一种光学传感器嵌入式的人工肌肉及其使用和制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光学传感器嵌入式的人工肌肉及其使用和制备方法。目前气动肌肉驱动系统的反馈控制主要依赖于外部压力传感器和位置传感器或编码器的使用实现。本发明专利技术包括光学压力检测端盖、人工肌肉基体和光学长度检测端盖。人工肌肉基体包括弹性筒身、光长度检测膜片和光压力检测膜片。光压力检测膜片、光长度检测膜片分别固定在弹性筒身内腔的压力检测端、长度检测端。光压力检测膜片的两侧不连通。光长度检测膜片的两侧通过通气孔连通。弹性筒身的内侧面吸光。光压力检测膜片及光长度检测膜片的外侧面反光。本发明专利技术通过设计光学传感器来反馈人工肌肉的收缩长度和收缩力，具有重量轻、顺应性好等方面的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种光学传感器嵌入式的人工肌肉及其使用和制备方法
本专利技术属于软机器人
，具体涉及一种光学传感器嵌入式的软体气动人工肌肉。
技术介绍
由于软机器人的重量轻和顺应性，软机器人领域在可穿戴设备和人机交互方面处于有利地位。对于这样的应用，位置和力的感知对于增强人机交互是至关重要的，由于软体材料的非线性特性，因此在软体系统中实现这些功能是一个挑战。目前气动肌肉驱动系统的反馈控制主要依赖于外部压力传感器和位置传感器或编码器的使用实现。虽然这适用于一些机器人系统，但额外的传感硬件会增加设计的复杂性，并抵消软体机器人在重量轻、顺应性等方面的优势。特别是在可穿戴设备的情况下，外部传感可能会增加佩戴者的体积和负重并抑制其运动。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光学传感器嵌入式的软体气动人工肌肉。本专利技术一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，包括光学压力检测端盖、人工肌肉基体和光学长度检测端盖。人工肌肉基体的两端分别为压力检测端和长度检测端。光学压力检测端盖、光学长度检测端盖分别安装在人工肌肉基体的压力检测端、长度检测端。人工肌肉基体包括弹性筒身、光长度检测膜片和光压力检测膜片。光压力检测膜片、光长度检测膜片分别固定在弹性筒身内腔的压力检测端、长度检测端。光压力检测膜片的两侧不连通。光长度检测膜片的两侧通过通气孔连通。弹性筒身的内侧面吸光。光压力检测膜片及光长度检测膜片的外侧面反光。光学压力检测端盖的内侧安装有光学压力检测传感器。光学长度检测端盖的内侧安装有光学长度检测传感器。光学压力检测传感器和光学长度检测传感器均能够发射光线，且能够检测接收到的光强度。作为优选，所述的人工肌肉基体还包括限位圈和加固纤维网。加固纤维网镶嵌在弹性筒身的侧壁内部，将弹性筒身分隔为外筒身和内筒身。依次排列的多个限位圈均镶嵌在弹性筒身压力检测端的侧壁内部，限制弹性筒身的压力检测端的变形。光压力检测膜片位于弹性筒身被限位圈限制的部分的边缘处。作为优选，所述的加固纤维网和限位圈均凯夫拉尔纤维线缠绕形成。加固纤维网由旋向相反的两组螺旋线交织形成。作为优选，所述的吸光材料为铂金固化硅胶与黑色有机硅酮颜料的混合物；反光材料铂金固化硅胶与白色有机硅酮颜料的混合物。作为优选，所述的光学压力检测端盖和光学长度检测端盖均包括结构相同的基础端盖组件。基础端盖组件包括末端连接器、盖体和屏蔽铝板。末端连接器主体呈圆筒状，内端边缘处设置有多个穿线块。各穿线块上均设置有穿线孔。加固纤维网两端的纤维线分别穿过两个末端连接器上的各个穿线孔。盖体固定在末端连接器内。屏蔽铝板固定在盖体的内侧。光学压力检测传感器和光学长度检测传感器结构相同，均包括发光二极管和光电二极管。发光二极管、光电二极管分别安装在对应的屏蔽铝板的两侧。作为优选，所述光长度检测膜片朝外的侧面边缘处均设置有吸光环；作为优选，所述光学长度检测端盖的内侧还安装有两根导光件。两根导光件与光学长度检测传感器的发光位置、收光位置。所述的光学压力检测端盖或光学长度检测端盖上设置有气管；气管的两端分别与人工肌肉基体的内腔、气源连接。该光学传感器嵌入式的人工肌肉的使用方法如下：步骤一、对光学压力检测传感器和光学长度检测传感器进行校准。步骤二、在持续检测中使用软体气动人工肌肉进行驱动。2-1.将软体气动人工肌肉装入机械系统中作为动力源；2-2.光学压力传感器及光学长度传感器中的发光二极管持续呈发散状发出光线，两组光线各自经光压力检测膜片、光长度检测膜片反射，进入光学压力传感器及光学长度传感器中的光电二极管。