一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置及方法，在保证穿戴者舒适性的前提下，既可以解决使用者穿戴外骨骼运动过程中二维力的偏移或者耦合问题。该二维力测量装置包括：安装夹板、绑带、二维力传感器、轴承、电位计和末端固定板；绑带内外两侧分别与安装夹板和二维力传感器固定连接；二维力传感器通过轴承穿过外骨骼机器人上人机接口处的杆件后与末端安装板活动连接，使二维力传感器能够相对末端安装板转动；末端安装板固定连接在外骨骼机器人上人机接口处的杆件上；电位计测量二维力传感器相对末端安装板转动的角度；二维力传感器位于初始安装位时，其两个测量方向分别与人机接口处对接面内两个相互垂直的方向一致。

A Two-Dimensional Force Measuring Device and Method for Exoskeleton Robot

The invention provides a two-dimensional force measuring device and method for an exoskeleton robot, which can not only solve the problem of two-dimensional force offset or coupling in the process of wearing exoskeleton, but also ensure the comfort of the wearer. The two-dimensional force measuring device includes: installing splints, bands, two-dimensional force sensors, bearings, potentiometers and end fixing plates; fixing connections between the inner and outer sides of the bands with splints and two-dimensional force sensors respectively; moving connections between the two-dimensional force sensors and the end fixing plates after the bearings pass through the rods at the man-machine interface of the exoskeleton robot, so that the two-dimensional force sensors can be relative to the end. When the two-dimensional force sensor is located in the initial installation position, the two measuring directions of the two-dimensional force sensor are identical with the two perpendicular directions in the interface of the human-machine interface.

【技术实现步骤摘要】
一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置及方法
本专利技术涉及一种二维力测量装置及方法，具体涉及一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置及方法，属于二维力测量

