CN113335408A - 一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置，属于智能磁控材料及机器人足掌传感领域。该足掌装置包括固定连接层、摩擦接触层、感知层、信息传输层和控制层；固定连接层在足掌装置中起支撑作用；摩擦接触层在足掌装置中作用于被控对象，受控制层调控；感知层用于感知足掌受力状态，向控制层输入感知到的信号；信息传输层用于将感知层检测到的信号调制转换后传输至控制层；控制层用于控制足掌装置运动，对摩擦接触层进行控制。发明技术方案制备的自感知自适应的夹层式足掌具有摩擦力可控、自适应环境的特点，在爬壁机器人领域的发展中具有广阔的前景。

Description

一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置

技术领域

本发明属于智能磁控材料及机器人足掌传感领域，涉及一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置。

背景技术

传统的爬壁机器人足掌主要包括真空负压吸附式和永磁吸附式。真空负压吸附式足掌系统复杂，要求机器人配备有抽真空设备，以及对能量消耗较大，因此机器人整体结构复杂并且质量较大，此外真空负压吸附式机器人足掌仅适用于光滑的表面，对于凹凸不平的表面，足掌与接触面之间不能够紧密吸附，导致足掌的气密性较差，无法做到足掌内部抽真空状态。而永磁吸附式机器人足掌则是利用电磁铁产生的磁场与磁性接触面之间的吸引力，使得足掌能够吸附在磁性接触面的表面。对于非磁性接触面，永磁式吸附式机器人足掌则无法工作。

足掌作为爬壁机器人的一个关键部位，其作用除了用于支撑机器人本体以及执行调控机器人运动状态以外，还可以用于感知外界力的变化，是爬壁机器人的主要运动机构，与复杂的外界环境进行交互。简单结构的爬壁机器人足掌由纯机械机构构成，只能够起到支撑作用；在机器人足掌结构里添加电气控制单元可以起到控制机器人运动状态；在足掌机构里嵌入传感单元，可以使得机器人足掌具备感知外界力与运动的能力。为了使得机器人更加智能化，现在的机器人均具有电气控制单元和传感单元。传统的机器人通常是通过控制机器人制动机构来完成运动状态的调控，以及采用传感器来感知外界信号，其机器人足掌均是刚性结构。

为了使机器人能够感知到接触的地面环境状况以及自身的运动状态，爬壁机器人足掌应具备感知功能。通常在机器人足掌内部或者表面安装有力/力矩传感器，并设计信号采集处理模块，用于实时监测机器人足掌受力情况，监测的压力、加速度等物理量作为反馈信号传输至控制系统，使得机器人能够实时调控自身的运动状态。

足掌的摩擦粘附材料及其结构是决定机器人攀爬性能的关键因素。敏橡胶体是一种新型的智能材料，主要是在橡胶(或硅树脂)里面填充微米级大小的可磁化颗粒(如铁磁颗粒、铁镍合金颗粒、氧化铁等微米级别颗粒物)制备而成，其智能的特性主要体现在磁敏橡胶的物理特性受外界物理场的调控，并且是可逆调控，比如在磁场的作用下，磁敏橡胶的弹性模量、表面粗糙度等物理量会发生可逆性变化。可是由于磁敏橡胶具有良好的磁控特性，使得磁敏橡胶在工程应用领域里有着广泛的应用。目前，磁敏橡胶大多数都是应用在隔振领域，主要是通过磁场来调控磁敏橡胶的弹性模量从而达到隔振效果。磁敏橡胶在移动机器人足掌方面的应用几乎是空白的，其中一个重要的原因是移动机器人足掌的传感结构复杂，摩擦力控制难度较大，不能够自适应复杂的摩擦环境。

因此，亟需一种新的足掌结构来解决机器人足掌同时对传感结构和摩擦性能的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置，采用各向异性磁敏橡胶制备夹层式足掌结构，通过支撑杆连接两个足掌，在磁场作用下，能够使足掌够适应不同厚度的独立墙壁；此外还采用多壁碳纳米管硅橡胶聚合物作为圆柱阵列传感器嵌入在磁敏橡胶足掌力用于感知足掌受力情况，并将实时数据传输至控制器，控制器通过控制空间磁感应强度从而控制磁敏橡胶足掌的受力情况。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置，包括：固定连接层、摩擦接触层、感知层、信息传输层和控制层；