2-3通过对软体气动人工肌肉的充放气来驱动软体气动人工肌肉的伸缩。当软体气动人工肌肉缩短时，光长度检测膜片到光学长度传感器的距离减少，进而使得光学长度传感器内的光电二极管检测到的光强度升高，根据光学长度传感器检测到的光强度数值推导出软体气动人工肌肉的当前长度。当软体气动人工肌肉内的压力升高时，光压力检测膜片向光学压力传感器凸出的幅度增大，进而使得光学压力传感器内的光电二极管检测到的光强度降低，根据光学压力传感器检测到的光强度数值推导出软体气动人工肌肉的当前内部压力。作为优选，该光学传感器嵌入式的人工肌肉的使用方法的步骤一具体过程如下：1-1.通过比例阀和电磁阀组合对肌肉内部充入气压递变的气体，气压大小通过气压传感器采集；在整个测试过程中，持续记录该软体气动人工肌肉的长度、内部压力、光学压力检测传感器、光学长度检测传感器内光电二极管检测到的光强度。1-2.通过离散点拟合，得到光学压力检测传感器检测到的光强度与软体气动人工肌肉内部压力之间的光-压力关系曲线，以及光学长度检测传感器检测到的光强度与软体气动人工肌肉的长度之间的光-长度关系曲线。该光学传感器嵌入式的人工肌肉的制备方法如下：步骤一、用竖直设置的圆柱状的内模和筒状的第一外模配合形成用于浇筑内筒身的模腔；第一外模的内侧面设置有网格状突起，内侧面一端端部设置有多圈突起。使用吸光材料浇筑到内模和第一外模之间，形成内筒身；内筒身的外侧面具有网格状沟槽，一端具有多圈环形沟槽。网格状沟槽由多根左旋螺旋线和多根右旋螺旋线交织而成。内筒身外侧面的两端端部均有多个左旋螺旋线与右旋螺旋线的交点。步骤二、将两个末端连接器套上内模的两端并通过定位销固定，使得末端连接器上的多个穿线孔抵住内筒身端部的多个螺旋线交点。用一根纤维线沿着内筒身上的网格状沟槽缠绕，使得凯夫拉尔纤维线经过网格状沟槽的所有位置，并穿过两个末端连接器的所有穿线孔。再用纤维线绕置出多个限位圈。步骤三、撤去第一外模，并安装上内径大于第一外模的第二外模；使用吸光材料浇筑到内筒身和第二外模之间，形成外筒身；外筒身完全覆盖纤维线。内筒身和外筒身共同形成弹性筒身；将内模从弹性筒身中取出。此时，弹性筒身内的长度检测端朝下设置。步骤四、铸造光长度检测膜片：在弹性筒身下方的长度检测端放入带有排气销的第一膜片模具；第一膜片模具的端部边缘处设置有环形凸起；之后在第一膜片模具处通过注射器浇筑反光材料，形成光长度检测膜片；光长度检测膜片固化后，翻转弹性筒身，使得光长度检测膜片外侧面的环形凹槽朝上设置，卸下第一膜片模具，并在光长度检测膜片外侧面的环形凹槽浇筑吸光材料形成吸光环。步骤五、铸造光压力检测膜片：在弹性筒身下方的压力检测端插入端面平整的第二膜片模具；之后在第二膜片模具处通过注射器浇筑反光材料，形成光压力检测膜片。步骤六、将光学压力检测端盖、光学长度检测端盖完整安装到弹性筒身的两端。本专利技术具有的有益效果是：1、本专利技术提供了一种光学传感器嵌入式的软体气动人工肌肉，通过设计光学传感器来反馈人工肌肉的收缩长度和收缩力，与现有的通过外部传感硬件反馈信息的人工肌肉相比，具有重量轻、顺应性好等方面的优势，特别是应用在可穿戴设备的情况下，极大减小了佩戴者的体积和负重，更加轻便。2、本专利技术将人工肌肉的内部压力转化为光压力检测膜片的弯曲变形程度，并通过光压力检测膜片反射到光学压力检测传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，包括人工肌肉基体(2)；其特征在于：还包括光学压力检测端盖(1)和光学长度检测端盖(3)；人工肌肉基体(2)的两端分别为压力检测端和长度检测端；光学压力检测端盖(1)、光学长度检测端盖(3)分别安装在人工肌肉基体(2)的压力检测端、长度检测端；人工肌肉基体(2)包括弹性筒身(4)、光长度检测膜片(8)和光压力检测膜片(7)；光压力检测膜片(7)、光长度检测膜片(8)分别固定在弹性筒身(4)内腔的压力检测端、长度检测端；光压力检测膜片(7)的两侧不连通；光长度检测膜片(8)的两侧通过通气孔(13)连通；弹性筒身(4)的内侧面吸光；光压力检测膜片(7)及光长度检测膜片(8)的外侧面反光；光学压力检测端盖(1)的内侧安装有光学压力检测传感器(14)；光学长度检测端盖(3)的内侧安装有光学长度检测传感器(15)；光学压力检测传感器(14)和光学长度检测传感器(15)均能够发射光线，且能够检测接收到的光强度。/n

