一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置制造方法
【专利摘要】一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，它涉及一种用于机器人的足端多维力检测装置，以解决传统的脚部人机交互力检测信息单一，难以准确的判断人体的运动意图，不能满足复杂的控制要求以及传统多维力检测存在的维间耦合问题，它包括鞋垫板、水平力传递板、脚底板、脚底橡胶减震垫、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、弹性体和两个槽形支撑板；所述弹性体包括本体、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第一弹性板、第二弹性板、第三弹性板和六个应变片；本体的两侧分别固装有第一悬臂梁和第二悬臂梁；弹性体布置在脚底板的上表面上，脚底板布置在脚底橡胶减震垫的上表面上。本发明用于机器人的脚部人机交互力检测。
【专利说明】—种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于机器人的足端多维力检测装置，属于机器人【技术领域】。
【背景技术】
[0002]穿戴型下肢助力外骨骼机器人是目前的一个研究热点，可以用于帮助老年人或残疾人行走，也可用于远程负重行军等特殊用途。要保证穿戴的舒适度，及准确的判断人体的运动意图，必须设计一款精确的人机交互力检测装置，而对于下肢助力外骨骼，脚部的人机交互力检测尤为重要。传统的脚部人机交互力检测大多采用薄膜压力传感器，测力鞋垫，或一维拉压力传感器。检测的交互力信息较为单一，难以准确的判断人体的运动意图，进而不能较好的满足复杂的控制要求。本发明针对这一现状，设计了一款可同时检测二维力及一维扭矩的传感器，厚度较薄，便于安装于鞋底；同时消除了传统多维力检测的维间耦合问题，标定简单，具有使用方便，测量准确的特点。
【发明内容】
[0003]本发明是为解决传统的脚部人机交互力检测信息单一，难以准确的判断人体的运动意图，不能满足复杂的控制要求以及传统多维力检测存在的维间耦合问题，进而提供一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置。
[0004]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:本发明的一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置包括鞋垫板、水平力传递板、脚底板、脚底橡胶减震垫、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、弹性体和两个槽形支撑板；
[0005]所述弹性体包括本体、第一悬臂梁、第二悬臂梁、第三悬臂梁、第一弹性板、第二弹性板、第三弹性板和六个应变片；本体的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁，第三悬臂梁的两侧的本体上各固装有纵向设置的第三弹性板，本体的两侧分别固装有第一悬臂梁和第二悬臂梁，第一悬臂梁的下部固装有第一弹性板且二者连接为一体，第二悬臂梁的下部固装有第二弹性板且二者连接为一体，第一悬臂梁的上下表面各粘贴有一个应变片，第二悬臂梁的上下表面各粘贴有一个应变片，第三悬臂梁的两侧面各粘贴有一个应变片；
[0006]弹性体布置在脚底板的上表面上，脚底板布置在脚底橡胶减震垫的上表面上，鞋垫板布置在弹性体的上表面，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆水平且平行布置；
[0007]第一连杆与第二连杆铰接，第二连杆与其中一个槽形支撑板铰接，第一悬臂梁插装在其中一个槽形支撑板的开口内；第三连杆与第四连杆铰接，第三连杆与剩余一个槽形支撑板铰接，第二悬臂梁插装在剩余一个槽形支撑板的开口内；第二连杆转动安装在脚底板的前端，第四连杆转动安装在脚底板的后端，脚底板的前端与橡胶减震垫的前端连接，橡胶减震垫的后端粘接在脚底板的下表面上，鞋垫板的前端与所述其中一个槽形支撑板连接，鞋垫板的后端与所述剩余一个槽形支撑板连接，鞋垫板下表面嵌装有水平力传递板，水平力传递板的下表面加工有突出部，突出部插装在第三悬臂梁的端部加工的并与突出部匹配的通孔内。
