CN112247957B - 一种多维力传感器及其自适应柔性外骨骼人机接口 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维力传感器及其自适应柔性外骨骼人机接口，人机接口包括依次首尾相连的第一弧状板面、连接件、第二弧状板面和绑带，共同构成环状结构；第一弧状板面能以弹性轴为轴心相对连接件向外侧转动；第一弧状板面的内壁均匀分布安装有若干多维力传感器，所述第二弧状板面与第一弧状板面的结构和连接方式相同；所述连接件上纵向开设有贯通的碳纤维管安装孔，连接件上还设有气嘴。本发明利用硅胶材料制作的充气气囊单元作为人机物理界面的柔性装置，通过充放气动态地调节人机界面的几何形态和接触压力，并使用液态金属制成的传感器为气囊增加感知的功能，使气囊能够检测自身的形变以及接触面上的压力，为上层控制提供传感数据。

Description

一种多维力传感器及其自适应柔性外骨骼人机接口

技术领域

本发明属于可穿戴传感器领域，具体涉及一种多维力传感器及其自适应柔性外骨骼人机接口。

背景技术

外骨骼机器人是穿戴在人体身上、旨在增强穿戴者运动机能的机械设备。它是一种特殊的机器人，需要和人一起完成任务，所以相较于普通的机器人更需要关注其人机交互的能力。外骨骼的人机交互很重要的一个方面是外骨骼和人连接的物理界面。

人体由软体组织包围，无法用传统的刚体连接方式来固定人体和外骨骼。现在市面上的外骨骼一般采用柔性衬套、尼龙粘合带或尼龙扣带来连接人和外骨骼。这些连接方式需要一定的夹持力或绑定力来增加连接稳定性，而这些力是系统内力，对外骨骼的助力部门没有帮助，却会使人体表面受到的压力增加。可见在连接可靠性和人体穿戴舒适度上存在一定的矛盾，所以需要针对人体的结构进行特殊的设计，使其能够在尽量小的内力前提下保证可靠的连接。

以下肢外骨骼为例，下肢外骨骼主要在大腿处与人体连接，而大腿正面有着人体最大的股四头肌肌肉群，大腿背面有着股二头肌以及丰富的皮下脂肪以及其他软组织，所以外骨骼无法直接传导力至大腿骨处。因为肌肉组织在收缩时会产生明显的形变，组织刚度也会发生变化，而人在正常步态时，大腿的肌肉群都处于参与状态，所以大腿的形态和表面刚度有一个动态的变化过程。由于大腿形态的变化，外骨骼的连接处无法通过一个固定刚性衬套来包围住大腿，人在运动时，固定的衬套会影响肌肉的收缩。使用柔性的衬套虽然可以减小对运动影响，但是柔性的衬套要可靠地连接在大腿上需要一个预紧力。由于柔性材料的弹性力与形变量有关，所以当遇到刚度较高的肌肉组织时会产生较大的压缩形变量，而遇到刚度较低的脂肪组织时压缩量就变小了，这样会在大腿的部分表面上产生较大的压强峰值，从而影响穿戴的舒适性。

由以上分析可知，外骨骼的人机物理界面需要一种可控的柔性装置，通过动态地调整柔性装置的形态来改变和人体接触的压力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种多维力传感器及其自适应柔性外骨骼人机接口。本发明利用硅胶材料制作的充气气囊单元作为人机物理界面的柔性装置，通过充放气动态地调节人机界面的几何形态和接触压力，并使用液态金属制成的传感器为气囊增加感知的功能，使气囊能够检测自身的形变以及接触面上的压力，为上层控制提供传感数据。

本发明所采用的具体技术方案如下：

一种多维力传感器，其包括传感器、气囊、底座和电路板；

底座的顶部固定连接有气囊，底部固定连接有电路板；所述气囊具有气密性，气囊的周向均匀布设至少三条传感器，所述传感器为电阻应变式传感器；传感器的一端固定于气囊顶部，另一端固定于底座；传感器的初始状态不产生形变，能随传感器所在处的部分气囊一同被拉伸或压缩，且不影响气囊的形变；气囊的中部具有内缩段，充放气时气囊在单轴方向的形变量大于其余方向的形变量；传感器和气囊均为柔性材质；传感器在被拉伸或压缩时能产生阻值变化；各传感器均通过导线与电路板相连接，电路板用于将传感器的阻值变化转变为电信号；所述传感器内部设有呈弓形的腔室，腔室内部填充有液态金属共晶镓铟合金，腔室的两端均通过导线与所述电路板相连接。

