多足式機器人足端壓力傳感器的製作方法

2023-05-14 03:08:36

專利名稱：多足式機器人足端壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於多足式機器人足端力信號探測的壓力傳感器，屬於傳感器技術。
背景技術：
為了更好地調整步行機器人行走時的步態和姿態，多足式機器人往往通過足端壓力傳感器獲取地面信息，並根據這些信息進行實時控制。目前，普通的壓力傳感器因存在測量範圍窄、減震性能差、易於損壞、價格昂貴等缺點，不能直接移植到多足式機器人的足端，制約了多足式機器人機動性能的發揮。

發明內容
本發明的目的在於提供一種適用於多足式機器人的新型足端壓力傳感器。該傳感器具有體積小、量程大、結構簡單、功能可靠、性能穩定、減震性能好、使用壽命長等特點。
為了實現上述發明目的，該傳感器包括足端觸力機械傳遞裝置、信號轉換及放大裝置和ERF電流變敏感材料隔振裝置。
足端觸力機械傳遞裝置是由上彈簧導杆、下彈簧導杆、二級減震彈簧、圓錐支撐杆、墊板和墊圈組成。墊板在腿部筒套的凸臺之上，通過螺栓與足套相連接；圓錐支撐杆通過足端螺杆、連接螺杆分別與垂直力轉換裝置和下彈簧導杆相連接；連接螺杆固定裝置用於固定連接螺杆；一級減震彈簧被固定在足套與腿部套筒之間的空間內，並且其底端與足套中的圓柱凸臺相接觸，一級減震彈簧的頂端與腿部套筒之間墊有墊圈，達到一級減震的目的；上彈簧導杆和下彈簧導杆可以在腿部套筒中上下滑動，兩者之間通過二級減震彈簧傳遞力的作用，以達到二級減震的目，從而將最終傳到傳感器上的力限制到規定0到5N範圍之內。信號轉換及放大裝置是固定在上彈簧導杆和腿部套筒的凸臺之間；ERF電流變敏感材料上部與機器人腿部相連接，下部與信號轉換與放大模塊相接觸。足端為橡膠材料，套在腿部套筒的下部。足套與足端通過螺紋相連。垂直力轉換裝置為鋁製材料。
信號轉換及放大裝置包括供電模塊、信號測量轉換模塊和信號放大模塊。供電模塊採用恆流源供電，有效消除了溫度變化的影響。信號測量轉換模塊採用由單晶矽製成的壓敏電阻所構成的電橋。單晶矽具有工作可靠、耐腐蝕、抗幹擾能力強等特點。當壓力經足端觸力機械傳遞裝置傳到信號測量轉換模塊時，彈性膜片就會產生形變，形成正、負兩個應變區，同時壓敏電阻的電阻率也發生相應的變化，引起電橋不平衡，產生一個與壓力成正比的電流信號。信號放大模塊具有高阻抗，有效避免了從信號測量轉換模塊的輸出端吸收電流，在不破壞信號測量轉換模工作狀態的情況下將輸出信號放大。
減震裝置採用ERF電流變敏感材料，該材料可以在液態和固態屬性之間快速轉變，響應時間為ms量級；該轉變可以使用簡單的電場信號控制；控制材料消耗的能量極低；轉變表現為表觀黏度隨電場強度連續、無級變換，而且完全是可逆的；轉變體系不存在機械構件間的相對運動，具有無磨損、工作狀態柔和、噪聲低、壽命長等特點。信號轉換及放大裝置的輸出信號傳遞到ERF電流變敏感材料減震裝置，ERF智能材料隨電信號的強弱改變狀態，從而收到實時、自適應減震的效果。
本發明的優點(1)傳感器的機械傳動裝置通過二級減震，可將機器人足端較大的觸力線性地縮減到力敏電阻的正常感測範圍內，增大了傳感器的量程；(2)信號轉換及放大電路具有工作可靠、耐腐蝕、抗幹擾能力強、不受溫度影響等特點；(3)減震裝置採用ERF電流變敏感材料，能夠隨電信號的強弱改變狀態，從而收到實時、自適應減震的效果；(4)該壓力傳感器採用模塊化設計，結構簡單、功能可靠，可廣泛應用於各種多足式機器人。


