本发明专利技术公开了一种多维力传感器及其新型自适应柔性外骨骼人机接口，人机接口包括依次首尾相连的第一弧状板面、连接件、第二弧状板面和绑带，共同构成环状结构；第一弧状板面能以弹性轴为轴心相对连接件向外侧转动；第一弧状板面的内壁均匀分布安装有若干多维力传感器，所述第二弧状板面与第一弧状板面的结构和连接方式相同；所述连接件上纵向开设有贯通的碳纤维管安装孔，连接件上还设有气嘴。本发明专利技术利用硅胶材料制作的充气气囊单元作为人机物理界面的柔性装置，通过充放气动态地调节人机界面的几何形态和接触压力，并使用液态金属制成的传感器为气囊增加感知的功能，使气囊能够检测自身的形变以及接触面上的压力，为上层控制提供传感数据。制提供传感数据。制提供传感数据。
【技术实现步骤摘要】
一种多维力传感器及其新型自适应柔性外骨骼人机接口
[0001]本专利技术属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种多维力传感器及其新型自适应柔性外骨骼人机接口。
技术介绍
[0002]外骨骼机器人是穿戴在人体身上、旨在增强穿戴者运动机能的机械设备。它是一种特殊的机器人，需要和人一起完成任务，所以相较于普通的机器人更需要关注其人机交互的能力。外骨骼的人机交互很重要的一个方面是外骨骼和人连接的物理界面。
[0003]人体由软体组织包围，无法用传统的刚体连接方式来固定人体和外骨骼。现在市面上的外骨骼一般采用柔性衬套、尼龙粘合带或尼龙扣带来连接人和外骨骼。这些连接方式需要一定的夹持力或绑定力来增加连接稳定性，而这些力是系统内力，对外骨骼的助力部门没有帮助，却会使人体表面受到的压力增加。可见在连接可靠性和人体穿戴舒适度上存在一定的矛盾，所以需要针对人体的结构进行特殊的设计，使其能够在尽量小的内力前提下保证可靠的连接。
[0004]以下肢外骨骼为例，下肢外骨骼主要在大腿处与人体连接，而大腿正面有着人体最大的股四头肌肌肉群，大腿背面有着股二头肌以及丰富的皮下脂肪以及其他软组织，所以外骨骼无法直接传导力至大腿骨处。因为肌肉组织在收缩时会产生明显的形变，组织刚度也会发生变化，而人在正常步态时，大腿的肌肉群都处于参与状态，所以大腿的形态和表面刚度有一个动态的变化过程。由于大腿形态的变化，外骨骼的连接处无法通过一个固定刚性衬套来包围住大腿，人在运动时，固定的衬套会影响肌肉的收缩。使用柔性的衬套虽然可以减小对运动影响，但是柔性的衬套要可靠地连接在大腿上需要一个预紧力。由于柔性材料的弹性力与形变量有关，所以当遇到刚度较高的肌肉组织时会产生较大的压缩形变量，而遇到刚度较低的脂肪组织时压缩量就变小了，这样会在大腿的部分表面上产生较大的压强峰值，从而影响穿戴的舒适性。
[0005]由以上分析可知，外骨骼的人机物理界面需要一种可控的柔性装置，通过动态地调整柔性装置的形态来改变和人体接触的压力。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种多维力传感器及其新型自适应柔性外骨骼人机接口。本专利技术利用硅胶材料制作的充气气囊单元作为人机物理界面的柔性装置，通过充放气动态地调节人机界面的几何形态和接触压力，并使用液态金属制成的传感器为气囊增加感知的功能，使气囊能够检测自身的形变以及接触面上的压力，为上层控制提供传感数据。
[0007]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0008]一种多维力传感器，其包括传感器、气囊、底座和电路板；
[0009]底座的顶部固定连接有气囊，底部固定连接有电路板；所述气囊具有气密性，气囊
的周向均匀布设至少三条传感器，所述传感器为电阻应变式传感器；传感器的一端固定于气囊顶部，另一端固定于底座；传感器的初始状态不产生形变，能随传感器所在处的部分气囊一同被拉伸或压缩，且不影响气囊的形变；气囊的中部具有内缩段，充放气时气囊在单轴方向的形变量大于其余方向的形变量；传感器和气囊均为柔性材质；传感器在被拉伸或压缩时能产生阻值变化；各传感器均通过导线与电路板相连接，电路板用于将传感器的阻值变化转变为电信号；所述传感器内部设有呈弓形的腔室，腔室内部填充有液态金属共晶镓铟合金，腔室的两端均通过导线与所述电路板相连接。
[0010]作为优选，所述电路板为设有电流源电路、第一级放大电路、负电压电路和第二级放大电路的信号采集板；所述电流源电路用于将传感器的阻值变化转变为电压信号，所述第一级放大电路用于将所述电压信号进行一级放大，所述负电压电路用于为第一级放大电路提供负压电源；所述第二级放大电路用于对所述电压信号进行二级放大，并与外部的信号采集系统相连接。
[0011]作为优选，所述传感器和气囊均为硅胶材质，所述底座为树脂材质；其中，气囊优选为Ecoflex0030硅胶，传感器优选为邵氏硬度20的硅胶。
[0012]作为优选，所述传感器为三条，相邻传感器之间的夹角为120
°
；传感器被压缩时阻值变小，被拉伸时阻值变大。
[0013]作为优选，所述传感器与底座之间通过若干个第一固定件相连接，底座与电路板之间通过若干个第二固定件相连接。
[0014]进一步的，所述第一固定件为螺栓，在所述底座侧壁上与每个传感器相对应的位置处均开设有螺纹安装孔，第一固定件贯穿传感器并固定于对应的螺纹安装孔中，将传感器贴合固定于底座侧壁上。