所述固定连接层在足掌装置中起到连接各个层次的作用以及支撑足掌装置的作用，并与接摩擦接触层和控制层连接，内部嵌入感知层；

所述摩擦接触层在足掌装置中作用于被控对象，受控制层调控，是足掌装置自适应环境的本体机构；

所述感知层用于感知足掌受力状态，向控制层输入感知到的信号；

所述信息传输层用于将感知层检测到的信号调制转换后传输至控制层；

所述控制层用于控制足掌装置运动，对摩擦接触层进行控制。

进一步，所述摩擦接触层包括：各向异性磁敏橡胶901和硅橡胶弹性体Ⅰ9。

优选的，所述各向异性磁敏橡胶的制备方法是在基体中填充硬磁性颗粒，在80℃的条件下固化成型后进行充磁；其中，基体为硅橡胶、PDMS、天然橡胶中的一种，所述磁性填充颗粒为钕铁硼颗粒。

优选的，所述摩擦接触层的表面微观结构可以是平滑型、星点型、正弦波浪型等中的一种。

进一步，所述固定连接层包括：足掌基体和固定结构；所述足掌基体包括：硅橡胶弹性体Ⅱ908、硅橡胶连接体904；所述固定结构包括：固定外壳907、连接销906和盖板Ⅱ14；

所述硅橡胶弹性体Ⅱ908用于粘性连接硅橡胶连接体904和各向异性磁敏橡胶901或硅橡胶弹性体Ⅰ9；硅橡胶连接体904中间有通孔，通过连接销906与固定外壳907连接，连接销906末端经过螺纹攻丝工艺，能够通过螺帽与固定外壳907固定，固定外壳907通过直角角码Ⅱ15与盖板Ⅱ14螺栓连接；固定连接层将足掌基体与摩擦接触层和控制层的磁场发生装置连接为一体，硅橡胶连接体904与盖板Ⅱ14紧密贴在一起，足掌基体受到正压力作用时，弯矩为零，保证了感知层所测得的正压力值准确；硅橡胶连接体904中间通孔直径略微比连接销906直径大，连接销906表面抛光处理并且涂有润滑油，保证在足掌基体受到切向方向的摩擦力时，足掌基体在左右方向无摩擦略微移动。

进一步，所述感知层包括正压力圆柱体阵列传感部件和摩擦力圆柱体阵列传感部件；所述正压力圆柱体阵列传感部件由多个正压力圆柱体传感器903按阵列分布组成，用于感知足掌受到外界的正压力，所述摩擦力圆柱体阵列传感部件由多个摩擦力圆柱体传感器902按阵列分布组成，用于足掌受到外界感知摩擦力。

其中，圆柱体传感器是由多壁碳纳米管硅橡胶聚合物制备而成，其中多壁碳纳米管体积分数为1％-5％的多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体的压阻函数关系式如下：

R(F)＝ae^b*F+ce^d*F

其中，R(F)为电阻，F为应力，a～d为常数。

进一步，所述控制层包括：控制模块21、可控电源22和磁场发生装置，用于控制足掌表面摩擦力，使得足掌能够自适应不同环境中运动；

所述磁场发生装置包括导线通孔Ⅰ1、铁芯2、固定柱3、励磁线圈4、上封盖5、直角角码Ⅰ6、亚克力垫板8、下底板17和励磁线圈封装盒18；励磁线圈4由铜线绕固定柱3形成，连接可控电源22；上封盖5与励磁线圈封装盒18利用直角角码Ⅰ6通过螺栓孔Ⅱ19进行螺栓连接；固定柱3、亚克力垫板8和下底板17通过螺栓孔Ⅰ7进行螺栓连接。所述控制模块21分别与可控电源22和信息传输层的信号采集模块20连接。

