一种机械外骨骼传感器系统的制作方法

本发明涉及一种机械外骨骼传感器的设计，尤其涉及基于霍尼韦尔触力传感器的机械外骨骼传感器系统。

背景技术：

目前人类使用的机械外骨骼系统主要应用在两大方面：军事和医疗，未来在工业领域也能发挥一定的作用。

军事应用方面：各国竞相研究，军事应用率先发力各国竞相研究，打造军事强国是机械骨骼发展的源动力，因此呈现出各国竞相研究的行业态势，可以预见军事应用将率先突破。

医疗应用方面：军用转民，医疗应市场空间巨大在医疗方面，步态训练是下肢功能障碍康复训练的主要方式，机械骨骼可以应用在神经康复领域的特定训练中，能够保证高效的康复训练，因此非常适合老年人和残疾人使用。

工业应用方面：工业应用主要面向工程施工、紧急救助(疾病、事故、灾害、突发事件)、生产制造、搬运输送、危险工作(如核电站操作维护、航天空间站、深水作业)等。

机械外骨骼技术成果

机械外骨骼技术目前成果只是取得初步进展，尚未形成可以切实应用的大规模产业，未来研究的方向主要集中在五个方面：(1)人造肌肉纤维：人造肌肉纤维可以利用电压变化使人造纤维收缩或伸张来产生力量，从而取代目前通用的液压驱动系统。(2)控制系统：相较于基于网络技术的远程控制系统仅仅停留在简单的动作示教层面或者只能对机器人关节或者末端执行器进行单个或者少数几个自由度的孤立控制这一明显缺点，系统内控制是未来发展的必然趋势。(3)机械结构设计：在满足行走需要的基本条件外，还必须考虑安全性、兼容性、舒适性。(4)能量源：补给能量之前，机械骨骼具有的能量必须足以支持24小时亟需解决。(5)促动：设计者必须使机器能够顺畅移动，以便穿用者不会太笨拙，与发动机一样，促动器也必须安静而高效。

机械骨骼技术的重中之重——传感器，传感器是机械骨骼中最重要的核心零部件。通过传感器来收集使用者的活动信息，这些信息传递给信息处理器进行处理，然后启动相应的机械部件来输出能量。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供基于霍尼韦尔触力传感器的机械外骨骼传感器系统，它采用挡板和挡片系统对传感器进行限位和动作，感应度灵敏，动力响应好，系统简单，易于安装和应用。

技术方案：

一种机械外骨骼传感器系统，包括挡板、固定装置以及触力传感器；

在所述固定装置中间位置设有用于安装机械腿的安装槽；在所述固定装置沿着人体前进方向前后两侧分别安装有所述触力传感器；在所述固定装置左右任一侧上设有导轨；在所述导轨上设有可在所述导轨上滑动的滑动块；

所述挡板包括连接板及其两端的触碰板；所述连接板与所述滑动块固定连接；所述触碰板为两块，分别设置在所述固定装置上安装的两个触力传感器的前方和后方位置；

在所述挡板的连接板上连接有挡片，所述挡片通过绑带系在人体踝关节上。

所述固定装置包括第一固定块和第二固定块；所述第一固定块和第二固定块均为拱桥形；二者相互配合，通过螺钉固定连接安装槽；所述导轨设置在所述第一固定块背离安装槽的侧面上。

所述触力传感器通过螺钉横跨安装两个固定块上。

所述触力传感器为霍尼韦尔传感器。

所述挡板的触碰板距离所述触力传感器的距离为5mm。

有益效果：

1、使用挡板和挡片系统对传感器的保护，大幅度地增加了恶劣环境下的可靠性。

2、灵敏度高，系统响应好，减少多余的动作，降低了液压油在油管路中的能量损失，提高了能量利用率。

附图说明

图1是本发明专利整体示意图。

图2是霍尼韦尔传感器的安装位置示意图。

图3是本发明固定块示意图；其中，(a)、(b)、(c)分别表示主视图、左视图和俯视图。

图4是本发明挡板示意图；其中，(a)、(b)、(c)分别表示主视图、左视图和俯视图。

图5是本发明滑块示意图；其中，(a)、(b)、(c)分别表示主视图、左视图和俯视图。

附图标记说明：10-霍尼韦尔传感器；1-滑动块；2-挡板；3-第一固定块；31-导轨；4-第二固定块；5-挡片；6-内六角沉头螺钉M3×12；7-开槽圆柱头螺钉M2×5；8-开槽圆柱头螺钉M1.6×14；9-内六角沉头螺钉M3×8；10—内六角圆柱头螺钉M3×8。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明使用霍尼韦尔传感器即FSS系列小型精密可靠触力传感器具有精密可靠的力传感性能，它封装在小型商品等级的包装中，其价格便宜。该传感器的特色是采用了已被证明可靠的传感技术，即使用专门设计的精制压敏电阻硅传感元件。小功率，无放大、无补偿的惠斯顿电桥电路设计可在力范围内提供内在稳定的mV输出。

