CN111319065A - 机械关节的角度检测装置及角度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械关节的角度检测装置及角度检测方法。其中机械关节包括关节体和相对于关节体可转动设置的关节轴，该机械关节的角度检测装置包括磁性部件、磁阻传感器和控制器。磁性部件固定安装在关节轴上，磁阻传感器安装在关节体上。控制器与磁阻传感器电连接，控制器内预置有关节轴相对关节体转动的转动角度变量与磁阻传感器的电阻值变量之间的对应关系，控制器接收磁阻传感器的电阻值信息，并将电阻值信息代入对应关系中得出关节轴的转动角度。本发明的技术方案，相较于以往的加速度传感器测量关节角度，避免了重力方向的倾斜度所造成误差，提高了关节角度的测量精度。

Description

机械关节的角度检测装置及角度检测方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种机械关节的角度检测装置及角度检测方法。

背景技术

随着现代化工业技术的发展，在很多工业作业场合，人体所能承受的负重有限，具有较大负重能力的外骨骼系统能很好的解决这个问题。在医疗方面，很多残疾人士的行动能力受限，丧失生活能力，外骨骼系统能帮助伤残人士恢复一定的行动能力，提供生活便利。因此外骨骼系统在工业和医疗方面都发挥着巨大的作用。外骨骼系统的关键技术之一就是关节角度识别，根据当前的关节角度来调整外骨骼肢体转动到合适的状态，因此关节角度识别是提高外骨骼系统性能的关键之一。

目前关节角度识别的主要方法有加速度传感器识别关节角度。加速度传感器识别关节角度的具体实现是：对于人体下肢来说，在大腿和小腿分别安装加速度传感器，加速度的常见应用就是测量倾斜角，利用大腿和小腿上的加速度传感器分别测量出大腿和小腿的倾斜角，进而推算出大腿和小腿之间的关节角度，实现加速度传感器识别关节角度。

加速度传感器是根据重力矢量加速度来检测物体的倾斜角，对于运动的物体来说也会产生加速度，对重力方向的倾斜度测量会存在误差，这个误差一般很难消除，对于运动物体的测量误差就更加明显。并且加速度传感器测量关节角度需要根据大腿和小腿的倾斜角来计算推测关节角度，计算过程复杂繁琐并且会带来一定的误差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种机械关节的角度检测装置及角度检测方法，以解决现有技术中机械关节的角度检测误差偏高的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种机械关节的角度检测装置，机械关节包括关节体和相对于关节体可转动设置的关节轴，机械关节的角度检测装置包括：磁性部件，固定安装在关节体和关节轴中的一个上；磁阻传感器，固定安装在关节体和关节轴中的另一个上，关节轴相对关节体转动以使磁性部件相对于磁阻传感器相对转动触发磁阻传感器产生电阻值变化；控制器，与磁阻传感器电连接，控制器内预置有关节轴相对关节体转动的转动角度变量与磁阻传感器的电阻值变量之间的对应关系，控制器接收磁阻传感器的电阻值信息，并将电阻值信息代入对应关系中得出关节轴的转动角度。

在一个实施方式中，磁性部件固定安装在关节轴上，磁阻传感器固定安装在关节体上。

在一个实施方式中，控制器固定安装在关节体上。

在一个实施方式中，控制器为安装有主控芯片的主控板。

在一个实施方式中，磁性部件为磁钢。

在一个实施方式中，机械关节为义肢关节。

在一个实施方式中，机械关节为外骨骼关节。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种机械关节的角度检测方法，机械关节包括关节体和相对于关节体可转动设置的关节轴，机械关节的角度检测方法包括：将磁性部件固定安装在关节体和关节轴中的一个上；将磁阻传感器固定安装在关节体和关节轴中的另一个上，关节轴相对关节体转动以使磁性部件相对于磁阻传感器相对转动触发磁阻传感器产生电阻值变化；接收磁阻传感器的电阻值信息；将电阻值信息代入关节轴相对关节体转动的转动角度变量与磁阻传感器的电阻值变量之间的对应关系中，得出对应关系中得出关节轴的转动角度。