优选的，上封盖5、励磁线圈封装盒18和铁芯2选用真空相对磁导率较高的软磁性材料，如纯铁、硅铁、铁镍合金中的一种。

进一步，所述足掌装置的自适应实现过程是：在摩擦力的作用下，圆柱形阵列传感部件的电阻发生相应的变化，并将电阻信号传输至信号采集模块，信号采集模块将电阻信号转换为电压信号并传输至上位机，上位机软件将电压信号转换为压力信号，上位机又将压力信号传输至控制器，控制器将实时摩擦力数值与摩擦力设定的值进行比较，当数值发生偏差时，控制器通过控制励磁线圈的电流从而控制各向异性磁敏橡胶901所受的磁场力，同时调控各向异性磁敏橡胶901表面粗糙度，达到控制摩擦力的效果。

进一步，所述控制模块21内部设有自适应控制算法，采用PID算法实现，具体包括：比较压力信号的输入值n_(t)与设定值r_(t)，当输入值与设定值不相等时，得到控制偏差值：

e_(t)＝r_(t)-n_(t)

将偏差值e_(t)经过比例、积分与微分处理后，并通过线性组合得到控制量u_(t)，控制规律的表达式为：

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数；

将采样模拟信号离散化，于是公式就可以转换为数字PID控制公式：

其中，T为采样时间；

得到的控制量u_k对可控电源22的输出电压进行控制，从而改变磁场发生装置中励磁线圈4的电流大小，进而使得磁敏橡胶足掌所处的空间磁场强度发生变化，磁敏橡胶足掌的摩擦力因此发生变化。

进一步，所述信息传输层包括：信号采集处模块20、电极和导线；所述电极镀在圆柱体阵列传感部件上、下表面，并与导线连接，所有上、下表面的导线分别汇总在一起，将圆柱体阵列传感部件的电阻信号传输至信号采集模块20，信号采集模块20将电阻信号转换为电压信号，又将电压信号转换为压力信号并传输至控制层的控制模块21。

优选的，所述电极采用是的刻蚀、喷涂、磁控溅射银离子工艺中的一种。

进一步，该足掌装置的制作方法具体包括：首先制备由圆柱体阵列传感部件构成的感知层；接着在感知层上下表面镀电极并通过导线连接信号采集模块20作为信息传输层；随后制备各向异性磁敏橡胶样品作为摩擦接触层，待各向异性磁敏橡胶基体接近完成固化时，将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体通过模具阵列放置在各向异性磁敏橡胶表面并导入PDMS混合液制备固定连接层的硅橡胶弹性体Ⅱ908、硅橡胶连接体904，放入保温箱固化成型；以同样的方法将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物连接在各向异性磁敏橡胶的左右两侧；将成型的硅橡胶连接体904通过销连接固定外壳，并通过螺帽固定；信息传输层将信号调制转换过后传输至控制层，控制层根据信号和设定的数值以及相应设定的控制算法进行控制励磁线圈4的电流。

本发明的有益效果在于：本发明可以将制备成品的足掌直接用于机器人，实现机器人对外界环境的实时感知，控制模块根据信号采集模块感知到的参数，通过控制励磁线圈电流实现对机器人摩擦力控制进而控制运动状态，改变了传统的机器人只能通过力传感器感知摩擦环境和控制制动机构来改变运动状态的缺点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本实施例中自感知自适应夹层式足掌的结构示意图；

图2为本实施例中磁场发生装置内部结构示意图；

图3为本实施例中足掌感知结构示意图；

图4为本实施例中摩擦接触层在距离励磁线圈60mm处磁场仿真图；

图5为本实施例中多壁碳纳米管硅橡胶聚合物压阻测试拟合曲线图；

图6为本实施例中自感知自适应流程示意图；

图7为本实施例中PID算法控制流程图；

附图标记：1-导线通孔Ⅰ，2-铁芯，3-固定柱，4-励磁线圈，5-上封盖，6-(M6)直角角码Ⅰ，7-(M3)螺栓孔Ⅰ，8-亚克力垫板，9-硅橡胶弹性体Ⅰ，901-各向异性磁敏橡胶，902-摩擦力圆柱体传感器，903-正压力圆柱体传感器，904-硅橡胶连接体，905-导线通孔Ⅱ，906-连接销，907-固定外壳，908-硅橡胶弹性体Ⅱ，909-(M3)直角角码孔，10-支撑杆，11-连接杆Ⅰ，12-连接杆Ⅱ，13-液压杆，14-盖板Ⅱ，15-(M3)直角角码Ⅱ，16-盖板Ⅰ，17-下底板，18-励磁线圈封装盒，19-(M6)螺栓孔Ⅱ，20-信号采集模块，21-控制模块，22-可控电源，23-(M3)螺栓孔Ⅲ。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图7，图1所示的为本实施例基于自感知自适应的夹层式足掌装置，结构层次包括：固定连接层、摩擦接触层、感知层、信息传输层、控制层。每个结构层功能均不一样，又紧密连接，构成一个完整的自感知自适应系统。

