o de referencia.

5. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 1 caracterizado porque los medios de separación del haz que proviene de la fuente (1) láser están constituidos por un divisor (2).

6. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 1 caracterizado porque los medios de separación del haz que proviene de la fuente (1) láser están constituidos por un acoplador de fibra (21).

7. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 5 caracterizado porque del divisor (2) parte un haz primario y uno secundario; el haz primario es guiado hasta una lente (6) colimadora para la iluminación inferior de la plataforma (11) deformable gracias al uso de un espejo (10) intermedio, donde la reflexión del haz objeto es combinado con el haz secundario de referencia en el sensor (8) de imagen.

8. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 7 caracterizado porque un conjunto (19) de dos polarizadores lineales fija la polarización y permite ajustar la intensidad del haz (12) secundario o de referencia.

9. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 7 caracterizado porque parte o todos los haces son guiados mediante fibra óptica.

10. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 6 caracterizado porque del acoplador (21) de fibras parte un haz primario y uno secundario; el haz primario es guiado hasta una lente (6) colimadora para la iluminación inferior de la plataforma (11) deformable gracias al uso de un espejo (10) intermedio, donde la reflexión del haz objeto es combinado con el haz secundario de referencia en el sensor (8) de imagen.

11. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 10 caracterizado porque un conjunto (19) de dos polarizadores lineales fija la polarización y permite ajustar la intensidad del haz (12) secundario o de referencia.

12. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 10 caracterizado porque parte o todos los haces son guiados mediante fibra óptica.

13. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según las reivindicaciones 7 ó 10 caracterizado porque la fuente (1) láser incide en la lente (6) colimadora.

14. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 13 caracterizado porque el haz (15) de iluminación supera una lente (22) expansora antes de alcanzar la lente (6) colimadora.

15. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según reivindicación 1 caracterizado porque se dispone de dos fuentes de emisión adicionales dando lugar a un total de tres fuentes (1) de emisión láser independientes, cada una de las cuales (1) dispone de medios de división del haz en uno principal y otro secundario donde los haces de referencia convergen en una salida (23) y donde los haces principales inciden con direcciones distintas tras superar una lente colimadora (6), donde además, los dos haces principales adicionales no están en el mismo plano, dando lugar a la multiplexación y lectura simultánea de la deformación normal y dos componentes tangentes en la plataforma (11) deformable.

16. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 15 caracterizado porque los haces (15) de iluminación inciden con direcciones distintas de tal modo que los ángulos α y β verifican:

α ≅ 0;

β >> α

siendo α el ángulo entre el haz (15) primero de iluminación y el haz objeto, y el ángulo β el mismo ángulo para los otros dos haces segundo y tercero así como también esencialmente el ángulo con el plano.

17. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 15 caracterizado porque tras el acoplamiento de los haces de referencia se dispone un polarizador (19) lineal.

18. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 15 caracterizado porque previo a la entrada del sensor (8) de imagen se dispone un polarizador (24) lineal.

19. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 1 caracterizado porque la plataforma (11) deformable está constituido por un material con capacidad de recuperación elástica.

20. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19 caracterizado porque el sensor (8) de imagen transfiere la imagen a una primera unidad de proceso para que a partir de dicha imagen (I1) evalúe el campo de desplazamientos.

21. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 20 caracterizado porque tras la primera unidad de proceso dispone de una segunda unidad de proceso para que a partir del campo de desplazamientos se determinen las cargas que generan dicho campo.

22. Dispositivo para la determinación de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 20 y 21 caracterizado porque las unidades de proceso primera y segunda se encuentran físicamente en la misma máquina.

23. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo mediante un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque consta de las siguientes etapas:

• obtención de un moteograma o imagen (I2) de la placa (11) deformable sin aplicación de carga para constituir un patrón de referencia;

• obtención de uno o más moteogramas o imágenes (I1) de la placa (11) deformable con la carga aplicada;

• cálculo de la diferencia entre las intensidades de las imágenes obtenidas bajo carga (I1) y la imagen (I2) sin carga de referencia obteniendo un interferograma (I3)

• Obtención del campo (I4) de desplazamientos, a partir del interferograma (I3), teniendo en cuenta los parámetros de trabajo del dispositivo con la placa (11) deformable

• Determinación de las cargas a partir del campo (I4) de desplazamientos, mediante un procedimiento de minimización de un funcional definido a partir del desplazamiento medido y de valores que provienen de una solución obtenida bien sea analíticamente bien sea obtenida mediante técnicas numéricas.

24. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 23 caracterizado porque a partir del interferograma (I3) se obtiene mediante técnicas de transformada de Fourier un mapa (I5) de fases con una representación de la deformación más nítida e incluyendo el signo; mapa (I5) de fases a partir del cual se obtiene, teniendo en cuenta los parámetros de trabajo del dispositivo con la placa (11) deformable, el campo (I4) de desplazamientos.

25. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 24 caracterizado porque la técnica de transformada de Fourier consiste en:

• cálculo de la transformada de Fourier de la imagen obtenida bajo carga;

• selección de un cierto rango de frecuencias en el dominio frecuencial de Fourier;

• cálculo de la transformada inversa;

• calculada la transformada inversa de la imagen de referencia tomada sin carga, se compara con la transformada inversa de la imagen tomada con carga, siendo esta comparación la resta de ambas en sus fases de las funciones complejas en una y otra imagen.

26. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 23 caracterizado porque el funcional se define sobre una discretización definida por medio de una retícula de puntos de la placa (11) deformable sobre la que se extiende un sumatorio del cuadrado del error entre el valor del desplazamiento medido, de un punto considerado (x,y), cuando está actuando de manera ideal o teórica en otro punto, de coordenadas (ξ,η), una fuerza de módulo F.

27. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 26 caracterizado porque el procedimiento de minimización del funcional se lleva a cabo variando el punto de aplicación (ξ,η) de la fuerza y su módulo F.

28. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 26 caracterizado porque el valor del desplazamiento medido en un punto cualquiera por la aplicación de una fuerza de valor conocido que interviene en la definición del funcional procede de la solución de un problema elástico sobre la plataforma (11) deformable con las condiciones de contorno coincidentes con las que rigen dicha plataforma (11) deformable.

29. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según reivindicación 28 caracterizado porque la expresión del funcional es de la forma:

donde x,y son las coordenadas del punto donde se desea calcular el desplazamiento normal al plano de la placa (11) deformable, ξ,η son las coordenadas del punto de aplicación de la carga, F es el valor del módulo de la carga normal al plano de la placa (11) deformable, d es la rigidez de la placa, y a y b las dimensiones de la placa (11) deformable.

30. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según reivindicación 28 caracterizado porque la solución numérica del problema elástico proviene de la resolución mediante elementos finitos.

31. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 23 caracterizado porque el número de cargas se determina mediante minimización del error dado bajo la suposición de que el número de cargas está comprendido entre 1 y un número máximo determinado.

32. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 31 caracterizado porque el error para cada número de cargas considerado se calcula variando el valor del módulo y los puntos de aplicación de las cargas actuantes.

33. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según la reivindicación 32 caracterizado porque una vez determinado el número de cargas, si dos cargas se sitúan a una distancia menor que un valor de referencia, se unen en una única situada en un punto promedio y con módulo la suma de los módulos.

34. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según cualquiera de las reivindicaciones 23 a 33 caracterizado porque a partir de una única imagen de referencia se toma una secuencia de imágenes bajo carga para el análisis dinámico de la carga.

35. Procedimiento de obtención de una o varias cargas de apoyo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la carga se debe al paso de un roedor por encima de la placa (11) deformable.