一种分布式交互力测量装置及其测量方法
【专利摘要】本发明涉及人体外骨骼机器人，具体涉及一种分布式交互力测量装置及其测量方法，装置包括悬臂梁阵列（1）、机器人外骨骼（2）和绑缚装置（3）、所述绑缚装置（3）的外壁一侧和所述机器人外骨骼（2）固连，所述悬臂梁阵列（1）设置在绑缚装置（3）的内壁上，悬臂梁阵列（1）由放大电路板（4）和固连在放大电路板（4）上的悬臂梁（5）构成，所述悬臂梁（5）由两个连接片（6）中间固连一个聚四氟乙烯Z形块（7）构成等特征。本发明极大地节省了安装空间，更为方便穿戴者进行穿戴；不需要精密加工，大大的节省了成本；能起到更为指导意义的评估作用，并能够通过其对外骨骼机器人绑缚结构进行优化设计。
【专利说明】一种分布式交互力测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及人体外骨骼机器人，具体涉及一种分布式交互力测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002]在人体外骨骼机器人的设计制造领域，外骨骼和人体的交互力的分布情况是作为评估外骨骼是否穿戴舒适的标准之一。
[0003]目前最接近的技术是一种六维力传感器，也是用于测量接触力、拉力或者交互力的一种测量装置，该六维力传感器在三个方向上设置弹性接触体，通过测量该弹性接触体的形变来测量该交互力在空间坐标中的大小和方向。
[0004]六维力传感器的主要缺点有以下三个:1)体积较大，不利于在空间需要节省使用的装置上进行安装，像外骨骼机器人这种需要进行穿戴的机器人，更应节省安装空间；2)成本非常高，由于该装置中的弹性接触体需要特殊的材料进行加工制作，而且对于该装置的密封外壳也需要精密加工，所以导致该装置的成本非常高；3)测量为单点测量，该装置只能够测量外骨骼机器人与穿戴者接触的单点位置，不能够准确地反映交互力的分布状态，起到评估外骨骼机器人穿戴舒适性的作用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种分布式交互力测量装置及其测量方法，解决目前用于测量分布式交互力的技术设备体积过大不便用于外骨骼机器人，设备成本过高，以及测量不精准不全面的问题。
[0006]为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案:一种分布式交互力测量装置，包括悬臂梁阵列、机器人外骨骼和绑缚装置、所述绑缚装置的外壁一侧和所述机器人外骨骼固连，所述悬臂梁阵列设置在绑缚装置的内壁上，悬臂梁阵列由放大电路板和固连在放大电路板上的悬臂梁构成，所述悬臂梁由两个连接片中间固连一个聚四氟乙烯Z形块构成，在所述聚四氟乙烯Z形块的中间段上设置有应变片，所述应变片和放大电路板电连接，所述放大电路板和数据采集终端相连接。
[0007]更进一步的技术方案是，所述绑缚装置内壁上的悬臂梁阵列有四个，在绑缚装置捆缚腿臂时，悬臂梁阵列均布在腿臂四周。
[0008]更进一步的技术方案是，所述悬臂梁阵列的放大电路板呈长条板状，每隔放大电路板上均设有六个悬臂梁，在绑缚装置捆缚腿臂时，六个悬臂梁竖向紧靠在腿臂上。
[0009]一种测量交互力的方法，包括以下步骤:
步骤一，将所述绑缚装置设置在所述机器人外骨骼的两个大腿部外骨骼和两个小腿部外骨骼上；
步骤二，将绑缚装置捆缚在使用者的两个大腿部和两个小腿部，缚紧并使悬臂梁阵列均布在腿部的四周，同时保证悬臂梁阵列上的悬臂梁均紧压在腿部上； 步骤三，使用者带动机器人外骨骼正常行走，悬臂梁上的应变片随着挤压力的变化而发生电阻值变化，放大电路板接收到应变片的电阻值变化并传输至数据采集终端；
步骤四，数据采集终端同时接收设置在两个大腿部和两个小腿部的所有应变片的变化情况，得出交互力分布式情况。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
I)将传感器阵列分布在外骨骼机器人的缚装置上，以分布式的方式安装传感器，极大地节省了安装空间，更为方便穿戴者进行穿戴。
[0011]2)通过采用聚四氟乙烯作为悬臂梁材料，并采用应变片作为形变测量装置，由于需要对传感器进行标定的过程，所以在传感器的机械结构加工上也不需要精密加工，大大的节省了成本。
[0012]3)通过对传感器阵列进行分布式的安装，准确的反映了外骨骼机器人与穿戴者之间的交互力分布情况，能起到更为指导意义的评估作用，并能够通过其对外骨骼机器人绑缚结构进行优化设计。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明一种分布式交互力测量装置的展开状态结构示意图。
[0014]图2为本发明一种分布式交互力测量装置的使用状态结构示意图。
[0015]图3为本发明一种分布式交互力测量装置的悬臂梁阵列结构示意图。