固定连接层包括足掌基体和固定结构；足掌基体包括：硅橡胶弹性体Ⅱ908、硅橡胶连接体904；固定结构包括：固定外壳907、连接销906和盖板Ⅱ14；硅橡胶弹性体Ⅱ908用于粘性连接硅橡胶连接体904和各向异性磁敏橡胶901或硅橡胶弹性体Ⅰ9；硅橡胶连接体904中间有通孔，通过连接销906与固定外壳907连接，连接销906末端经过螺纹攻丝工艺，能够通过螺帽与固定外壳907固定，固定外壳907通过直角角码Ⅱ15与盖板Ⅱ14螺栓连接。固定连接层将足掌基体与摩擦接触层和磁场发生装置连接为一体，硅橡胶连接体904与盖板Ⅱ14紧密贴在一起，足掌基体受到正压力作用时，弯矩为零，保证了感知层所测得的正压力值准确；硅橡胶连接体904中间通孔直径略微比连接销906直径大，连接销906表面抛光处理并且涂有润滑油，在足掌基体受到切向方向的摩擦力时，足掌基体在左右方向无摩擦略微移动。

摩擦接触层包括各向异性磁敏橡胶901和硅橡胶弹性体Ⅰ9，通过研究发现各向异性磁敏橡胶具有较高的矫顽力，在磁场作用下，各向异向磁敏橡胶受到磁场力的作用，所受磁场力的方向与磁场方向相关，利用其在磁场作用下的受力特性，采用各向异向磁敏橡胶901作为夹层式足掌装置的下足掌摩擦接触层，使得摩擦接触层与接触面之间的压力受磁场调控，同时摩擦接触层表面粗糙度也受磁场调控。硅橡胶弹性体Ⅰ9用于夹层式足掌装置的上足掌摩擦接触层，不受磁场调控，在压力作用下，能够与接触面紧密接触。

上层足掌通过支撑杆10与连接杆Ⅰ11垂直连接，连接杆Ⅰ11与连接杆Ⅱ12垂直连接，液压杆13与连接杆Ⅱ12垂直连接；其中支撑杆10与液压杆13保持水平。

假定夹层式足掌装置刚开始工作时，垂直墙壁的厚度是确定的，摩擦接触层与墙壁接触面刚好接触。当需要夹层式足掌装置黏附挂在墙面上时，磁场发生装置产生正向磁场，使得各向异性磁敏橡胶901受到磁场的吸引力，下层的足掌基体及其固定结构整体向上移动，使得摩擦接触层与墙壁接触面之间的正压力增大，液压杆13起到支撑下层足掌装置，同时还使得下层足掌装置能够上下移动。当夹层式足掌装置需要转换到其它厚度的垂直墙壁时，通过磁场发生装置调控磁场，进而调控两摩擦接触层之间的间距，使得夹层式足掌装置能够适用于一定范围宽度的墙壁。

各向异性磁敏橡胶制备方法是在基体中填充硬磁性颗粒，在80℃的条件下固化成型后进行充磁；其中，基体可以是硅橡胶、PDMS、天然橡胶中的一种，磁性填充颗粒为钕铁硼颗粒。为了增大摩擦接触层的表面粗糙度，可以从结构上改变摩擦接触层表面微观结构，其表面可以是平滑型、星点型、正弦波浪型等中的一种。

如图4所示，摩擦接触层在距离励磁线圈60mm处磁场仿真图，由各向异性磁敏橡胶901制备的摩擦接触层在距离励磁线圈60mm处，随着励磁线圈电路增大，摩擦接触层所在空间位置的磁感应强度也增大，其所受的磁场力也逐渐增大，其所受的力也正是下足掌装置所受的力，当磁场力为吸引力时，夹层式足掌与墙壁的接触面之间的正压力也增大，从而使得足掌装置与墙壁之间的最大静摩擦力也增大，足掌装置能够负载的重量也增大。

