基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器及其测量方法与流程

本发明属于测力及控制用检测装置领域，特别是一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器及其测量方法，用于柔性大承载力的精确测量之中，提高了柔性力传感器的量程与精度。

背景技术：

在机器人前沿领域探索上，机器人技术的研究发展正面向高端制造、医疗康复、国防安全等国家重点战略领域稳步推进，在机器人的力检测技术上，柔性力检测技术以其高度的适应性、柔顺性，近几年来正飞速的发展。目前的柔性传感器大多采用柔性大变形材料作为基体，而柔性基体的非线性变形导致柔性传感器在大量程测量情况下的线性度不足。

为了克服这类问题，目前国内外的研究主要集中于结构优化及控制算法的研究中，并没有从变刚度的角度来研究。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器及其测量方法。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器，包括扁长方体的柔性基体1，在柔性基体1内部的主要承载部位设有一气压空腔2，所述的气压空腔设有进气口4；在所述柔性基体1中位于气压空腔上部设有上下两层Z字型首尾连接的微承载通道——第一微承载通道3和第二微承载通道10；所述第一微承载通道3自第一端口6经Z字型首尾连接的空腔至第三端口8；所述第二微承载通道10自第二端口7经Z字型的首尾连接的空腔至第四端口9，所述第一微承载通道3的第三端口8与所述第二微承载通道10的第四端口9相连通，从第一端口6和第二端口7分别引出两根导线用以连接信号采集模块；所述第一微承载通道3和第二微承载通道10注满液态压阻敏感元件。

所述一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器的测量方法，该方法包括如下内容：

当传感器受到拉伸时，柔性基体受拉变形，其内部微承载通道纵向变长，截面变小，导致承载的内部液态元件的总电阻变大，通过惠斯通电桥，将需要检测的电阻值，转化为电压值，输出电压信号；通过信号采集系统检测传感器的输出信号，判断该次测量是否超过传感器的当前量程，如果此次测量没有超过该传感器的当前量程，输出传感器的测量结果，该结果为精确值；而当传感器的受力过大时，基体拉伸变形大于20％时，传感器信号的非线性明显增加，如果此次测量超过该传感器的当前量程，则控制气源向传感器的气压空腔2中输入一定压力的气体，增加传感器的整体刚度，使传感器在受到大载荷力的情况下依然能使基体中微承载通道中的变形保持在线性区，在增加了传感器测量量程的同时也提高了测量的精度；重复所述进行信号检测、判断及变刚度过程，直到检测到传感器在其变形线性区输出的信号为止，最后根据最终输出信号与通入的气体压力可得到待测量的力的大小。

由于采用上述技术方案，本发明提出的基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器及其测量方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明引入气动变刚度机理，通过调整传感器力检测位置的刚度变化来改变传感器的量程，解决了以柔性大变形材料为基体的柔性传感器实际应用中量程不足导致的应用受限的问题，提高了大变形柔性传感器在大承载条件下的应用价值，实现了力的变量程测量，改变了目前的柔性传感器只被应用在小量程力领域的测量。此外，本发明本体结构简单，体积小，重量轻，柔顺性强，在检测力的同时，缓冲受力，减小力对受力双方的破坏；性能稳定，耐酸碱腐蚀，能克服恶劣环境，在矿山、海洋等极端环境下也能稳定的使用；不受人体汗液腐蚀，无毒，能够与皮肤直接接触。因此，本发明能在工业生产，康复医疗，国防军工得到广泛的应用。

附图说明

图1为本发明一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器结构图；

图2为图1中A方向放大视图；

图3为本发明一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器中微通道放大示意图；

图4为本发明一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器的测量方法流程图。

图中：1为传感器的柔性基体，2为气压空腔，3为第一微承载通道，4为进气口，5为引出导线，6为第一端口，7为第二端口；8为第三端口，9为第四端口；10为第二微承载通道。