作为优选，所述电路板为设有电流源电路、第一级放大电路、负电压电路和第二级放大电路的信号采集板；所述电流源电路用于将传感器的阻值变化转变为电压信号，所述第一级放大电路用于将所述电压信号进行一级放大，所述负电压电路用于为第一级放大电路提供负压电源；所述第二级放大电路用于对所述电压信号进行二级放大，并与外部的信号采集系统相连接。

作为优选，所述传感器和气囊均为硅胶材质，所述底座为树脂材质；其中，气囊优选为Ecoflex0030硅胶，传感器优选为邵氏硬度20的硅胶。

作为优选，所述传感器为三条，相邻传感器之间的夹角为120°；传感器被压缩时阻值变小，被拉伸时阻值变大。

作为优选，所述传感器与底座之间通过若干个第一固定件相连接，底座与电路板之间通过若干个第二固定件相连接。

进一步的，所述第一固定件为螺栓，在所述底座侧壁上与每个传感器相对应的位置处均开设有螺纹安装孔，第一固定件贯穿传感器并固定于对应的螺纹安装孔中，将传感器贴合固定于底座侧壁上。

进一步的，所述第二固定件为铜柱，所述底座底部开设有固定孔，第二固定件贯穿电路板并固定于底座的固定孔中，将电路板贴合固定于底座底面上。

本发明的另一目的在于提供一种具有根据上述任一所述多维力传感器的自适应柔性外骨骼人机接口，其包括依次首尾相连的第一弧状板面、连接件、第二弧状板面和绑带，共同构成环状结构，用于穿戴外骨骼；

第一弧状板面一端的外侧通过弹性轴与连接件一端的外侧相连，第一弧状板面能以弹性轴为轴心相对连接件向外侧转动，用于不同规格外骨骼的穿戴；第一弧状板面的内壁均匀分布安装有若干多维力传感器，多维力传感器的轴线与所在第一弧状板面的内壁垂直，用于监测外骨骼的形变；所述第二弧状板面与第一弧状板面的结构和连接方式相同；

所述连接件上纵向开设有贯通的碳纤维管安装孔，用于连接外骨骼的碳纤维管；所述连接件上还设有气嘴，气嘴的一端通过管路与多维力传感器的气囊相连通，另一端与通过管路与外骨骼的充气装置相连通，用于为气囊充气。

作为优选，所述第一弧状板面、弹性轴和连接件围成的三角区域内填充固定有邵氏硬度为30的硅胶材料，第一弧状板面和连接件能在弹性材料的形变下以弹性轴为轴心打开15～20°。

作为优选，所述第一弧状板面和第二弧状板面上的多维力传感器均为两个；气嘴的数量为4个，分别与每个多维力传感器的气囊相连通。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

本发明提出一种利用硅胶材料制作的充气气囊单元作为人机物理界面的柔性装置，通过充放气动态地调节人机界面的几何形态和接触压力，并使用液态金属制成的传感器为气囊增加感知的功能，使气囊能够检测自身的形变以及接触面上的压力，为上层控制提供传感数据。

1)本发明的多维力传感器创新性地引入了气囊结构，通过气囊与传感器的结合，不仅能够测量力的方向并且有良好的人机交互性；

2)本发明的多维力传感器采用气囊和柔性材料，是一种对人体友好的传感器，不仅穿戴舒适，而且可以动态地贴合人体表面；气囊顶端的弧形结构很好地贴合了人体表面，能够符合接触到的人体不规则曲面，有一定的形变空间满足人体曲面的变化，不仅检测被测力的数值大小，也能根据检测结果对被测力进行缓冲、调节；

3)本发明的多维力传感器采用三条式传感器加气囊的结构，解决了传统柔性传感器无法测量多维力的问题；

4)本发明的多维力传感器采用硅胶与液态金属作为制作的主要材料，解决了制作成本高、工艺复杂的问题，具有制作工艺简单、成本低的特点；

5)本发明的多维力传感器中气囊的中空结构，解决了传统传感器只是被动的测量力的大小而不能对力进行缓冲、调节的问题；另外，该结构可以在人体肌肉运动时，根据肌肉的动态变化进行主动贴合。

