CN115560894A - 一种碳纤维柔性压力分布式传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，具体公开了一种碳纤维柔性压力分布式传感装置。其技术方案包括：径向纤维束、纬向纤维束、拉力感应器和支撑圈。径向纤维束和纬向纤维束均阵列式的设置多组，径向纤维束和纬向纤维束相互垂直设置。所述的支撑圈使径向纤维束和纬向纤维束展开。径向纤维束或者纬向纤维束组成团束并连接有拉力感应器，通过拉力感应器用于感应径向纤维束和纬向纤维束上的拉力。控制器，其用于构建空间坐标系和曲面模型，并将曲面模型置入空间坐标系中，获取径向纤维束和纬向纤维束对应的力Fxi和Fyi,计算获得压力F和施加力坐标范围。本发明可以大大的减少分布式传感装置的厚度，增加贴合能力，且大大缩减成本，实现超薄设计。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种碳纤维柔性压力分布式传感装置。
背景技术
随着智能机器人技术的迅速发展，对机器人触觉传感技术的研究也日益兴盛起来。触觉传感器系统在非结构化环境中的反馈控制以及碰撞安全性等方面有着重要的应用，因此柔性触觉传感器是提高机器人智能化水平的重要部件。它应当具有类似人类皮肤的柔软性、灵活性，能够快速准确的获取外界信息并做出反馈，以此来自动适应不同压力下的外界环境。它在智能机器人、航空航天、现代医疗等领域有着非常广阔的应用前景。
上世纪80年代，触觉传感技术的研究涉及到声、光、电、磁等多个学科，主要研究传感器的结构设计、触觉信息的收集与处理等。到了90年代初，研究方向以机电一体化的触觉传感系统为重点，将新型复合材料与现代化精密加工技术结合在一起，特别是在触觉形状识别、虚拟触觉传感技术等领域有着重大突破。近几年，世界各国的研究者们更多的研究智能触觉传感技术、集成传感、机器人感知皮肤(人造皮肤)等方向进行研究。但是现有的分布式传感装置柔性不好且切合性差。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，所述的碳纤维柔性压力分布式传感装置包括：径向纤维束、纬向纤维束、拉力感应器和支撑圈；
径向纤维束和纬向纤维束均阵列式的设置多组，径向纤维束和纬向纤维束相互垂直设置；
所述的支撑圈形成支撑结构，使径向纤维束和纬向纤维束展开；
至少一个径向纤维束或者纬向纤维束组成一个团束，一个团束上连接有一个拉力感应器，通过拉力感应器用于感应径向纤维束和纬向纤维束上的拉力；
控制器，其用于构建一个空间坐标系，并构建一个曲面模型，并将曲面模型置入空间坐标系中，对空间坐标进行摊平处理获得优化平面坐标系，获得径向纤维束或者纬向纤维束对应的坐标，控制器接收各个径向纤维束和纬向纤维束对应的力Fxi和Fyi,计算获得压力
其中，Fxi’和Fyi’分别是不施加力时各个拉力感应器检测获得的力；判断Fxi和Fyi是否大于一个预先设置F标，如果是，则对xi和yi进行统计，得施加力坐标范围(xi,yi)，将优化平面坐标系中的(xi,yi)，植入到空间坐标系中，获得曲面模型的空间坐标位置。
优选的：所述径向纤维束和纬向纤维束的分布面存在分布面的法线方向差，形成径向纤维束和纬向纤维束的两个连接层面。
优选的：所述径向纤维束和纬向纤维束是相互间隔穿插而形成交叉点，使径向纤维束和纬向纤维束的分布面处于同一连接层面。
优选的：所述径向纤维束和纬向纤维束均是由碳纤维轴心和弹性基体聚合物组成。
优选的：所述弹性基体聚合物是TPS、TPO、TPV、SBS、SIS、SEBS、EPM、POE中的一种。
优选的：所述支撑圈是可弯曲的金属框结构，任意形变并与曲面贴合。
优选的：所述支撑圈是是金属条状结构与外包层组合结构，外包层包覆在金属条状结构的外部，径向纤维束和纬向纤维束固定连接在金属上。
优选的：所述空间坐标进行摊平处理方法包括：获得径向纤维束和纬向纤维束的连接点，并对径向纤维束和纬向纤维束的连接点进行排序，并以径向纤维束的团束作为横坐标x，纬向纤维束的团束作为纵坐标y进行排序。