在一个实施方式中，关节体转动的转动角度变量与磁阻传感器的电阻值变量之间的对应关系的得到包括：让关节轴相对关节体转动；测量关节轴相对关节体转动的转动角度变量，同时记录磁阻传感器的电阻值变量；建立转动角度变量与电阻值变量之间的关系曲线，得到转动角度变量与电阻值变量之间的对应关系。

在一个实施方式中，关节体转动的转动角度变量与磁阻传感器的电阻值变量之间的对应关系的得到还包括：

对关系曲线进行计算得到关系函数，通过关系函数表达转动角度变量与电阻值变量之间的对应关系。

应用本发明的技术方案，在控制器内预置有关节轴相对关节体转动的转动角度变量与磁阻传感器的电阻值变量之间的对应关系，当关节轴相对关节体转动时，会使得磁性部件在外界环境形成的磁场发生变化，磁场方向与磁阻传感器本身的磁化方向夹角发生变化，因此让磁阻传感器的电阻值变化，通过磁阻传感器的电阻值代入对应关系中得出关节轴的转动角度，反应关节角度的变化。本发明的技术方案，相较于以往的加速度传感器测量关节角度，避免了重力方向的倾斜度所造成误差，提高了关节角度的测量精度。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的机械关节的角度检测装置的实施例的结构示意图；

图2示出了根据本发明的机械关节的角度检测方法的转动角度变量与电阻值变量之间的关系曲线。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本发明提供了一种机械关节的角度检测装置的实施例，机械关节包括关节体10和相对于关节体10可转动设置的关节轴20，该机械关节的角度检测装置包括磁性部件30、磁阻传感器40和控制器。磁性部件30固定安装在关节轴20上，磁阻传感器40安装在关节体10上。关节轴20相对关节体10转动以使磁性部件30相对于磁阻传感器40相对转动触发磁阻传感器40产生电阻值变化。控制器与磁阻传感器40电连接，控制器内预置有关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系，控制器接收磁阻传感器40的电阻值信息，并将电阻值信息代入对应关系中得出关节轴20的转动角度。

应用本发明的技术方案，在控制器内预置有关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系，当关节轴20相对关节体10转动时，会使得磁性部件30在外界环境形成的磁场发生变化，磁场方向与磁阻传感器40本身的磁化方向夹角发生变化，因此让磁阻传感器40的电阻值变化，通过磁阻传感器40的电阻值代入对应关系中得出关节轴20的转动角度，反应关节角度的变化。本发明的技术方案，相较于以往的加速度传感器测量关节角度，避免了重力方向的倾斜度所造成误差，提高了关节角度的测量精度。

需要说明的是，机械关节的角度变化是由关节轴20转动引起的，因此关节轴20旋转的角度能直接反映出机械关节的角度，采用磁性部件30固定安装在关节轴20上，在关节轴20转动的时候磁性部件30会跟随关节轴20一起转动，磁性部件30转到不同的位置，在周围产生的磁场是不一样的，磁场的方向会产生变化，因此磁场方向会跟随机械关节的角度一起变化。磁阻传感器40是根据磁阻效应制成的传感器，磁阻效应是指金属或半导体的电阻值随外界磁场变化而变化的现象。磁阻传感器40本身存在一个磁化方向，当外界环境的磁场与他的磁化方向不同时，磁阻传感器40的阻值会发生变化，而关节轴20上磁性部件30跟随关节轴20一起转动，形成的外界磁场方向不停变化，与磁阻传感器40本身磁化方向的夹角不停变化，引起磁阻传感器40的电阻值变化，因此磁阻传感器40的电阻值反应机械关节的角度的变化。

作为图中未出了另一种可选的实施方式，也可以将磁性部件30固定安装在关节体10上，将磁阻传感器40固定安装在关节轴20上。该实施方式同样可以达到通过上述的让磁阻传感器40的电阻值变化测量关节角度的效果。