附图说明

图1为本发明的自适应柔性外骨骼人机接口的结构示意图；

图2为本发明的多维力传感器的结构示意图；

图3为图2中多维力传感器的装配示意图；

图4为图2中气囊的充放气示意图；

图中：传感器1、气囊2、第一固定件3、底座4、电路板5、第二固定件6，第一弧状板面71，第二弧状板面72，连接件8，绑带9，碳纤维管安装孔10，气嘴11，弹性轴12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图2和3所示，为本发明的一种多维力传感器，该多维力传感器包括传感器1、气囊2、底座4和电路板5，下面将对各部件的结构和连接方式进行具体说明。

底座4的顶部固定连接有气囊2，底座4的底部固定连接有电路板5。在本实施例中，底座4采用树脂材质。气囊2整体具有气密性，气囊2沿外侧周向均匀布设至少三条传感器1，传感器1为电阻应变式传感器。每条传感器1的一端均固定于气囊2顶部，另一端均固定于底座4。传感器1的初始状态不产生形变，能随传感器1所在处的部分气囊2一同被拉伸或压缩，且不影响气囊2的形变。

如图4所示，气囊2的中部具有内缩段，充放气时气囊2在单轴方向的形变量大于其余方向的形变量。也就是说，气囊2在充气时会膨胀，放气时会收缩。由于不同形态的气囊在充放气时产生形变的方向不同，本实施例中要让气囊在单轴方向产生较大的形变量，而在其他几个方向上形变尽量小，所以选用多层折叠式的气囊结构。当充气时，气囊的折叠结构会展开，在法向上产生形变；当抽气时，气囊的折叠结构会重新折叠起来，法向高度变短。通过调整其内部气体量就可以动态地改变气囊的高度。气囊可以采用硅胶翻模制造。本实施例中，气囊2采用Ecoflex0030硅胶材质。

传感器1在被拉伸或压缩时能产生阻值变化，传感器1被压缩时阻值变小，被拉伸时阻值变大。传感器1内部设有呈弓形的腔室，腔室内部填充有液态金属共晶镓铟合金，腔室的两端均通过导线与电路板5相连接。各传感器1均通过导线与电路板5相连接，电路板5用于将传感器1的阻值变化转变为电信号。

普通的力传感器因为尺寸以及材料的原因很难集成在柔性的气囊中，所以这里使用液态金属共晶镓铟合金制作传感器嵌入在气囊中，来检测气囊的三维形变以及受到的外力。共晶镓铟合金是一种具有导电性的液态合金，其熔点在15度左右，无毒无害。将这种液态金属注入到硅胶制成的微通道中，当硅胶产生形变时，微通道几何形状也会发生相应变化，液态金属也会随之发生形变。由于金属导体的电阻正比于金属长度，反比于金属的表面积，所以液态金属的电阻随形变会发生相应变化。通过检测液态金属电阻的变化就可以推算硅胶发生的形变。

气囊在设计的时候虽然只考虑了单轴的形变，但是由于气囊表面与肢体接触的面不一定为完整的平面，气囊表面不仅会受到法向的力还会受到切向的力，所以气囊在工作状态下会产生法向上的高度变化，以及会沿着自身的轴弯曲。当气囊产生弯曲的形变时，气囊表面受到的力就不是垂直于底面的，所以传感器除了需要检测气囊法向上的高度变化还需要检测出气囊的弯曲程度。在本实施例中，为了能同时检测这两个变量，设置了三条传感器，相邻传感器1之间的夹角为120°，使其同时能检测气囊顶面三个点到底面的高度，通过测量气囊顶面三个点的高度间接求出气囊的弯曲角度和弯曲方向以及气囊顶面到底面的高度。每条硅胶边内都嵌入一条液态金属，任意一条边受到拉伸的时候，其内部的液态金属的阻值会发生相应的变化。在本实施例中，传感器1采用邵氏硬度20的硅胶材料。

电路板5为设有电流源电路、第一级放大电路、负电压电路和第二级放大电路的信号采集板。电流源电路用于将传感器1的阻值变化转变为电压信号，第一级放大电路用于将电压信号进行一级放大，负电压电路用于为第一级放大电路提供负压电源。第二级放大电路用于对电压信号进行二级放大，并与外部的信号采集系统相连接。

传感器1与底座4之间通过多个第一固定件3相连接，底座4与电路板5之间通过多个第二固定件6相连接。在本实施例中，第一固定件3为螺栓，在底座4侧壁上与每个传感器1相对应的位置处均开设有螺纹安装孔，第一固定件3贯穿传感器1并固定于对应的螺纹安装孔中，将传感器1贴合固定于底座4侧壁上。第二固定件6为铜柱，底座4底部开设有固定孔，第二固定件6贯穿电路板5并固定于底座4的固定孔中，将电路板5贴合固定于底座4底面上。