FSS系列触力传感器根据埋入硅片的压电电阻，在其受到任何外力而挠曲时，其电阻会增加的原理工作。该传感器通过不锈钢球，将施加的力直接集中到硅-传感元件上，电阻值的变化是随施加力的大小而成比例的变化。电路电阻的变化致使mV输出电平也作相应的变化。

FSS系列触力传感器的封装设计结合了本专利的模块结构。该系列触力传感器采用创新的弹性技术工艺和模制的工程塑料，使过力大小可达4.5/5.5kg。不锈钢球提供了极佳的机械稳定性，它适应于各种应用。FSS系列触力传感器在50℃(122°F)时，故障平均周期(MCTF)的可靠性测试中可提供2千万次操作。可靠性测试确定了触力传感器在出故障前，在满量程情况下可能的工作次数。各种电气互连接头，可接受预接线的连接器，印刷电路板安装和表面安装。FSS系列触力传感器独特的传感器设计还可提供包括安装架在内的各种安装形式选项，以及可满足应用时的各种具体安装要求。

将霍尼韦尔传感器固定在固定块上，第一固定块3和第二固定块4之间夹着机械腿的动力系统的连杆，通过系在踝关节上的挡片5、挡板2和滑动块1随着脚踝运动，当霍尼韦尔传感器碰触到挡板2会检测到人体脚踝的动作，传感器信号会先经过机械外骨骼系统中的AD模数转换器、模拟比较器、DA数模转换器、信号放大器处理，然后输送到电液伺服阀，电液伺服阀控制踝关节的液压驱动器进行动作；踝关节液压驱动器会拉动踝关节的运动部件进行动作以完成提踝动作，直到机械外骨骼脚踝部位转动幅度与人脚踝转幅相同。当人体恢复站立时，挡片5、挡板2以及滑动块1恢复原状，传感器不在接收到信号，传感器将信息经处理后发给电液伺服阀，控制踝关节液压驱动器拉杆反向动作，如此往复运动形成机械外骨骼的传感和运动。

如图1所示的整体装配图，由滑动块1、挡板2、第一固定块3、第二固定块4、挡片5及各附属部件组成。第一固定块3和第二固定块4将机械腿的传动机构用开槽圆柱头螺钉M1.6×14固定在两者之间，霍尼韦尔传感器10使用开槽圆柱头螺钉M2×5安装在两固定块的两侧，横跨两个固定块，在本发明中，一共有两个传感器。霍尼韦尔传感器的安装位置如图2所示。滑动块1和挡板2、挡片5使用内六角沉头螺钉M3×12固定好。在第一固定块3背离机械腿安装位置的一侧上开设有导轨31，如图3所示；滑动块1设置在第一固定块3的导轨31上，并可随着导轨31滑动。挡板2固定在滑动块1外侧，与滑动块1固定连接；通过螺钉配合在挡板2与第一固定块3之间形成一个滑动块1的滑动空间。所述挡板2包括连接板及其两端的触碰板；所述连接板与所述滑动块1固定连接；所述触碰板为两块，分别设置在所述固定装置上安装的两个触力传感器的前方和后方位置，触碰板距离触力传感器的距离为5mm。挡片5通过螺钉固定在挡板2的连接板外侧，挡片5用于固定绑带，整个系统通过绑带系在人体踝关节上。

当脚踝提起时绑带随之运动，而绑带连接着挡片5、挡板2和滑动块1一同运动，从而固定块上的传感器会碰触到挡板2两侧触碰板中的一侧，从而使霍尼韦尔传感器接收到信号，然后传递给AD模数转换器、模拟比较器、DA数模转换器、信号放大器处理，然后输送到电液伺服阀，电液伺服阀控制踝关节的液压驱动器进行动作。

如图3所示，固定块设计为拱桥形的形状可以很好的节约空间，同时固定霍尼韦尔触力传感器。

如图4所示，挡板2主要起给传感器信号和保护传感器的作用，配合挡板2给固定块的导轨31和滑动块1一个轨道使其进行上下移动，预留四个孔作为螺钉固定挡片5使用。

如图5所示，滑动块1主要配合挡板2起到导轨的作用，同时起到限位作用保护传感器不会因过度挤压而破坏。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。