需要说明的是，在本发明的技术方案中，控制器与磁阻传感器40电连接方式包括通过有线数据线通讯连接，或者通过无线的通讯模块通讯连接，这都是本领域的技术人员容易实现的。

可选的，在本实施例的技术方案中，控制器固定安装在关节体10上。在使用时，直接将控制器与磁阻传感器40通过有线数据线通讯连接即可。作为其他的可选的实施方式，也可以不将控制器固定安装在关节体10上或者关节轴20上，通过而通过无线的通讯模块通讯连接，即可将控制器安装在与机械关节有一定距离的位置处。

在本实施例的技术方案中，控制器为安装有主控芯片的主控板。可选的，主控芯片为STM32L151主控芯片，在控制器内预置有关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系时，将机械关节角度调整到最大，然后将机械关节角度从最大转动到最小，采集磁阻传感器40的电阻值，通过STM32L151主控芯片记录磁阻传感器40阻值变化过程，如图2所示，绘制控制器内预置有关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应曲线即可。后续需要测量机械关节角度时，将电阻值信息代入对应关系的对应曲线中就能得出机械关节的转动角度。可选的，在本实施例的技术方案中，磁性部件30为磁钢。

需要说明的是，本发明的机械关节的角度检测装置不光适用于外骨骼关节的转动角度测量，也可以适用于义肢关节的转动角度测量。

本发明还提供了一种机械关节的角度检测方法，机械关节包括关节体10和相对于关节体10可转动设置的关节轴20，该角度检测方法包括：

将磁性部件30固定安装在关节体10和关节轴20中的一个上；

将磁阻传感器40固定安装在关节体10和关节轴20中的另一个上，关节轴20相对关节体10转动以使磁性部件30相对于磁阻传感器40相对转动触发磁阻传感器40产生电阻值变化；

接收磁阻传感器40的电阻值信息；

将电阻值信息代入关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系中，得出对应关系中得出关节轴20的转动角度。

应用本发明的技术方案，当关节轴20相对关节体10转动时，会使得磁性部件30在外界环境形成的磁场发生变化，磁场方向与磁阻传感器40本身的磁化方向夹角发生变化，因此让磁阻传感器40的电阻值变化，接收磁阻传感器40的电阻值信息，并将电阻值信息代入关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系中，得出对应关系中得出关节轴20的转动角度。相较于以往的加速度传感器测量关节角度，避免了重力方向的倾斜度所造成误差，提高了关节角度的测量精度。

在本实施例的技术方案中，磁性部件30固定安装在关节轴20上，磁阻传感器40安装在关节体10上。作为图中未出了另一种可选的实施方式，也可以将磁性部件30固定安装在关节体10上，将磁阻传感器40固定安装在关节轴20上。

可选的，关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系的得到包括：

让关节轴20相对关节体10转动；

测量关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量，同时记录磁阻传感器40的电阻值变量；

建立转动角度变量与电阻值变量之间的关系曲线，得到转动角度变量与电阻值变量之间的对应关系。

具体的，在得到关系曲线的过程中，将机械关节角度调整到最大，然后将机械关节角度从最大转动到最小，实时测量关节轴20相对关节体10转动的转动角度变量，并记录磁阻传感器40的电阻值变量，最后绘制转动角度变量与电阻值变量之间的关系曲线，得到转动角度变量与电阻值变量之间的对应关系。后续需要测量机械关节角度时，将电阻值信息代入对应关系的对应曲线中就能得出机械关节的转动角度。一般转动角度变量与电阻值变量之间的关系曲线如图2所示，对于如何判定机械关节的转动角度为正角度或者负角度，可以通过判定电阻值是处于增大状态或者减小状态来判定。

作为一种更为优选的实施方式，关节体10转动的转动角度变量与磁阻传感器40的电阻值变量之间的对应关系的得到还包括：对关系曲线进行计算得到关系函数，通过关系函数表达转动角度变量与电阻值变量之间的对应关系。这样，在后期需要得到转动角度变量的值时，只需要将电阻值变量的值带入关系函数中就能较为准确的计算出动角度变量的值。