完整的多维力传感器由传感器1、气囊2、底座4和电路板5以及一些连接件组成。组装时首先将气囊和3D打印的树脂底座通过硅胶专用的胶水粘接，室温放置24小时后将气嘴安装在树脂底座上，连接上充气筒，通过充气对气囊的气密性进行测试。验证气囊的气密性后，将制作完的液态金属传感器粘接在气囊上，并对齐底座的安装孔，通过螺丝固定传感器。然后将电路板通过铜柱固定在底座背面，将传感器引出的导线焊接在电路板对应的接头上。对电路板上电，观察传感器输出的信号，通过调节电路板上的电位器将三条金属电阻的信号幅值调节至同一电频。至此，一个多维力传感器就组装完成了，组装完成后的多维力传感器如图2所示。

本发明还提供了一种具有上述多维力传感器的自适应柔性外骨骼人机接口，通过使用多个相同的多维力传感器，分布在人机物理界面的同一个截面上，由于人体肢体外形整体呈圆柱状，多维力传感器需要分布在圆柱面上，所以设计了一个气囊连接支架用于刚性连接多维力传感器与外骨骼连杆。支架主体使用树脂材料通过3D打印技术制作，最终的自适应柔性外骨骼人机接口结构如图1所示。

该自适应柔性外骨骼人机接口包括依次首尾相连的第一弧状板面71、连接件8、第二弧状板面72和绑带9，第一弧状板面71、连接件8、第二弧状板面72和绑带9共同构成环状结构，用于穿戴外骨骼。

考虑到本装置在自然状态下，该环状结构的内部空间不足以放下大腿，所以为了穿戴外骨骼方便，在第一弧状板面71一端的外侧通过弹性轴12与连接件8一端的外侧相连，第一弧状板面71能以弹性轴12为轴心相对连接件8向外侧转动，以用于不同规格外骨骼的穿戴。更进一步的，第一弧状板面71、弹性轴12和连接件8围成的三角区域内填充固定有邵氏硬度为30的硅胶材料，第一弧状板面71和连接件8能在弹性材料的形变下以弹性轴12为轴心打开15～20°。穿戴者可以将轴打开至最大角度，穿戴上后通过绑带的松紧控制弹性轴的打开角度。

同样的，第二弧状板面72一端的外侧通过弹性轴12与连接件8一端的外侧相连，第二弧状板面72能以弹性轴12为轴心相对连接件8向外侧转动，以用于不同规格外骨骼的穿戴。更进一步的，第二弧状板面72、弹性轴12和连接件8围成的三角区域内填充固定有邵氏硬度为30的硅胶材料，第二弧状板面72和连接件8能在弹性材料的形变下以弹性轴12为轴心打开15～20°。穿戴者可以将轴打开至最大角度，穿戴上后通过绑带的松紧控制弹性轴的打开角度。

由于人在自然步态时髋关节主要在矢状面上进行运动，所以对髋关节的助力主要集中在大腿的上表面和下表面，大腿的侧面基本不会进行助力，仅仅保持稳定的支撑就行。因此在设计本发明的自适应柔性外骨骼人机接口时，将多维力传感器主要设置在大腿的上下两个表面。也就是说，仅在第一弧状板面71和的第二弧状板面72内壁均匀分布安装有多个多维力传感器，多维力传感器的轴线与所在板面的内壁垂直，用于监测外骨骼的形变。

连接件8上纵向开设有贯通的碳纤维管安装孔10，用于连接外骨骼的碳纤维管。连接件8上还设有气嘴11，气嘴11的一端通过硅胶软管与多维力传感器的气囊2相连通，另一端与通过硅胶软管与外骨骼的充气装置相连通，用于为气囊2充气。

在本实施例中，第一弧状板面71和第二弧状板面72上的多维力传感器均为两个。气嘴11的数量与多维力传感器的数量相同，为4个，每个气嘴11分别与每个多维力传感器的气囊2相连通。

在本发明自适应柔性外骨骼人机接口的一个应用案例中，自适应柔性外骨骼人机接口作为髋关节助力外骨骼的人机连接装置，检测人机接触位置的压力，通过闭环控制多维力传感器的气囊形态，来控制人机间的压力以适应人体形态。另外通过检测人体与外骨骼间的压力变化识别腿部肌肉活性度变化，为外骨骼电机控制提供数据。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种具有多维力传感器的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，包括依次首尾相连的第一弧状板面（71）、连接件（8）、第二弧状板面（72）和绑带（9），共同构成环状结构，用于穿戴外骨骼；

