[發(fā)明專利]一種多維力傳感器及其自適應(yīng)柔性外骨骼人機接口

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010885326.2
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN112247957B
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發(fā)明（設(shè)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(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 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(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發(fā)明公開了一種多維力傳感器及其自適應(yīng)柔性外骨骼人機接口，人機接口包括依次首尾相連的第一弧狀板面、連接件、第二弧狀板面和綁帶，共同構(gòu)成環(huán)狀結(jié)構(gòu)；第一弧狀板面能以彈性軸為軸心相對連接件向外側(cè)轉(zhuǎn)動；第一弧狀板面的內(nèi)壁均勻分布安裝有若干多維力傳感器，所述第二弧狀板面與第一弧狀板面的結(jié)構(gòu)和連接方式相同；所述連接件上縱向開設(shè)有貫通的碳纖維管安裝孔，連接件上還設(shè)有氣嘴。本發(fā)明利用硅膠材料制作的充氣氣囊單元作為人機物理界面的柔性裝置，通過充放氣動態(tài)地調(diào)節(jié)人機界面的幾何形態(tài)和接觸壓力，并使用液態(tài)金屬制成的傳感器為氣囊增加感知的功能，使氣囊能夠檢測自身的形變以及接觸面上的壓力，為上層控制提供傳感數(shù)據(jù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于可穿戴傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種多維力傳感器及其自適應(yīng)柔性外骨骼人機接口。

背景技術(shù)

外骨骼機器人是穿戴在人體身上、旨在增強穿戴者運動機能的機械設(shè)備。它是一種特殊的機器人，需要和人一起完成任務(wù)，所以相較于普通的機器人更需要關(guān)注其人機交互的能力。外骨骼的人機交互很重要的一個方面是外骨骼和人連接的物理界面。

人體由軟體組織包圍，無法用傳統(tǒng)的剛體連接方式來固定人體和外骨骼?，F(xiàn)在市面上的外骨骼一般采用柔性襯套、尼龍粘合帶或尼龍扣帶來連接人和外骨骼。這些連接方式需要一定的夾持力或綁定力來增加連接穩(wěn)定性，而這些力是系統(tǒng)內(nèi)力，對外骨骼的助力部門沒有幫助，卻會使人體表面受到的壓力增加。可見在連接可靠性和人體穿戴舒適度上存在一定的矛盾，所以需要針對人體的結(jié)構(gòu)進行特殊的設(shè)計，使其能夠在盡量小的內(nèi)力前提下保證可靠的連接。

以下肢外骨骼為例，下肢外骨骼主要在大腿處與人體連接，而大腿正面有著人體最大的股四頭肌肌肉群，大腿背面有著股二頭肌以及豐富的皮下脂肪以及其他軟組織，所以外骨骼無法直接傳導(dǎo)力至大腿骨處。因為肌肉組織在收縮時會產(chǎn)生明顯的形變，組織剛度也會發(fā)生變化，而人在正常步態(tài)時，大腿的肌肉群都處于參與狀態(tài)，所以大腿的形態(tài)和表面剛度有一個動態(tài)的變化過程。由于大腿形態(tài)的變化，外骨骼的連接處無法通過一個固定剛性襯套來包圍住大腿，人在運動時，固定的襯套會影響肌肉的收縮。使用柔性的襯套雖然可以減小對運動影響，但是柔性的襯套要可靠地連接在大腿上需要一個預(yù)緊力。由于柔性材料的彈性力與形變量有關(guān)，所以當(dāng)遇到剛度較高的肌肉組織時會產(chǎn)生較大的壓縮形變量，而遇到剛度較低的脂肪組織時壓縮量就變小了，這樣會在大腿的部分表面上產(chǎn)生較大的壓強峰值，從而影響穿戴的舒適性。

由以上分析可知，外骨骼的人機物理界面需要一種可控的柔性裝置，通過動態(tài)地調(diào)整柔性裝置的形態(tài)來改變和人體接觸的壓力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，并提供一種多維力傳感器及其自適應(yīng)柔性外骨骼人機接口。本發(fā)明利用硅膠材料制作的充氣氣囊單元作為人機物理界面的柔性裝置，通過充放氣動態(tài)地調(diào)節(jié)人機界面的幾何形態(tài)和接觸壓力，并使用液態(tài)金屬制成的傳感器為氣囊增加感知的功能，使氣囊能夠檢測自身的形變以及接觸面上的壓力，為上層控制提供傳感數(shù)據(jù)。

本發(fā)明所采用的具體技術(shù)方案如下：

一種多維力傳感器，其包括傳感器、氣囊、底座和電路板；

底座的頂部固定連接有氣囊，底部固定連接有電路板；所述氣囊具有氣密性，氣囊的周向均勻布設(shè)至少三條傳感器，所述傳感器為電阻應(yīng)變式傳感器；傳感器的一端固定于氣囊頂部，另一端固定于底座；傳感器的初始狀態(tài)不產(chǎn)生形變，能隨傳感器所在處的部分氣囊一同被拉伸或壓縮，且不影響氣囊的形變；氣囊的中部具有內(nèi)縮段，充放氣時氣囊在單軸方向的形變量大于其余方向的形變量；傳感器和氣囊均為柔性材質(zhì)；傳感器在被拉伸或壓縮時能產(chǎn)生阻值變化；各傳感器均通過導(dǎo)線與電路板相連接，電路板用于將傳感器的阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；所述傳感器?nèi)部設(shè)有呈弓形的腔室，腔室內(nèi)部填充有液態(tài)金屬共晶鎵銦合金，腔室的兩端均通過導(dǎo)線與所述電路板相連接。