感知层包括正压力圆柱体阵列传感部件和摩擦力圆柱体阵列传感部件；其中，正压力圆柱体阵列传感部件由多个正压力圆柱体传感器903按阵列分布组成，用于感知足掌受到外界的正压力，所述摩擦力圆柱体阵列传感部件由多个摩擦力圆柱体传感器902按阵列分布组成，用于足掌受到外界感知摩擦力。圆柱体阵列传感部件是由体积分数为3％的多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体制备而成。

正压力圆柱体传感器903和摩擦力圆柱体传感器902，在外界压力作用下，圆柱体传感部件发生形变使得电阻阻值发生规律性变化，通过压阻曲线函数关系式可以根据电阻值计算出压力值。为了使得所测的压力值更接近真实压力值，正压力圆柱体传感器903阵列分布在摩擦接触层与固定连接层中间，摩擦力圆柱体传感器902阵列分布在摩擦接触层左右两侧边与固定外壳907之间，所测的压力值等于各个圆柱体传感部件所测的值之和，所测的摩擦力值等于圆柱体传感部件902所测的值之和。

多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体制备如下：根据材料配比表格定量称取多壁碳纳米管，将称量后的多壁碳纳米管倒入烧杯中，并添加入适量的分散剂(选正己烷)，搅拌使之充分湿润、随后用超声波振动仪进行振荡，待多壁碳纳米管在正己烷中分散均匀后，将多壁碳纳米管与硅橡胶A组分混合，机械搅拌，超声波振荡，使多壁碳纳米管在硅橡胶A组分中分散均匀，之后将多壁碳纳米管在硅橡胶A组分混合物放置在干燥箱中加热至80℃，使得正己烷全部挥发；确认正己烷全部挥发后，取出多壁碳纳米管在硅橡胶A组分混合，随后加入硅橡胶B组分并机械搅拌，放入真空干燥箱中抽真空取出气泡。最后将混合物导入模具并放入保温箱中加热固化，得到多壁碳纳米管硅橡胶聚合物。

如图5所示，多壁碳纳米管硅橡胶聚合物压阻测试拟合曲线图，由多壁碳纳米管硅橡胶聚合物制备的圆柱体传感部件的电阻阻值与其所受的压力呈负相关关系，随着压力的增大，电阻值下降梯度也逐渐减小，并且阻值与压力呈一定函数规律关系变化，由此可以利用圆柱体传感部件的阻值推算出其所受的压力值。结合MATLAB拟合工具箱对数值进行拟合得出压力-阻值关系如下：

R(F)＝ae^b*F+ce^d*F

其中，R(F)为电阻，F为应力，a～d为常数。

信息传输层是在圆柱体阵列传感部件上、下表面镀有电极并连接导线，所有上、下表面的导线分别汇总在一起，将圆柱体阵列传感部件的电阻信号传输至信号采集模块20，信号采集模块将电阻信号转换为电压信号，又将电压信号转换为压力信号并传输至控制模块21。

电极采用是的刻蚀、喷涂、磁控溅射银离子工艺中的一种。

信号采集模块包括控制电路、电源电路、电阻检测电路。可选的，控制电路的芯片采用STM32F103C8T6；电源电路选用AMS1117-3.3V稳压芯片用于5V转换为3.3V；电阻检测电路采用分压式电路,其原理为通过检测电阻分压后的电压来计算待测电阻的阻值。。为了将感知到的压力显示，设计OLED显示电路，直接使用OLED裸屏将压力值显示出来。在STM32F103C8T6芯片上烧写入电阻与压力转换程序。信号采集模块通过通信串口，将采集到的压力信号传输至控制模块21。