[0008]本发明的有益效果是:一、本发明的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、脚底板和鞋垫板构成一个六连杆机构，本发明基于六连杆机构的设计，在此基础上设计了双量程的弹性体检测单元，双量程是指第一悬臂梁、第二悬臂梁和第三悬臂梁为刚性小弹性体，第一弹性板、第二弹性板和第三弹性板为大弹性体，有较大的弹性变形，依靠六连杆机构的转动特性，保留了两个平动自由度和一个转动自由度，用于人机交互力的检测，可以同时测量二维力及一维扭矩，避免了传统多维力检测的维间耦合问题，具有较高的检测精度。二、本发明双量程的设计可以保证在脚部着地时，提供弹性板大量程的保护；在脚部悬空时，又能够充分发挥悬臂梁小量程的需求，使交互力较小时仍具有足够的敏感度，有助于提高机器人的控制效率。三、本发明装置具有厚度薄，测量准确的特点，还具有传感器标定简便的特点，可用于外骨骼型穿戴机器人的脚部交互力检测，也适用于其他仿生双足机器人的脚底地面反作用力检测。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明的整体结构示意图，图2是图1的爆炸示意图，图3是弹性体、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆和槽形支撑板连接的整体结构示意图，图4是本发明的人机交互力信息测量机构简图，图5是本发明应变片粘贴及工作原理示意图，图6是本发明用于穿戴式外骨骼机器人脚部人机交互力检测的结构示意图。
【具体实施方式】
[0010]【具体实施方式】一:结合图1-图3说明，本实施方式的一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置包括鞋垫板5、水平力传递板6、脚底板7、脚底橡胶减震垫9、第一连杆11、第二连杆12、第三连杆14、第四连杆15、弹性体17和两个槽形支撑板10 ；
[0011]所述弹性体17包括本体27、第一悬臂梁19、第二悬臂梁20、第三悬臂梁22、第一弹性板21、第二弹性板23、第三弹性板18和六个应变片25 ;本体27的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁22，第三悬臂梁22的两侧的本体27上各固装有纵向设置的第三弹性板18，本体27的两侧分别固装有第一悬臂梁19和第二悬臂梁20，第一悬臂梁19的下部固装有第一弹性板21且二者连接为一体，第二悬臂梁20的下部固装有第二弹性板23且二者连接为一体，第一悬臂梁19的上下表面各粘贴有一个应变片25,第二悬臂梁20的上下表面各粘贴有一个应变片25，第三悬臂梁22的两侧面各粘贴有一个应变片25 ；
[0012]弹性体17布置在脚底板7的上表面上，脚底板7布置在脚底橡胶减震垫9的上表面上，鞋垫板5布置在弹性体17的上表面,第一连杆11、第二连杆12、第三连杆14和第四连杆15水平且平行布置；
[0013]第一连杆11与第二连杆12铰接，第二连杆12与其中一个槽形支撑板10铰接，第一悬臂梁19插装在其中一个槽形支撑板10的开口内；第三连杆14与第四连杆15铰接，第三连杆14与剩余一个槽形支撑板10铰接，第二悬臂梁20插装在剩余一个槽形支撑板10的开口内；第二连杆12转动安装在脚底板7的前端，第四连杆15转动安装在脚底板7的后端，脚底板7的前端与橡胶减震垫9的前端连接，橡胶减震垫9的后端粘接在脚底板7的下表面上，鞋垫板5的前端与所述其中一个槽形支撑板10连接，鞋垫板5的后端与所述剩余一个槽形支撑板10连接，鞋垫板5下表面嵌装有水平力传递板6，水平力传递板6的下表面加工有突出部6-1，突出部6-1插装在第三悬臂梁22的端部加工的并与突出部6-1匹配的通孔27-1内。
[0014]本实施方式的第二连杆12的两端加装铰链前转动轴13、第四连杆15的两端加装铰链后转动轴16，铰链前转动轴13和铰链后转动轴16分别与外骨骼的脚底板7的前后端铰接。
[0015]【具体实施方式】二:结合图2-图4说明，本实施方式所述突出部6-1包括柱体6-1-1和半球形突出体6-1-2，柱体6-1-1的上端面连接水平力传递板6，柱体6-1-1的下端面与半球形突出体6-1-2的底面的中部连接，半球形突出体6-1-2插装在通孔27-1内。如此设置，第三悬臂梁的力信息传递上，设计了球形的传力构型结构，减小了摩擦损失，提高了检测的灵敏度。其它与【具体实施方式】一相同。
[0016]【具体实施方式】三:结合图4说明，本实施方式的第一悬臂梁19的一端加工有球形部，第二悬臂梁20的一端加工有球形部，第一悬臂梁19的球形部插装在所述其中一个槽形支撑板10的开口内，第二悬臂梁20的球形部插装在所述剩余一个槽形支撑板10的开口内。如此设置，第三悬臂梁的力信息传递上，设计了球形的传力构型结构，减小了摩擦损失，提高了检测的灵敏度。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0017]【具体实施方式】四:结合图4和图5说明，本实施方式的每个所述应变片25为箔式电阻应变片或应变片传感器。如此设置，测量范围广，产品稳定性好，灵敏度高，可测量多种力学信号。其它与【具体实施方式】三相同。
[0018]【具体实施方式】五:结合图2说明，本实施方式所述检测装置还包括连接板8，脚底板7的前端与脚底橡胶减震垫9的前端之间设置有与二者连接的连接板8。如此设置，连接组装方便可靠，简便易行。其它与【具体实施方式】一、二或四相同。
[0019]工作原理
[0020]本发明用于穿戴式外骨骼机器人脚部人机交互力检测的结构示意图如图6所示，其中I是脚部捆绑带、2是外骨骼部的两侧支撑耳板、3是U形连接板，4是与外骨骼机器人的小腿连接的连接铰，两个外骨骼部的两侧支撑耳板2安装在脚底板7上，U形连接板3与两个外骨骼部的两侧支撑耳板2铰接，U形连接板3与外骨骼机器人的小腿通过外骨骼机器人的小腿连接的连接铰4连接。