技术介绍
外骨骼机器人是一种可穿戴式的人机一体化机械装置，具有支撑和保护人体安全的功能，同时还大大增强了人体的负重、耐力等方面的能力，它在军事、医疗、建筑、探测等领域具有广泛的应用前景。外骨骼机器人需要在匹配人体尺寸、运动范围的前提下，与人一起协同运动完成各种动作。但是由于人机间的运动不能保证完全同步，造成人机间连接接口处人体和外骨骼存在相互作用力，为保证外骨骼运动的适配性和穿戴的舒适性，需要在适当位置安装二维力测量传感器，在控制时引入力反馈使人机间的作用力最小。目前，现有的外骨骼机器人的二维力测量传感器直接安装在绑带和外骨骼机器人杆件(如腿部、肩部或手部等)之间，在人体摆动的过程中通过绑带带动外骨骼杆件进行摆动，然后直接通过传感器来测量相对于外骨骼杆件的水平力与垂直力分量。然而，由于绑带穿戴时是紧密贴近人体的，因此在运动过程中不仅会影响穿戴的舒适性，长时间运动还会使绑带出现松垮、窜动等现象，导致测量的分力会随着绑带的窜动而发生偏移，最后测量得到的二维力分量并不是相对于外骨骼杆件的实际二维力分量，对基于人机间相互作用力的耦合控制产生严重的干扰。而若是仅仅通过将二维力测量传感器的连接方式改为活动连接方式，最后测量的二维力分量则是相对于绑带安装夹板方向的，并不是相对于外骨骼机器人腿部，这种力是外骨骼机器人腿部与夹板转角的耦合结果，此也无法得到实际的二维力分量，导致无法进行力反馈控制。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置及方法，通过二维力传感器的活动连接和安装的电位计，在保证穿戴者舒适性的前提下，既可以解决使用者穿戴外骨骼运动过程中二维力的偏移或者耦合问题，从而准确的测量人机间相互作用力在人机接口处对接面内相互垂直的两个方向上的二维力分量。所述的用于外骨骼机器人的二维力测量装置包括：安装夹板、绑带、二维力传感器、轴承、电位计和末端固定板；所述绑带内外两侧分别与安装夹板和二维力传感器固定连接；所述外骨骼机器人上人机接口处的杆件上设置有二维力传感器的安装孔，所述二维力传感器通过轴承穿过该安装孔后与末端安装板活动连接，使所述二维力传感器能够相对所述末端安装板转动；所述末端安装板固定连接在所述外骨骼机器人上人机接口处的杆件上；所述电位计用于测量所述二维力传感器相对所述末端安装板转动的角度；所述二维力传感器位于初始安装位时，其两个测量方向分别与人机接口处所述绑带与外骨骼机器人上杆件的对接面内两个相互垂直的方向一致。所述二维力传感器与末端安装板之间的活动连接方式为：在所述末端安装板的端面上沿周向均匀分布三个同心的弧形孔，每个弧形孔内通过一个定位销连接末端安装板和二维力传感器，所述定位销能够在所述弧形孔内转动设定角度。基于上述二维力测量装置的外骨骼机器人的二维力测量方法为：令所述二维力传感器的两个测量方向分别为x向和y向；穿戴者穿戴外骨骼机器人运动过程中，实时记录所述二维力传感器和电位计采集的参数，其中所述二维力传感器采集人机间相互作用力在其x向和y向上的分量fx和fy，所述电位计测量二维力传感器与所述末端安装板之间的相对转角θ；则人机间相互作用力在人机接口处绑带与外骨骼机器人杆件的对接面内两个相互垂直的方向的实际二维力分量f′x、f′y为：有益效果：该二维力测量装置中二维力传感器与绑带固定连接，与外骨骼机器人杆件(如腿部、肩部或手部等)活动连接，能够有效解决使用者穿戴外骨骼时候的舒适性，以及长时间运动后绑带出现松垮、窜动等现象导致的二维力偏移等问题；同时增加电位计，用于测量运动过程中二维力传感器与外骨骼机器人杆件之间的相对转角，由此通过二维力传感器测量的二维力分量与实际二维力分量之间的转换，获得实际的二维力分量，进而解决二维力耦合的问题。附图说明图1为本专利技术的二维力测量装置的爆炸视图；图2为本专利技术的末端安装板的正视图；图3为本专利技术受力分析图。其中：1-安装夹板、2-绑带、3-二维力传感器、4-滑动轴承、5-电位计磁铁部分、6-电位计芯片感应部分、7-电位计、8-末端固定板、9-外骨骼机器人具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本实施例提供一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置，如图1所示，包括：安装夹板1、绑带2、二维力传感器3、滑动轴承4、电位计7和末端固定板8，外围部件为外骨骼机器人9的腿部杆件(或肩部、手部)。本实施例中以将二维力测量装置安装在外骨骼机器人9的腿部杆件为例。绑带2内外两侧分别与安装夹板1和二维力传感器3连接，三者通过螺钉固定连接；二维力传感器3通过滑动轴承4与外骨骼机器人9腿部杆件上的安装孔过盈配合，即滑动轴承4同轴安装在外骨骼机器人9腿部杆件上的安装孔内，且与安装孔过盈配合，二维力传感器3一端与绑带2连接，另一端穿过滑动轴承4与末端安装板8相连，末端安装板8固定安装在外骨骼机器人9腿部杆件上。电位计7分为磁铁部分5和芯片感应部分6，其中磁铁部分5卡在二维力传感器3端面的凹槽内，通过螺丝或别的方式与二维力传感器固定连接；芯片感应部分6固定在末端安装板8上。由此能够通过电位计7测量二维力传感器3相对末端安装板8的转动角度。令所述二维力传感器3的两个测量方向分别为x向和y向，二维力传感器3用于测量外骨骼机器人9腿部杆件处人机间相互作用力在二维力传感器x向和y向上的分量。由于人机间相互作用力的两个分量分别为绑带2与外骨骼机器人9腿部杆件对接面内两个相互垂直方向的分量；基于此，初始安装位时(即当二维力传感器3与外骨骼机器人9腿部杆件没有相对转动时)，二维力传感器3的x向与外骨骼机器人9腿部杆件的长度方向平行，y向为外骨骼机器人9腿部杆件二维力传感器3安装面所在平面上与x向垂直的方向。由此当二维力传感器3与外骨骼机器人9腿部杆件没有相对转动时，能够直接通过二维力传感器3所测得的二维力分量得到人机间相互作用力。如图2所示，为保证穿戴者的舒适性，二维力传感器3采用活动安装的方式，能够相对外骨骼机器人9腿部杆件转动。具体为：末端安装板8与二维力传感器3之间的连接采用三孔定位的方式，由此在末端安装板8的端面上沿周向均匀分布三个同心的弧形孔，每个弧形孔内通过一个定位销连接末端安装板8和二维力传感器3，定位销能够在弧形孔内转动一定角度，由此使二维力传感器3能够相对末端固定板8转动一定角度，由于末端固定板8与外骨骼机器人9腿部杆件固接，二维力传感器3相对末端固定板8的转动即为相对外骨骼机器人9腿部杆件的转动。通过弧形孔尺寸的设计，限定二维力传感器3相对末端固定板8转动的角度范围为[-10°，10°]。基于上述装置对外骨骼机器人的二维力进行测量的测量方法，包括以下步骤：步骤1：按照上述要求将二维力测量装置安装好后，通过绑带2将穿戴者与外骨骼机器人紧密连接；步骤2：穿戴者穿戴外骨骼机器人进行运动，实时记录运动过程中二维力传感器3和电位计7采集的各项参数，其中二维力传感器3采集人机间相互作用力在其x向和y向上的分量fx、fy，电位计7测量二维力传感器3与外骨骼机器人腿部杆件之间的相对转角θ；由于二维力传感器3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置，其特征在于，包括：安装夹板(1)、绑带(2)、二维力传感器(3)、轴承、电位计(7)和末端固定板(8)；所述绑带(2)内外两侧分别与安装夹板(1)和二维力传感器(3)固定连接；所述外骨骼机器人(9)上人机接口处的杆件上设置有二维力传感器(3)的安装孔，所述二维力传感器(3)通过轴承穿过该安装孔后与末端安装板(8)活动连接，使所述二维力传感器(3)能够相对所述末端安装板(8)转动；所述末端安装板(8)固定连接在所述外骨骼机器人(9)上人机接口处的杆件上；所述电位计(7)用于测量所述二维力传感器(3)相对所述末端安装板(8)转动的角度；所述二维力传感器(3)位于初始安装位时，其两个测量方向分别与人机接口处所述绑带(2)与外骨骼机器人(9)上杆件的对接面内两个相互垂直的方向一致。