本实施例的足掌装置的自感知的工作原理如下：足掌的摩擦接触层受到外界竖直方向正压力时，对圆柱体阵列传感部件产生一个竖直方向的挤压，使得正压力圆柱体传感器903发生弹性形变，导致其电阻阻值发生变化，根据信号采集处理模块采集到的电阻信号，利用正压力圆柱体传感器903的压阻函数关系将电阻阻值转换为压力；足掌的摩擦接触层受到外界水平方向摩擦力时，足掌的摩擦接触层会在水平方向滑动，使得摩擦力圆柱体传感器902与侧边的固定外壳产生挤压，导致其电阻阻值发生变化，根据信号采集处理模块采集到的电阻信号，利用摩擦力圆柱体传感器902的压阻函数关系将电阻阻值转换为压力；

控制层包括控制模块21、可控电源22、磁场发生装置,主要实现夹层式足掌装置自适应环境的功能。控制模块21有多个通信接口，接收来自信号采集模块输出过来的数据，在控制模块的芯片上设计有相应的控制算法，控制模块根据信号采集模块输入的数据进行控制可控电源22的输出电压。自适应的实现过程是：在摩擦力的作用下，圆柱形阵列传感部件的电阻发生相应的变化，并将电阻信号传输至信号采集模块，信号采集模块将电阻信号转换为电压信号并传输至上位机，上位机软件将电压信号转换为压力信号，上位机又将压力信号传输至控制器，控制器将实时摩擦力数值与摩擦力设定的值进行比较，当数值发生偏差时，控制器通过控制励磁线圈的电流从而控制各向异性磁敏橡胶901所受的磁场力，同时调控各向异性磁敏橡胶901表面粗糙度，达到控制摩擦力的效果。

磁场发生装置由磁场发生装置包括导线通孔1、铁芯2、固定柱3、励磁线圈4、上封盖5、(M6)直角角码Ⅰ6、亚克力垫板8、下底板17和励磁线圈封装盒18构成。连接励磁线圈4与可控电源22的导线通过通孔Ⅰ1，上封盖5与励磁线圈封装盒18采用直角角码螺栓连接，亚克力垫板8与下底板17通孔尺寸及位置一致，通过螺栓连接在一起，下底板17与励磁线圈封装盒18采用焊接方式连接在一起，固定柱3与亚克力板8有四个尺寸和空间位置对应的通孔，通过螺栓连接将固定柱3固定在亚克力板17表面。通过多物理场有限元仿真软COMSOL磁场模块对三维线圈进行建模与电磁场仿真。从仿真结果得知，铁芯2、上封盖5、励磁线圈封装盒18的真空相对磁导率越大，足掌的摩擦接触层所在的空间区域磁感应强度越大，因此，上封盖5、励磁线圈封装盒18和铁芯2选用真空相对磁导率较高的软磁性材料为纯铁、硅铁、铁镍合金中的一种。励磁线圈4由铜线绕固定柱形成。

摩擦接触层、连接固定层、感知层、信息传输层、控制层制备过程如下：首先制备圆柱体阵列传感部件感知层；接着在感知层上下表面镀电极并通过导线连接信号采集模块作为信息传输层；随后制备各向异性磁敏橡胶样品作为摩擦接触层，待各向异性磁敏橡胶基体接近完成固化时，将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体通过模具阵列放置在各向异性磁敏橡胶表面并导入PDMS混合液制备固定连接层的硅橡胶弹性体Ⅱ908、硅橡胶连接体904，放入保温箱固化成型；以同样的方法将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物连接在各向异性磁敏橡胶的左右两侧；将成型的硅橡胶连接体904通过销连接固定外壳，并通过螺帽固定；信息传输层将信号调制转换过后传输至控制层，控制层根据信号和设定的数值以及相应设定的控制算法进行控制励磁线圈4的电流。