[0021]本发明使用时，其传感检测应变片25粘贴在相应部件的表面上。如图5所示，虚线部分表示的是与人体脚部固连的部分，包括鞋垫板5、鞋垫板前后端的槽形支撑板10以及水平力传递板6。实线部分与外骨骼的小腿相连，包括外骨骼的脚底板7、第一连杆11、第二连杆12、第三连杆14、第四连杆15，第一悬臂梁19、第二悬臂梁20、第三悬臂梁22、悬臂梁的大量程保护板第一弹性板21、第二弹性板23和第三弹性板18。
[0022]第一悬臂梁19和第二悬臂梁20检测的是竖直分力Fa和Fb，悬臂梁C检测的是水平分力Fe。已知竖直分力Fa和Fb之间的距离，则可以计算出鞋垫板5和脚底板7之间的交互力如下:竖直力和水平力(二维力)以及扭矩(一维扭矩)。
[0023]当本发明应用于仿生双足机器人时，图5中虚线部分直接与机器人的小腿连接，本装置就可以检测地面的反作用力信息。
【权利要求】
1.一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，其特征在于:所述装置包括鞋垫板(5)、水平力传递板￠)、脚底板(7)、脚底橡胶减震垫(9)、第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(14)、第四连杆(15)、弹性体(17)和两个槽形支撑板(10)； 所述弹性体(17)包括本体(27)、第一悬臂梁(19)、第二悬臂梁(20)、第三悬臂梁(22)、第一弹性板(21)、第二弹性板(23)、第三弹性板(18)和六个应变片(25);本体(27)的中部加工有纵向设置的第三悬臂梁(22)，第三悬臂梁(22)的两侧的本体(27)上各固装有纵向设置的第三弹性板(18)，本体(27)的两侧分别固装有第一悬臂梁(19)和第二悬臂梁(20)，第一悬臂梁(19)的下部固装有第一弹性板(21)且二者连接为一体，第二悬臂梁(20)的下部固装有第二弹性板(23)且二者连接为一体，第一悬臂梁(19)的上下表面各粘贴有一个应变片(25)，第二悬臂梁(20)的上下表面各粘贴有一个应变片(25)，第三悬臂梁(22)的两侧面各粘贴有一个应变片(25)； 弹性体(17)布置在脚底板(7)的上表面上，脚底板(7)布置在脚底橡胶减震垫(9)的上表面上，鞋垫板(5)布置在弹性体(17)的上表面,第一连杆(11)、第二连杆(12)、第三连杆(14)和第四连杆(15)水平且平行布置； 第一连杆(11)与第二连杆(12)铰接，第二连杆(12)与其中一个槽形支撑板(10)铰接，第一悬臂梁(19)插装在其中一个槽形支撑板(10)的开口内；第三连杆(14)与第四连杆(15)铰接，第三连杆(14)与剩余一个槽形支撑板(10)铰接，第二悬臂梁(20)插装在剩余一个槽形支撑板(10)的开口内；第二连杆(12)转动安装在脚底板(7)的前端，第四连杆(15)转动安装在脚底板(7)的后端，脚底板(7)的前端与橡胶减震垫(9)的前端连接，橡胶减震垫(9)的后端粘接在脚底板(7)的下表面上，鞋垫板(5)的前端与所述其中一个槽形支撑板(10)连接，鞋垫板(5)的后端与所述剩余一个槽形支撑板(10)连接,鞋垫板(5)下表面嵌装有水平力传递板￠)，水平力传递板￠)的下表面加工有突出部￠-1)，突出部(6-1)插装在第三悬臂梁(22)的端部加工的并与突出部(6-1)匹配的通孔(27-1)内。
2.根据权利要求1所述的一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，其特征在于:所述突出部(6-1)包括柱体(6-1-1)和半球形突出体(6-1-2)，柱体(6-1-1)的上端面连接水平力传递板￠)，柱体(6-1-1)的下端面与半球形突出体(6-1-2)的底面的中部连接，半球形突出体(6-1-2)插装在通孔(27-1)内。
3.根据权利要求1或2所述的一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，其特征在于:第一悬臂梁(19)的一端加工有球形部，第二悬臂梁(20)的一端加工有球形部，第一悬臂梁(19)的球形部插装在所述其中一个槽形支撑板(10)的开口内，第二悬臂梁(20)的球形部插装在所述剩余一个槽形支撑板(10)的开口内。
4.根据权利要求3所述的一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，其特征在于:每个所述应变片(25)为箔式电阻应变片或应变片传感器。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种外骨骼或双足机器人用足端双量程三维力检测装置，其特征在于:所述检测装置还包括连接板(8)，脚底板(7)的前端与脚底橡胶减震垫(9)的前端之间设置有与二者连接的连接板(8)。
【文档编号】G01L5/16GK104198105SQ201410491074
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】朱延河, 赵杰, 张超 申请人:哈尔滨工业大学