从上述内容可知，本发明的技术方案，可以准确判断出当前的机械关节角度，确定当前需要将机械关节角度调整到哪种状态，从而让采用了机械关节角度的肢体动作更加自然，佩戴更加舒适。本发明克服了加速度识别关节角度方法的运动状态角度识别存在误差和计算过程复杂繁琐的缺陷，让机械关节角度的测量过程简单、结果可靠，同时不需要复杂的机械结构设计。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机械关节的角度检测装置，所述机械关节包括关节体（10）和相对于所述关节体（10）可转动设置的关节轴（20），其特征在于，所述机械关节的角度检测装置包括：

磁性部件（30），固定安装在所述关节体（10）和所述关节轴（20）中的一个上；

磁阻传感器（40），固定安装在所述关节体（10）和所述关节轴（20）中的另一个上，所述关节轴（20）相对所述关节体（10）转动以使所述磁性部件（30）相对于所述磁阻传感器（40）相对转动触发所述磁阻传感器（40）产生电阻值变化；

控制器，与所述磁阻传感器（40）电连接，所述控制器内预置有所述关节轴（20）相对所述关节体（10）转动的转动角度变量与所述磁阻传感器（40）的电阻值变量之间的对应关系，所述控制器接收所述磁阻传感器（40）的电阻值信息，并将所述电阻值信息代入所述对应关系中得出所述关节轴（20）的转动角度。

2.根据权利要求1所述的机械关节的角度检测装置，其特征在于，所述磁性部件（30）固定安装在所述关节轴（20）上，所述磁阻传感器（40）固定安装在所述关节体（10）上。

3.根据权利要求1所述的机械关节的角度检测装置，其特征在于，所述控制器固定安装在所述关节体（10）上。

4.根据权利要求1所述的机械关节的角度检测装置，其特征在于，所述控制器为安装有主控芯片的主控板。

5.根据权利要求1所述的机械关节的角度检测装置，其特征在于，所述磁性部件（30）为磁钢。

6.根据权利要求1所述的机械关节的角度检测装置，其特征在于，所述机械关节为义肢关节。

7.根据权利要求1所述的机械关节的角度检测装置，其特征在于，所述机械关节为外骨骼关节。

8.一种机械关节的角度检测方法，所述机械关节包括关节体（10）和相对于所述关节体（10）可转动设置的关节轴（20），其特征在于，所述机械关节的角度检测方法包括：

将磁性部件（30）固定安装在所述关节体（10）和所述关节轴（20）中的一个上；

将磁阻传感器（40）固定安装在所述关节体（10）和所述关节轴（20）中的另一个上，所述关节轴（20）相对所述关节体（10）转动以使所述磁性部件（30）相对于所述磁阻传感器（40）相对转动触发所述磁阻传感器（40）产生电阻值变化；

接收所述磁阻传感器（40）的电阻值信息；

将所述电阻值信息代入所述关节轴（20）相对所述关节体（10）转动的转动角度变量与所述磁阻传感器（40）的电阻值变量之间的对应关系中，得出所述对应关系中得出所述关节轴（20）的转动角度。

9.根据权利要求8所述的机械关节的角度检测方法，其特征在于，所述关节体（10）转动的转动角度变量与所述磁阻传感器（40）的电阻值变量之间的对应关系的得到包括：

让所述关节轴（20）相对所述关节体（10）转动；

测量所述关节轴（20）相对所述关节体（10）转动的转动角度变量，同时记录所述磁阻传感器（40）的电阻值变量；

建立所述转动角度变量与所述电阻值变量之间的关系曲线，得到所述转动角度变量与所述电阻值变量之间的对应关系。

10.根据权利要求9所述的机械关节的角度检测方法，其特征在于，所述关节体（10）转动的转动角度变量与所述磁阻传感器（40）的电阻值变量之间的对应关系的得到还包括：

对所述关系曲线进行计算得到关系函数，通过所述关系函数表达所述转动角度变量与所述电阻值变量之间的对应关系。

Images