[0015]进一步的，所述第二固定件为铜柱，所述底座底部开设有固定孔，第二固定件贯穿电路板并固定于底座的固定孔中，将电路板贴合固定于底座底面上。
[0016]本专利技术的另一目的在于提供一种具有根据上述任一所述多维力传感器的新型自适应柔性外骨骼人机接口，其包括依次首尾相连的第一弧状板面、连接件、第二弧状板面和绑带，共同构成环状结构，用于穿戴外骨骼；
[0017]第一弧状板面一端的外侧通过弹性轴与连接件一端的外侧相连，第一弧状板面能以弹性轴为轴心相对连接件向外侧转动，用于不同规格外骨骼的穿戴；第一弧状板面的内壁均匀分布安装有若干多维力传感器，多维力传感器的轴线与所在第一弧状板面的内壁垂直，用于监测外骨骼的形变；所述第二弧状板面与第一弧状板面的结构和连接方式相同；
[0018]所述连接件上纵向开设有贯通的碳纤维管安装孔，用于连接外骨骼的碳纤维管；所述连接件上还设有气嘴，气嘴的一端通过管路与多维力传感器的气囊相连通，另一端与通过管路与外骨骼的充气装置相连通，用于为气囊充气。
[0019]作为优选，所述第一弧状板面、弹性轴和连接件围成的三角区域内填充固定有邵氏硬度为30的硅胶材料，第一弧状板面和连接件能在弹性材料的形变下以弹性轴为轴心打开15～20
°
。
[0020]作为优选，所述第一弧状板面和第二弧状板面上的多维力传感器均为两个；气嘴的数量为4个，分别与每个多维力传感器的气囊相连通。
[0021]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0022]本专利技术提出一种利用硅胶材料制作的充气气囊单元作为人机物理界面的柔性装置，通过充放气动态地调节人机界面的几何形态和接触压力，并使用液态金属制成的传感器为气囊增加感知的功能，使气囊能够检测自身的形变以及接触面上的压力，为上层控制提供传感数据。
[0023]1)本专利技术的多维力传感器创新性地引入了气囊结构，通过气囊与传感器的结合，不仅能够测量力的方向并且有良好的人机交互性；
[0024]2)本专利技术的多维力传感器采用气囊和柔性材料，是一种对人体友好的传感器，不仅穿戴舒适，而且可以动态地贴合人体表面；气囊顶端的弧形结构很好地贴合了人体表面，能够符合接触到的人体不规则曲面，有一定的形变空间满足人体曲面的变化，不仅检测被测力的数值大小，也能根据检测结果对被测力进行缓冲、调节；
[0025]3)本专利技术的多维力传感器采用三条式传感器加气囊的结构，解决了传统柔性传感器无法测量多维力的问题；
[0026]4本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多维力传感器，其特征在于，包括传感器(1)、气囊(2)、底座(4)和电路板(5)；底座(4)的顶部固定连接有气囊(2)，底部固定连接有电路板(5)；所述气囊(2)具有气密性，气囊(2)的周向均匀布设至少三条传感器(1)，所述传感器(1)为电阻应变式传感器；传感器(1)的一端固定于气囊(2)顶部，另一端固定于底座(4)；传感器(1)的初始状态不产生形变，能随传感器(1)所在处的部分气囊(2)一同被拉伸或压缩，且不影响气囊(2)的形变；气囊(2)的中部具有内缩段，充放气时气囊(2)在单轴方向的形变量大于其余方向的形变量；传感器(1)和气囊(2)均为柔性材质；传感器(1)在被拉伸或压缩时能产生阻值变化；各传感器(1)均通过导线与电路板(5)相连接，电路板(5)用于将传感器(1)的阻值变化转变为电信号；所述传感器(1)内部设有呈弓形的腔室，腔室内部填充有液态金属共晶镓铟合金，腔室的两端均通过导线与所述电路板(5)相连接。2.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述电路板(5)为设有电流源电路、第一级放大电路、负电压电路和第二级放大电路的信号采集板；所述电流源电路用于将传感器(1)的阻值变化转变为电压信号，所述第一级放大电路用于将所述电压信号进行一级放大，所述负电压电路用于为第一级放大电路提供负压电源；所述第二级放大电路用于对所述电压信号进行二级放大，并与外部的信号采集系统相连接。3.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述传感器(1)和气囊(2)均为硅胶材质，所述底座(4)为树脂材质；其中，气囊(2)优选为Ecoflex0030硅胶，传感器(1)优选为邵氏硬度20的硅胶。4.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述传感器(1)为三条，相邻传感器(1)之间的夹角为120
°
；传感器(1)被压缩时阻值变小，被拉伸时阻值变大。5.根据权利要求1所述的多维力传感器，其特征在于，所述传感器(1)与底座(4)之间通过若干个第一固定件(3)相连接，底座(4)与电路板(5)之间通过若干个第二固定件(6)相连接。6.根据权利要求5所述的多维力...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙守迁，汤永川，罗睿铭，赵相羽，张语萱，徐国仙，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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