如图6所示，本实施足掌装置的自感知自适应流程示意图，本发明工作原理：夹层式足掌装置夹在独立垂直墙壁上，摩擦接触层与墙壁之间产生垂直于墙壁的正压力和切向方向的摩擦力，感知层的阵列圆柱体传感部件在力的作用下发生形变，其电阻阻值也发生相应的变化，信息传输层采集到阵列圆柱体传感部件的电阻信号并根据信号采集模块芯片内设定的压力阻值关系式将电阻信号转换为压力信号，并传输至控制层的控制模块，当摩擦接触面发生变化时，或者足掌装置负载发生变化时，足掌装置重力有可能会大于最大静摩擦力而导致脱落，为此，控制模块的压力设定值总是略微大于足掌自身装置及其负载的重力，控制模块21根据内部芯片设定的PID控制算法，比较压力信号的输入值与设定值，当输入值与设定值不相等时，控制模块21对可控电源22的输出电压进行控制，从而改变磁场发生装置中励磁线圈的电流大小，进而使得磁敏橡胶足掌所处的空间磁场强度发生变化，磁敏橡胶足掌的摩擦力因此发生变化。本发明充分利用多壁碳纳米管硅橡胶聚合物压阻特性和各向异性磁敏橡胶的磁控摩擦特性以及高磁导率特性，结合一体化成型技术，创新的将磁敏橡胶与多壁碳纳米管硅橡胶聚合物通过材料成型过程特点连接固化为一体，实现自感知与控制一体。

本发明实施例采用PID算法进行控制，控制流程如图7所示。

比例环节：使用比例环节能够实时成比例地显示控制系统的偏差信号e_(t)，较快地发挥控制作用，逐渐降低偏差值。稳定误差随着比例系数K_p增大而降低，同时会导致动态稳定性降低，系统振荡严重，超调量升高。

积分环节：在PID控制中加入积分环节以降低静态误差值，即当闭环系统运行稳定时，PID控制输出值和控制偏差值保持不变。积分时间常数T_i确定了积分作用的效果，时间常数取值越大积分效果越弱，反之则效果越强。随着积分时间常数T_i的减小，静态误差减小，但较小的积分常数又会使系统振动幅度加大，稳定性降低。

微分环节：在PID控制中增加微分环节用以提高系统稳定性、增大动态响应速度，能够判断系统发展方向，预判出偏差信号的变化方向，并能在偏差信号值变大前，输入适当的前期补偿信号，从而提高系统响应速度，缩短控制周期。

比较压力信号的输入值n_(t)与设定值r_(t)，当输入值与设定值不相等时，可以得到控制偏差值：

e_(t)＝r_(t)-n_(t)

将偏差值经过比例、积分与微分处理后，并通过线性组合得到控制量u_(t)，控制规律的表达式为：

其中T为采样时间。

由于采样模拟信号将其数据离散化，于是公式就可以转换为数字PID控制公式码：

得到的控制量u_k对可控电源22的输出电压进行控制，从而改变磁场发生装置中励磁线圈的电流大小，进而使得磁敏橡胶足掌所处的空间磁场强度发生变化，磁敏橡胶足掌的摩擦力因此发生变化。

在控制系统使用前，还需要对P、I、D参数进行调整，调整方式为：

每个参数都是按照从小到大的顺序调，避免系统出现大振荡。调节顺序为比例、积分、微分。比例环节主要影响调节时间，先只保留单独的比例环节调试，待系统调整满足要求(比如反应快、超调适当)，如果当前系统的稳态误差和响应速度满足要求，就只需采用纯比例环节；

如果系统的稳态误差还不满足设计要求时，就应该加入积分环节。先把比例系数减小20％左右，再按照从小到大的顺序增大积分系数，让系统在保持良好的动态性能时，将稳态误差调整到满意的范围内。在调整积分系数的过程中，也要根据曲线响应效果适当调节比例系数。

如果PI控制器仍然不能满足要求，就需要加入微分环节。调节过程相似于积分调节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，该足掌装置包括：固定连接层、摩擦接触层、感知层、信息传输层和控制层；

所述固定连接层在足掌装置中起支撑作用，并与接摩擦接触层和控制层连接，内部嵌入感知层；

所述摩擦接触层在足掌装置中作用于被控对象，受控制层调控；

所述感知层用于感知足掌受力状态，向控制层输入感知到的信号；

所述信息传输层用于将感知层检测到的信号调制转换后传输至控制层；

所述控制层用于控制足掌装置运动，对摩擦接触层进行控制。

2.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述摩擦接触层包括：各向异性磁敏橡胶(901)和硅橡胶弹性体Ⅰ(9)。

3.根据权利要求2所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述固定连接层包括：足掌基体和固定结构；所述足掌基体包括：硅橡胶弹性体Ⅱ(908)、硅橡胶连接体(904)；所述固定结构包括：固定外壳(907)、连接销(906)和盖板Ⅱ(14)；