【技术特征摘要】
1.一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，包括人工肌肉基体(2)；其特征在于：还包括光学压力检测端盖(1)和光学长度检测端盖(3)；人工肌肉基体(2)的两端分别为压力检测端和长度检测端；光学压力检测端盖(1)、光学长度检测端盖(3)分别安装在人工肌肉基体(2)的压力检测端、长度检测端；人工肌肉基体(2)包括弹性筒身(4)、光长度检测膜片(8)和光压力检测膜片(7)；光压力检测膜片(7)、光长度检测膜片(8)分别固定在弹性筒身(4)内腔的压力检测端、长度检测端；光压力检测膜片(7)的两侧不连通；光长度检测膜片(8)的两侧通过通气孔(13)连通；弹性筒身(4)的内侧面吸光；光压力检测膜片(7)及光长度检测膜片(8)的外侧面反光；光学压力检测端盖(1)的内侧安装有光学压力检测传感器(14)；光学长度检测端盖(3)的内侧安装有光学长度检测传感器(15)；光学压力检测传感器(14)和光学长度检测传感器(15)均能够发射光线，且能够检测接收到的光强度。


2.根据权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，其特征在于：所述的人工肌肉基体(2)还包括限位圈(5)和加固纤维网(6)；加固纤维网(6)镶嵌在弹性筒身(4)的侧壁内部，将弹性筒身(4)分隔为外筒身(4-1)和内筒身(4-2)；依次排列的多个限位圈(5)均镶嵌在弹性筒身(4)压力检测端的侧壁内部，限制弹性筒身(4)的压力检测端的变形；光压力检测膜片(7)位于弹性筒身(4)被限位圈(5)限制的部分的边缘处。


3.根据权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，其特征在于：所述的加固纤维网(6)和限位圈(5)均凯夫拉尔纤维线缠绕形成；加固纤维网(6)由旋向相反的两组螺旋线交织形成。


4.根据权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，其特征在于：所述的吸光材料为铂金固化硅胶与黑色有机硅酮颜料的混合物；反光材料铂金固化硅胶与白色有机硅酮颜料的混合物。


5.根据权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，其特征在于：所述的光学压力检测端盖(1)和光学长度检测端盖(3)均包括结构相同的基础端盖组件；基础端盖组件包括末端连接器(9)、盖体(10)和屏蔽铝板(11)；末端连接器(9)主体呈圆筒状，内端边缘处设置有多个穿线块；各穿线块上均设置有穿线孔；加固纤维网(6)两端的纤维线分别穿过两个末端连接器(9)上的各个穿线孔；盖体(10)固定在末端连接器(9)内；屏蔽铝板(11)固定在盖体(10)的内侧；光学压力检测传感器(14)和光学长度检测传感器(15)结构相同，均包括发光二极管(14-1)和光电二极管(14-2)；发光二极管(14-1)、光电二极管(14-2)分别安装在对应的屏蔽铝板(11)的两侧。


6.根据权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，其特征在于：所述光长度检测膜片(8)朝外的侧面边缘处均设置有吸光环(12)。


7.根据权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉，其特征在于：所述光学长度检测端盖(3)的内侧还安装有两根导光件(18)；两根导光件(18)与光学长度检测传感器(15)的发光位置、收光位置；所述的光学压力检测端盖(1)或光学长度检测端盖(3)上设置有气管(19)；气管(19)的两端分别与人工肌肉基体(2)的内腔、气源连接。


8.如权利要求1所述的一种光学传感器嵌入式的人工肌肉的使用方法，其特征在于：
步骤一、对光学压力检测传感器(14)和光学长度检测传感器(15)进行校准；
步骤二、在持续检测中使用软体气动人工肌肉进行驱动；
2-1.将软体气动人工肌肉装入机械系统中作为动力源；
2-2.光学压力传感器及光学长度传...

【专利技术属性】
技术研发人员：戎铖，许明，陈国金，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33