本发明的技术效果和优点：通过拉力感应器设置在径向纤维束和纬向纤维束上，可以大大的减少分布式传感装置的厚度，并增加分布式传感装置的柔性，增加贴合能力，且大大缩减成本，实现超薄设计，可以任意曲面贴合，适用能力广。
附图说明
图1为本发明提出的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置的一种实施例结构示意图。
图2为本发明提出的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置的另一种实施例结构示意图。
附图标记说明：径向纤维束1，纬向纤维束2，拉力感应器3，支撑圈4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
实施例1
参考图1，在本实施例中提出了一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，可以覆盖各种曲面上，在曲面对碳纤维柔性压力分布式传感装置具有支撑体的情况下使用，所述的碳纤维柔性压力分布式传感装置包括：径向纤维束1、纬向纤维束2、拉力感应器3和支撑圈4；
参考图1，径向纤维束1和纬向纤维束2均阵列式的设置多组，径向纤维束1和纬向纤维束2相互垂直设置，径向纤维束1和纬向纤维束2的分布面可以存在分布面的法线方向差，从而形成径向纤维束1和纬向纤维束2的两个连接层面。参考图2，当然径向纤维束1和纬向纤维束2还可以相互间隔穿插设置并形成交叉点，从而使径向纤维束1和纬向纤维束2的分布面处于同一连接层面，但是此连接径向纤维束1和纬向纤维束2之间会相互干扰，但是径向纤维束1和纬向纤维束2的分布厚度减小，从而可以制作成超薄的传感装置。径向纤维束1和纬向纤维束2均是由碳纤维轴心和弹性基体聚合物组成。所述弹性基体聚合物是TPS、TPO、TPV、SBS、SIS、SEBS、EPM、POE中的一种。然还可以是其他的材质组成，具体在此不做赘述。所述的支撑圈4形成支撑结构，使径向纤维束1和纬向纤维束2展开，支撑圈4可以使径向纤维束1和纬向纤维束2分布面向四周拉伸，支撑圈4可以是覆盖在曲面的布料等，当然还可以是框架结构，框架结构可以给径向纤维束1和纬向纤维束2的分布层足够的支撑力，支撑圈4可以是可弯曲的金属框结构，可以任意形变并与曲面贴合，当然也可以是金属条状结构与外包层组合结构，外包层包覆在金属条状结构的外部，径向纤维束1和纬向纤维束2可以固定连接在金属上，并通过外包层包裹。
所述的拉力感应器3分布在径向纤维束1和纬向纤维束2上，至少一个径向纤维束1或者纬向纤维束2组成一个团束，一个团束上连接有一个拉力感应器3，通过拉力感应器3可以感应径向纤维束1和纬向纤维束2上的拉力，当一个团束为一个径向纤维束1或者纬向纤维束2时，即径向纤维束1和纬向纤维束2上均设置有拉力感应器3，拉力感应器3的密度可以根据实际需要而定，具体在此不做赘述。
控制器，与拉力感应器3电连接或者无线连接，控制器用于构建一个空间坐标系，并构建一个曲面模型，这里的曲面模型可以通过扫描或者人工构建并植入获得，具体在此不做赘述。并将曲面模型置入空间坐标系中，对空间坐标进行摊平处理获得优化平面坐标系。空间坐标进行摊平处理具体的是获得径向纤维束1和纬向纤维束2的连接点，并对径向纤维束1和纬向纤维束2的连接点进行排序，并以径向纤维束1的团束作为横坐标x，纬向纤维束2的团束作为纵坐标y进行排序，例如第一个径向纤维束1的团束为横坐标1，第二个纬向纤维束2的团束为纵坐标2，这两个交汇点为(1，2)。当然可以将空间坐标系进行投影获得优化平面坐标系，具体在此不做赘述。控制器获得径向纤维束1或者纬向纤维束2对应的坐标，当径向纤维束1和纬向纤维束2受到压力时，控制器接收各个径向纤维束1和纬向纤维束2对应的力Fxi和Fyi,计算获得压力