附圖1是多足式機器人足端壓力傳感器的整體結構示意圖。
附圖2是信號轉換及放大裝置的電路圖。
附圖中，1-信號轉換及放大裝置，2-上彈簧導杆，3-螺栓，4-下彈簧導杆，5-腿部套筒，6-墊板，7-墊圈，8-足套，9-二級減震彈簧，10-一級減震彈簧，11-圓錐支撐杆，12-垂直力轉換裝置，13-ERF電流變敏感材料，14-電橋，15-信號放大模塊，16-供電模塊，17-足端螺杆，18-連接螺杆，19-連接螺杆固定裝置，20-機器人腿部，21-足端。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
如圖1所示，多足式機器人足端觸力機械傳遞裝置是由上彈簧導杆2、下彈簧導杆4、二級減震彈簧9、圓錐支撐杆11、墊板6和墊圈7組成。墊板6在腿部筒套5的凸臺之上，通過螺栓3與足套8相連接；圓錐支撐杆11通過足端螺杆17、連接螺杆18分別與垂直力轉換裝置12和下彈簧導杆4相連接；連接螺杆固定裝置19用於固定連接螺杆；一級減震彈簧10被固定在足套8與腿部套筒5之間的空間內，並且其底端與足套8中的圓柱凸臺相接觸，一級減震彈簧10的頂端與腿部套筒之間墊有墊圈7，達到一級減震的目的；上彈簧導杆2和下彈簧導杆4可以在腿部套筒中上下滑動，兩者之間通過二級減震彈簧9傳遞力的作用，以達到二級減震的目，從而將最終傳到傳感器上的力限制到規定0到5N範圍之內。信號轉換及放大裝置1是固定在上彈簧導杆2和腿部套筒5的凸臺之間；ERF電流變敏感材料13上部與機器人腿部20相連接，下部與信號轉換與放大模塊1相接觸。足端21為橡膠材料，套在腿部足套8的下部。足套8與足端21通過螺紋相連。垂直力轉換裝置12為鋁質材料或塑料。
當多足式機器人的足端21與地面接觸時，觸力通過圓錐支撐杆11傳遞到二級減震彈簧9和一級減震彈簧10，使其發生形變，從而使達到信號轉換及放大裝置1內的壓力在力敏電阻的正常感測範圍內。該壓力使由R1、R2、R3、R4組成的彈性膜片產生形變，形成正、負兩個應變區，同時壓敏電阻的電阻率也發生相應的變化，引起信號轉換電橋14不平衡，產生一個與壓力成正比的電信號。電信號通過信號轉換及放大裝置1內的信號放大模塊15輸出，一路輸入AD轉換器而另一路輸入ERF電流變敏感材料減震裝置13。輸入ERF電流變敏感材料的電信號使敏感材料的狀態發生變化，從而收到實時、自適應減震的效果。供電模塊16則用於向信號轉換及放大裝置1供電。
當多足式機器人的足端與地面分離時，二級減震彈簧9和一級減震彈簧10恢復為初始狀態，彈性膜片也恢復為初始狀態。此時電橋14平衡，無電信號輸出，因此減震裝置中的ERF電流變敏感材料13也恢復到初始狀態。
權利要求
1.一種適用於多足式機器人足端的壓力傳感器，其特徵在於該傳感器包括足端觸力機械傳遞裝置、信號轉換及放大裝置(1)和ERF電流變敏感材料減震裝置(13)；觸力機械傳遞裝置在信號轉換及放大裝置(1)的下部，ERF電流變敏感材料減震裝置在信號轉換及放大裝置(1)的上部。
2.如權利要求1所述的多足式機器人足端壓力傳感器，其特徵在於機械傳遞裝置是由上彈簧導杆(2)、下彈簧導杆(4)、二級減震彈簧(9)、圓錐支撐杆(11)、墊板(6)和墊圈(7)組成；墊板(6)在腿部筒套(5)的凸臺之上，通過螺栓(3)足套(8)相連接；圓錐支撐杆(11)通過足端螺杆(17)、連接螺杆(18)分別與垂直力轉換裝置(12)和下彈簧導杆(4)相連接；連接螺杆固定裝置(19)用於固定連接螺杆；一級減震彈簧(10)被固定在足套(8)與腿部套筒(5)之間的空間內，並且其底端與足套(8)中的圓柱凸臺相接觸，一級減震彈簧(10)的頂端與腿部套筒之間墊有墊圈(7)；上彈簧導杆(2)和下彈簧導杆(4)在腿部套筒中上下滑動。
3.如權利要求1所述的多足式機器人足端壓力傳感器，其特徵在於減震裝置(13)是由ERF電流變敏感材料組成。
4.如權利要求1所述的多足式機器人足端壓力傳感器，其特徵在於信號轉換及放大裝置(1)包括供電模塊(16)、信號測量轉換模塊(14)和信號放大模塊(15)。
全文摘要
一種機器人足端壓力傳感器，涉及傳感器技術。該發明由足端觸力機械傳遞裝置、信號轉換及放大裝置和ERF電流變敏感材料減震裝置組成。足端觸力機械傳遞裝置在信號轉換及放大裝置的下部，是由兩個減震彈簧、兩個彈簧導杆、圓錐支撐杆、墊板、墊圈等組成。作用於機器人足端的觸力經過該傳動裝置的二級減震，可將其線性地縮減到力敏電阻的正常感測範圍內。信號轉換及放大裝置包括供電模塊、信號測量轉換模塊和信號放大模塊，能有效消除溫度變化的影響，提高了傳感器性能的穩定性。減震裝置採用ERF電流變敏感材料，ERF智能材料可隨電信號的強弱改變狀態，從而收到實時、自適應減震的效果。
文檔編號G01L1/20GK101038223SQ200710098710
公開日2007年9月19日 申請日期2007年4月25日 優先權日2007年4月25日
發明者羅慶生, 韓寶玲, 趙小川, 張楊, 汪強 申請人:北京理工大學