所述硅橡胶弹性体Ⅱ(908)用于粘性连接硅橡胶连接体(904)和各向异性磁敏橡胶(901)或硅橡胶弹性体Ⅰ(9)；硅橡胶连接体(904)中间有通孔，通过连接销(906)与固定外壳(907)连接，固定外壳(907)通过直角角码Ⅱ(15)与盖板Ⅱ(14)螺栓连接；硅橡胶连接体(904)与盖板Ⅱ(14)紧密贴在一起；橡胶连接体(904)中间通孔直径比连接销(906)直径大保证在足掌基体受到切向方向的摩擦力时，足掌基体在左右方向无摩擦略微移动。

4.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述感知层包括正压力圆柱体阵列传感部件和摩擦力圆柱体阵列传感部件；所述正压力圆柱体阵列传感部件由多个正压力圆柱体传感器(903)按阵列分布组成，用于感知足掌受到外界的正压力，所述摩擦力圆柱体阵列传感部件由多个摩擦力圆柱体传感器(902)按阵列分布组成，用于足掌受到外界感知摩擦力。

5.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述控制层包括：控制模块(21)、可控电源(22)和磁场发生装置；

所述磁场发生装置包括导线通孔Ⅰ(1)、铁芯(2)、固定柱(3)、励磁线圈(4)、上封盖(5)、直角角码Ⅰ(6)、亚克力垫板(8)、下底板(17)和励磁线圈封装盒(18)；励磁线圈(4)由铜线绕固定柱(3)形成，连接可控电源(22)；上封盖(5)与励磁线圈封装盒(18)利用直角角码Ⅰ(6)通过螺栓孔Ⅱ(19)进行螺栓连接；固定柱(3)、亚克力垫板(8)和下底板(17)通过螺栓孔Ⅰ(7)进行螺栓连接；

所述控制模块(21)分别与可控电源(22)和信息传输层的信号采集模块(20)连接。

6.根据权利要求5所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述控制模块(21)内部设有自适应控制算法，采用PID算法实现，具体包括：比较压力信号的输入值n_(t)与设定值r_(t)，当输入值与设定值不相等时，得到控制偏差值：

e_(t)＝r_(t)-n_(t)

将偏差值e_(t)经过比例、积分与微分处理后，并通过线性组合得到控制量u_(t)，控制规律的表达式为：

其中，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数；

将采样模拟信号离散化，转换为数字PID控制公式：

其中，T为采样时间；

得到的控制量u_k对可控电源(22)的输出电压进行控制，从而改变磁场发生装置中励磁线圈(4)的电流大小，进而使得磁敏橡胶足掌所处的空间磁场强度发生变化，磁敏橡胶足掌的摩擦力因此发生变化。

7.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述信息传输层包括：信号采集处模块(20)、电极和导线；所述电极镀在圆柱体阵列传感部件上、下表面，并与导线连接，所有上、下表面的导线分别汇总在一起，将圆柱体阵列传感部件的电阻信号传输至信号采集模块(20)，信号采集模块(20)将电阻信号转换为电压信号，又将电压信号转换为压力信号并传输至控制层的控制模块(21)。

8.根据权利要求2所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，所述摩擦接触层的表面微观结构是平滑型、星点型或正弦波浪型。

9.根据权利要求1～8中任意一项所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置，其特征在于，该足掌装置的制作方法具体包括：首先制备由圆柱体阵列传感部件构成的感知层；接着在感知层上下表面镀电极并通过导线连接信号采集模块(20)作为信息传输层；随后制备各向异性磁敏橡胶样品作为摩擦接触层，待各向异性磁敏橡胶基体接近完成固化时，将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体通过模具阵列放置在各向异性磁敏橡胶表面并导入PDMS混合液制备固定连接层的硅橡胶弹性体Ⅱ(908)、硅橡胶连接体(904)，放入保温箱固化成型；以同样的方法将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物连接在各向异性磁敏橡胶的左右两侧；将成型的硅橡胶连接体(904)通过销连接固定外壳，并通过螺帽固定；信息传输层将信号调制转换过后传输至控制层，控制层根据信号和设定的数值以及相应设定的控制算法进行控制励磁线圈(4)的电流。

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