其中，Fxi’和Fyi’分别是不施加力时各个拉力感应器3检测获得的力，从而可以排除各个径向纤维束1和纬向纤维束2受到曲面挤压受到的弯曲力的干扰。判断Fxi和Fyi是否大于一个预先设置F标，如果是，则对xi和yi进行统计，从而获得施加力坐标范围(xi,yi)，此处的xi,yi不再是单纯的一个值，而是一个坐标范围，具体在此不做赘述。将优化平面坐标系中的(xi,yi)，植入到空间坐标系中，获得曲面模型的空间坐标位置。在此处F标可以根据实际需要进行设计，可以避免径向纤维束1和纬向纤维束2间的相互作用干扰，具体在此不做赘述。通过拉力感应器3设置在径向纤维束1和纬向纤维束2上，可以大大的减少分布式传感装置的厚度，并增加分布式传感装置的柔性，增加贴合能力，且大大缩减成本，实现超薄设计。通过将拉力感应器3设置在径向纤维束1和纬向纤维束2上，可以任意曲面贴合，适用能力广。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (8)
1.一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述的碳纤维柔性压力分布式传感装置包括：径向纤维束、纬向纤维束、拉力感应器和支撑圈；
径向纤维束和纬向纤维束均阵列式的设置多组，径向纤维束和纬向纤维束相互垂直设置；
所述的支撑圈形成支撑结构，使径向纤维束和纬向纤维束展开；
至少一个径向纤维束或者纬向纤维束组成一个团束，一个团束上连接有一个拉力感应器，通过拉力感应器用于感应径向纤维束和纬向纤维束上的拉力；
控制器，其用于构建一个空间坐标系，并构建一个曲面模型，并将曲面模型置入空间坐标系中，对空间坐标进行摊平处理获得优化平面坐标系，获得径向纤维束或者纬向纤维束对应的坐标，控制器接收各个径向纤维束和纬向纤维束对应的力Fxi和Fyi,计算获得压力
其中，Fxi’和Fyi’分别是不施加力时各个拉力感应器检测获得的力；判断Fxi和Fyi是否大于一个预先设置F标，如果是，则对xi和yi进行统计，得施加力坐标范围(xi,yi)，将优化平面坐标系中的(xi,yi)，植入到空间坐标系中，获得曲面模型的空间坐标位置。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述径向纤维束和纬向纤维束的分布面存在分布面的法线方向差，形成径向纤维束和纬向纤维束的两个连接层面。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述径向纤维束和纬向纤维束是相互间隔穿插而形成交叉点，使径向纤维束和纬向纤维束的分布面处于同一连接层面。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述径向纤维束和纬向纤维束均是由碳纤维轴心和弹性基体聚合物组成。
5.根据权利要求4所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述弹性基体聚合物是TPS、TPO、TPV、SBS、SIS、SEBS、EPM、POE中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述支撑圈是可弯曲的金属框结构。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述支撑圈是是金属条状结构与外包层组合结构，外包层包覆在金属条状结构的外部，径向纤维束和纬向纤维束固定连接在金属上。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维柔性压力分布式传感装置，其特征在于，所述空间坐标进行摊平处理方法包括：获得径向纤维束和纬向纤维束的连接点，并对径向纤维束和纬向纤维束的连接点进行排序，并以径向纤维束的团束作为横坐标x，纬向纤维束的团束作为纵坐标y进行排序。
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