[發明專利]一種多維力傳感器及其自適應柔性外骨骼人機接口

有效

• 申請號: 202010885326.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112247957B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 孫守遷;湯永川;羅睿銘;趙相羽;張語萱;徐國仙
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00;B25J13/08;B25J19/00;G01L5/1623;G01L1/22
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

1.一種具有多維力傳感器的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，包括依次首尾相連的第一弧狀板面（71）、連接件（8）、第二弧狀板面（72）和綁帶（9），共同構成環狀結構，用于穿戴外骨骼；

第一弧狀板面（71）一端的外側通過彈性軸（12）與連接件（8）一端的外側相連，第一弧狀板面（71）能以彈性軸（12）為軸心相對連接件（8）向外側轉動，用于不同規格外骨骼的穿戴；第一弧狀板面（71）的內壁均勻分布安裝有若干多維力傳感器，多維力傳感器的軸線與所在第一弧狀板面（71）的內壁垂直，用于監測外骨骼的形變；所述第二弧狀板面（72）與第一弧狀板面（71）的結構和連接方式相同；

所述連接件（8）上縱向開設有貫通的碳纖維管安裝孔（10），用于連接外骨骼的碳纖維管；所述連接件（8）上還設有氣嘴（11），氣嘴（11）的一端通過管路與多維力傳感器的氣囊（2）相連通，另一端與通過管路與外骨骼的充氣裝置相連通，用于為氣囊（2）充氣；

所述多維力傳感器包括傳感器（1）、氣囊（2）、底座（4）和電路板（5）；

底座（4）的頂部固定連接有氣囊（2），底部固定連接有電路板（5）；所述氣囊（2）具有氣密性，氣囊（2）的周向均勻布設至少三條傳感器（1）；傳感器（1）的一端固定于氣囊（2）頂部，另一端固定于底座（4）；傳感器（1）的初始狀態不產生形變，能隨傳感器（1）所在處的部分氣囊（2）一同被拉伸或壓縮，且不影響氣囊（2）的形變；氣囊（2）的中部具有內縮段，充放氣時氣囊（2）在單軸方向的形變量大于其余方向的形變量；傳感器（1）和氣囊（2）均為柔性材質；傳感器（1）在被拉伸或壓縮時能產生阻值變化；各傳感器（1）均通過導線與電路板（5）相連接，電路板（5）用于將傳感器（1）的阻值變化轉變為電信號；所述傳感器（1）內部設有呈弓形的腔室，腔室內部填充有液態金屬共晶鎵銦合金，腔室的兩端均通過導線與所述電路板（5）相連接。

2.根據權利要求1所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述電路板（5）為設有電流源電路、第一級放大電路、負電壓電路和第二級放大電路的信號采集板；所述電流源電路用于將傳感器（1）的阻值變化轉變為電壓信號，所述第一級放大電路用于將所述電壓信號進行一級放大，所述負電壓電路用于為第一級放大電路提供負壓電源；所述第二級放大電路用于對所述電壓信號進行二級放大，并與外部的信號采集系統相連接。

3.根據權利要求1所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述傳感器（1）和氣囊（2）均為硅膠材質，所述底座（4）為樹脂材質。

4.根據權利要求3所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述氣囊（2）為Ecoflex0030硅膠。

5.根據權利要求3所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述傳感器（1）為邵氏硬度20的硅膠。

6.根據權利要求1所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述傳感器（1）為三條，相鄰傳感器（1）之間的夾角為120°；傳感器（1）被壓縮時阻值變小，被拉伸時阻值變大。

7.根據權利要求1所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述傳感器（1）與底座（4）之間通過若干個第一固定件（3）相連接，底座（4）與電路板（5）之間通過若干個第二固定件（6）相連接。

8.根據權利要求7所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述第一固定件（3）為螺栓，在所述底座（4）側壁上與每個傳感器（1）相對應的位置處均開設有螺紋安裝孔，第一固定件（3）貫穿傳感器（1）并固定于對應的螺紋安裝孔中，將傳感器（1）貼合固定于底座（4）側壁上。

9.根據權利要求7所述的自適應柔性外骨骼人機接口，其特征在于，所述第二固定件（6）為銅柱，所述底座（4）底部開設有固定孔，第二固定件（6）貫穿電路板（5）并固定于底座（4）的固定孔中，將電路板（5）貼合固定于底座（4）底面上。