具体实施方式

下面将结合附图中对本发明加以详细说明。

一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器，如图1—3所示，它包括扁长方体的柔性基体1，作为柔性传感器的主要承载结构，采用柔性硅橡胶或其它符合性能要求的高弹性材料制成；在柔性基体1内部的主要承载部位设有一气压空腔2，所述的气压空腔设有进气口4；在传感器端部设有进气口4，引出进气管，外部接有微型气压输入及控制装置，进行气压空腔内部的压力控制。在所述柔性基体1中位于气压空腔上部成型出设有上下两层Z字型首尾连接的微微承通道——第一微承载通道3和第二微承载通道10；所述第一微承载通道3自第一端口6经Z字型首尾连接的空腔至第三端口8；所述第二微承载通道10自第二端口7经Z字型的首尾连接的空腔至第四端口9，所述第一微承载通道3的第三端口8与所述第二微承载通道10的第四端口9相连通，从第一端口6和第二端口7分别引出两根导线用以连接信号采集模块；所述第一微承载通道3和第二微承载通道10注满液态压阻敏感元件。镓铟锡合金或其它符合性能要求的液态压阻材料为敏感元件；为保证传感器柔顺性，在流体处均采用柔性胶水实现整体密封。同时，可保证传感器在恶劣环境下工作的稳定性。

图2为图1中A方向放大视图，从传感器柔性基体中成型出的气压空腔2，即为传感器的变刚度模块，通过在气动空腔中通入一定压力的气体来改变传感器的整体刚度，使得传感器在拉伸时，在横向上产生一定的内应力，能够抵抗柔性基体的拉伸。

传感器承载敏感元件的微通道，共分为上下两层，如图3所示，上层部分为第一微承载通道由第一端口6引入经呈Z字型分布至第三端口8，再引到下层部分为第二微承载通道由第二端口7引入经呈Z字型分布至第四端口9；在所述的微承载空腔中注满液态压阻敏感元件，如液态镓铟锡合金等压阻性能满足要求的材料。所述的第一微承载通道和第二微承载通道的直径为0.01mm，单程长度为65mm；所述的液态敏感元件电阻值为5mΩ-20mΩ。图中4为通入传感器变刚度模块中的进气口，直径为3mm，通过胶管接入微气源。其中，接口处采用柔性胶水进行密封。

图1中标号5所示为两根引出导线，从微通道的端口6、7分别引出，并通过处理电路，将传感器的接收信号转入到采集卡中，测量出力的大小。引线处也采用柔性胶水密封。

所述一种基于气动变刚度的可变量程柔性力传感器的测量方法，如图4所示是其测量方法流程图，该方法内容如下：

当传感器受到拉伸时，柔性基体受拉变形，其内部微承载通道纵向变长，截面变小，导致承载的内部液态元件的总电阻变大，通过惠斯通电桥，将需要检测的电阻值，转化为电压值，输出电压信号；通过信号采集系统检测传感器的输出信号，判断该次测量是否超过传感器的当前量程，如果此次测量没有超过该传感器的当前量程，输出传感器的测量结果，该结果为精确值；而当传感器的受力过大时，基体拉伸变形大于20％时，传感器信号的非线性明显增加，如果此次测量超过该传感器的当前量程，则控制气源向传感器的气压空腔2中输入一定压力的气体，增加传感器的整体刚度，使传感器在受到大载荷力的情况下依然能使基体中微承载通道中的变形保持在线性区，在增加了传感器测量量程的同时也提高了测量的精度；由于采用的材料为超弹性不可压缩材料，故通过影响传感器横向的受力来改变传感器的纵向拉伸性能，因此，可等效于改变传感器基体1的刚度，进而降低了传感器的受力变形程度，提高了传感器在线性区的测量量程；重复所述进行信号检测、判断及变刚度过程，直到检测到传感器在其变形线性区输出的信号为止，最后根据最终输出信号与通入的气体压力可得到待测量的力的大小。

在不脱离本发明实质的前提下，采用各种不同形式的实现方法，不经创造性地设计出与本发明相类似的结构形状或布局，如改变微通道及变刚度模块的分布和尺寸，均属本发明的保护范围。