【技术特征摘要】
1.一种用于外骨骼机器人的二维力测量装置，其特征在于，包括：安装夹板(1)、绑带(2)、二维力传感器(3)、轴承、电位计(7)和末端固定板(8)；所述绑带(2)内外两侧分别与安装夹板(1)和二维力传感器(3)固定连接；所述外骨骼机器人(9)上人机接口处的杆件上设置有二维力传感器(3)的安装孔，所述二维力传感器(3)通过轴承穿过该安装孔后与末端安装板(8)活动连接，使所述二维力传感器(3)能够相对所述末端安装板(8)转动；所述末端安装板(8)固定连接在所述外骨骼机器人(9)上人机接口处的杆件上；所述电位计(7)用于测量所述二维力传感器(3)相对所述末端安装板(8)转动的角度；所述二维力传感器(3)位于初始安装位时，其两个测量方向分别与人机接口处所述绑带(2)与外骨骼机器人(9)上杆件的对接面内两个相互垂直的方向一致。2.如权利要求1所述的用于外骨骼机器人的二维力测量装置，其特征在于，所述二维力传感器(3)与末端安装板(8)之间的活动连接方式为：在所述末端安装板(8)的端面上沿周向均匀分布三个同心的弧形孔，每个弧形孔内通过一个定位销连接末端安装板(8)和二维力传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋遒志，祁卓，张锐，王鑫，郭超越，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11