第一弧状板面（71）一端的外侧通过弹性轴（12）与连接件（8）一端的外侧相连，第一弧状板面（71）能以弹性轴（12）为轴心相对连接件（8）向外侧转动，用于不同规格外骨骼的穿戴；第一弧状板面（71）的内壁均匀分布安装有若干多维力传感器，多维力传感器的轴线与所在第一弧状板面（71）的内壁垂直，用于监测外骨骼的形变；所述第二弧状板面（72）与第一弧状板面（71）的结构和连接方式相同；

所述连接件（8）上纵向开设有贯通的碳纤维管安装孔（10），用于连接外骨骼的碳纤维管；所述连接件（8）上还设有气嘴（11），气嘴（11）的一端通过管路与多维力传感器的气囊（2）相连通，另一端与通过管路与外骨骼的充气装置相连通，用于为气囊（2）充气；

所述多维力传感器包括传感器（1）、气囊（2）、底座（4）和电路板（5）；

底座（4）的顶部固定连接有气囊（2），底部固定连接有电路板（5）；所述气囊（2）具有气密性，气囊（2）的周向均匀布设至少三条传感器（1）；传感器（1）的一端固定于气囊（2）顶部，另一端固定于底座（4）；传感器（1）的初始状态不产生形变，能随传感器（1）所在处的部分气囊（2）一同被拉伸或压缩，且不影响气囊（2）的形变；气囊（2）的中部具有内缩段，充放气时气囊（2）在单轴方向的形变量大于其余方向的形变量；传感器（1）和气囊（2）均为柔性材质；传感器（1）在被拉伸或压缩时能产生阻值变化；各传感器（1）均通过导线与电路板（5）相连接，电路板（5）用于将传感器（1）的阻值变化转变为电信号；所述传感器（1）内部设有呈弓形的腔室，腔室内部填充有液态金属共晶镓铟合金，腔室的两端均通过导线与所述电路板（5）相连接。

2.根据权利要求1所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述电路板（5）为设有电流源电路、第一级放大电路、负电压电路和第二级放大电路的信号采集板；所述电流源电路用于将传感器（1）的阻值变化转变为电压信号，所述第一级放大电路用于将所述电压信号进行一级放大，所述负电压电路用于为第一级放大电路提供负压电源；所述第二级放大电路用于对所述电压信号进行二级放大，并与外部的信号采集系统相连接。

3.根据权利要求1所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述传感器（1）和气囊（2）均为硅胶材质，所述底座（4）为树脂材质。

4.根据权利要求3所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述气囊（2）为Ecoflex0030硅胶。

5.根据权利要求3所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述传感器（1）为邵氏硬度20的硅胶。

6.根据权利要求1所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述传感器（1）为三条，相邻传感器（1）之间的夹角为120°；传感器（1）被压缩时阻值变小，被拉伸时阻值变大。

7.根据权利要求1所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述传感器（1）与底座（4）之间通过若干个第一固定件（3）相连接，底座（4）与电路板（5）之间通过若干个第二固定件（6）相连接。

8.根据权利要求7所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述第一固定件（3）为螺栓，在所述底座（4）侧壁上与每个传感器（1）相对应的位置处均开设有螺纹安装孔，第一固定件（3）贯穿传感器（1）并固定于对应的螺纹安装孔中，将传感器（1）贴合固定于底座（4）侧壁上。

9.根据权利要求7所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述第二固定件（6）为铜柱，所述底座（4）底部开设有固定孔，第二固定件（6）贯穿电路板（5）并固定于底座（4）的固定孔中，将电路板（5）贴合固定于底座（4）底面上。

10.根据权利要求1~9任一所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述第一弧状板面（71）、弹性轴（12）和连接件（8）围成的三角区域内填充固定有邵氏硬度为30的硅胶材料，第一弧状板面（71）和连接件（8）能在弹性材料的形变下以弹性轴（12）为轴心打开15~20°。

11.根据权利要求1~9任一所述的自适应柔性外骨骼人机接口，其特征在于，所述第一弧状板面（71）和第二弧状板面（72）上的多维力传感器均为两个；气嘴（11）的数量为4个，分别与每个多维力传感器的气囊（2）相连通。

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