[0016]图4为本发明一种分布式交互力测量装置的悬臂梁结构示意图。
[0017]图5为本发明一种分布式交互力测量装置的悬臂梁受力原理图。
【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]图1-图4示出了本发明一种分布式交互力测量装置的一个实施例:一种分布式交互力测量装置，包括悬臂梁阵列1、机器人外骨骼2和绑缚装置3、所述绑缚装置3的外壁一侧和所述机器人外骨骼2固连，所述悬臂梁阵列I设置在绑缚装置3的内壁上，悬臂梁阵列I由放大电路板4和固连在放大电路板4上的悬臂梁5构成，所述悬臂梁5由两个连接片6中间固连一个聚四氟乙烯Z形块7构成，在所述聚四氟乙烯Z形块7的中间段上设置有应变片8，所述应变片8和放大电路板4电连接，所述放大电路板4和数据采集终端相连接。
[0020]图1和图2还示出了本发明一种分布式交互力测量装置的一个优选实施例，所述绑缚装置3内壁上的悬臂梁阵列I有四个，在绑缚装置3捆缚腿臂时，悬臂梁阵列I均布在腿臂四周。
[0021]图3还示出了本发明一种分布式交互力测量装置的一个优选实施例，所述悬臂梁阵列I的放大电路板4呈长条板状，每隔放大电路板4上均设有六个悬臂梁5，在绑缚装置3捆缚腿臂时，六个悬臂梁5竖向紧靠在腿臂上。
[0022]一种测量交互力的方法，包括以下步骤:
步骤一，将所述绑缚装置3设置在所述机器人外骨骼2的两个大腿部外骨骼和两个小腿部外骨骼上；
步骤二，将绑缚装置3捆缚在使用者的两个大腿部和两个小腿部，缚紧并使悬臂梁阵列I均布在腿部的四周，同时保证悬臂梁阵列I上的悬臂梁5均紧压在腿部上；
步骤三，使用者带动机器人外骨骼正常行走，悬臂梁5上的应变片8随着挤压力的变化而发生电阻值变化，放大电路板4接收到应变片8的电阻值变化并传输至数据采集终端；步骤四，数据采集终端同时接收设置在两个大腿部和两个小腿部的所有应变片8的变化情况，得出交互力分布式情况。
[0023]如图5所示，在悬臂梁5受到外界压力F的时候，应变片8会发生形变并改变其自身阻值，与应变片8连接的放大电路板4，通过对应变片8的阻值变化进行测量输出，从得出测量悬臂梁5受到的外界压力F的大小，统计起来则为分布式交互力的结果。通过对每个悬臂梁阵列I中的悬臂梁5进行标号，就能对外骨骼机器人与穿戴者之间的交互力分布进行测量定位。
[0024]尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
【权利要求】
1.一种分布式交互力测量装置，其特征在于:包括悬臂梁阵列(I)、机器人外骨骼(2)和绑缚装置(3)、所述绑缚装置(3)的外壁一侧和所述机器人外骨骼(2)固连，所述悬臂梁阵列(I)设置在绑缚装置(3)的内壁上，悬臂梁阵列(I)由放大电路板(4)和固连在放大电路板(4)上的悬臂梁(5)构成，所述悬臂梁(5)由两个连接片(6)中间固连一个聚四氟乙烯Z形块(7)构成，在所述聚四氟乙烯Z形块(7)的中间段上设置有应变片(8)，所述应变片(8)和放大电路板(4)电连接，所述放大电路板(4)和数据采集终端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种分布式交互力测量装置，其特征在于:所述绑缚装置(3)内壁上的悬臂梁阵列(I)有四个，在绑缚装置(3)捆缚腿臂时，悬臂梁阵列(I)均布在腿臂四周。
3.根据权利要求1或2所述的一种分布式交互力测量装置，其特征在于:所述悬臂梁阵列(I)的放大电路板(4)呈长条板状，每隔放大电路板(4)上均设有六个悬臂梁(5)，在绑缚装置(3 )捆缚腿臂时，六个悬臂梁(5 )竖向紧靠在腿臂上。
4.一种使用权利要求1、2或3任意一项所述一种分布式交互力测量装置测量交互力的方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤一，将所述绑缚装置(3)设置在所述机器人外骨骼(2)的两个大腿部外骨骼和两个小腿部外骨骼上； 步骤二，将绑缚装置(3)捆缚在使用者的两个大腿部和两个小腿部，缚紧并使悬臂梁阵列(I)均布在腿部的四周，同时保证悬臂梁阵列(I)上的悬臂梁(5)均紧压在腿部上； 步骤三，使用者带动机器人外骨骼正常行走，悬臂梁(5)上的应变片(8)随着挤压力的变化而发生电阻值变化，放大电路板(4)接收到应变片(8)的电阻值变化并传输至数据采集终端； 步骤四，数据采集终端同时接收设置在两个大腿部和两个小腿部的所有应变片(8)的变化情况，得出交互力分布式情况。
【文档编号】G01L1/22GK104180932SQ201410416190
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】程洪, 黄瑞, 林西川, 过浩星 申请人:电子科技大学