CN116673929A - 软体接触力传感器、制备方法及外骨骼机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种软体接触力传感器、制备方法及外骨骼机器人，属于传感与检测技术领域，用于解决气囊式柔性接触力传感器仅能感知单一方向的问题。本申请的软体接触力传感器包括：基底外壳、软体气囊、第一压力传感器、至少一个第二传压力感器、控制器。本申请的软体接触力传感器能够通过软体气囊和第一压力传感器检测正压力值，通过第二压力传感器检测切向力值，实现了二维力感知功能的同时保障了穿戴者的舒适性。

Description

软体接触力传感器、制备方法及外骨骼机器人

技术领域

本申请属于传感与检测技术领域，具体涉及一种软体接触力传感器、制备方法及外骨骼机器人。

背景技术

在上肢外骨骼机器人的实际使用中，穿戴者与机器人本体结构会频繁发生接触，并在物理人机交互接口处产生接触力信号。接触力信号往往结合阻抗控制算法用以增强上肢外骨骼机器人的可操控性。所以对于上肢外骨骼机器人，其所使用的接触力传感器即要兼顾测量的准确性，又要保证穿戴者在使用过程中具有长期舒适性。现有的接触力传感器多为刚性力传感器，由于其成本高、质量大、刚度系数高、柔顺性差等特点，导致穿戴者在使用过程中易产生排斥感。而针对刚性力传感器的柔顺性差、舒适性低的问题，有效的办法是利用柔性的非金属材料制作一种新型的软体接触力传感器。诸如硅橡胶、工程塑料等非金属材料具有质量小、柔顺性高、防震性强等特点，广泛用于智能手环等可穿戴电子设备和智能假肢系统中。现阶段，软体接触力传感器根据测力原理的不同主要分为两类，其一是软体电子皮肤，其二是气囊式接触力传感器。软体电子皮肤以石墨烯等材料作为敏感元件，以硅橡胶材料作为基底层，厚度较低，延展性较高，可用于检测物体表面的拉伸与弯曲力，提高物体的感知能力。但是软体电子皮肤具有以下不足之处：本体结构和制备过程较为复杂、测力范围较小、可靠性差，故而无法满足上肢外骨骼机器人的使用要求。此外，对于外骨骼机器人而言，软体电子皮肤的厚度较薄，很难为穿戴者提供缓冲空间，当接触力过大时易使穿戴者产生不适感。气囊式接触力传感器以密闭的硅橡胶气囊作为敏感元件，当外力加载到气囊表面时，气囊的气压会发生明显的变化。此外，柔软的硅橡胶气囊具有一定的厚度，当接触力较大时可以为穿戴者的手臂提供一定的缓冲，增加了上肢外骨骼机器人的安全性。然而，气囊式柔性接触力传感器存在如下两个问题：其一是硅橡胶气囊的气口处容易出现漏气问题，导致其无法在上肢外骨骼机器人中广泛应用；其二是气囊式柔性接触力传感器仅能感知单一方向的接触力(即垂直压力)，无法感知多个维度的接触力。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

第一方面，提供了一种软体接触力传感器，包括：基底外壳、软体气囊、第一压力传感器、至少一个第二传压力感器、控制器。基底外壳用于安装在外骨骼机器人上。基底外壳包括容纳槽。软体气囊容置于容纳槽中。软体气囊的上部凸出容纳槽的顶部，用于与穿戴者进行接触。软体气囊上设有水口。第一压力传感器的信号输入端通过连接器与水口密封连接。第二传压力感器设置于容纳槽的侧壁与软体气囊之间。控制器分别连接第一压力传感器的信号输出端和第二传压力感器的信号输出端。控制器能够根据第一压力传感器和第二压力传感器的压力信号，获取接触力值并将接触力值发送至上位机。

可选地，容纳槽的侧壁上设有第一通孔。软体气囊的表面上包括凸起部。凸起部伸入第一通孔中。水口由凸起部的端面贯通至软体气囊中。

可选地，连接器包括依次连接的大径段和小径段。大径段与小径段的连接处设有挡沿。大径段插装于第一通孔中并将凸起部环绕在内。大径段的内壁与凸起部的侧壁之间密封连接。挡沿的外径大于第一通孔的直径。挡沿贴合在容纳槽的外壁上。小径段通过软管连接于第一压力传感器的信号输入端。

可选地，基底外壳上还包括至少一个第二通孔。第二压力传感器包括压敏电阻和信号放大器。压敏电阻设置于容纳槽的侧壁与软体气囊之间。压敏电阻的信号输出端连接有信号线。信号线通过第二通孔延伸至容纳槽之外并连接于信号放大器的输入端。信号放大器的输出端连接于控制器。

可选地，基底外壳还包括底板。容纳槽设置于底板上。底板上设有多个螺纹孔。

第二方面，提供了一种制备方法，用于制作上述的软体接触力传感器，包括如下步骤：

根据外骨骼机器人上的物理人机交互接口尺寸确定基底外壳及软体气囊的尺寸。

根据软体气囊的尺寸制备气囊模具。

利用气囊模具通过注塑工艺制得软体气囊。

通过3D打印制作连接器。

制作基底外壳，并将软体气囊安装于基地外壳中。

将软体气囊、连接器与其他部件进行组装，形成软体接触力传感器。

可选地，气囊模具包括：模座、前模和后模、模芯、端盖。模座上设有插槽。前模和后模相互扣合并插装于插槽中。在前模和后模之间形成模腔。模腔具有注塑口。模芯位于模腔中。模芯的表面与模腔的内壁之间形成间隙。间隙与软体气囊的壁厚相适应。模芯的熔点低于软体气囊的熔点。端盖扣设于前模和后模的远离模座的一端。

利用气囊模具通过注塑工艺制得软体气囊，包括：

配置硅胶原液和凝固剂，搅拌后在实验室环境下静置第一预设时间。

利用真空泵对模腔进行抽气排泡。

向模腔中注入配置好的硅胶原液和凝固剂。

在实验室环境下等待第二预设时间后，拆开模具，获得软体气囊。

将软体气囊加热至模芯融化后，将模芯从软体气囊中导出。

可选地，模芯为石蜡材质，模芯通过注塑工艺制得。

第三方面，提供了一种外骨骼机器人，包括：外骨骼机器人本体和至少一个上述的软体接触力传感器。外骨骼机器人本体上包括至少一个物理人机交互接口。每个软体接触力传感器设置于一个物理人机交互接口上，用于接触穿戴者，以获取穿戴者运动时与物理人机交互接口的接触力。

可选地，外骨骼机器人本体包括：上臂支架、前臂支架、支撑件、人工气动肌肉、一对物理人机交互接口。上臂支架上包括手臂托板。前臂支架的一端铰接于上臂支架上，另一端设有手柄。支撑件可伸缩的连接于上臂支架与前臂支架之间。人工气动肌肉可伸缩的连接于上臂支架与前臂支架之间。一对物理人机交互接口分别位于前臂支架的上方和下方。

有益效果

1、本发明的实施例中所提供的软体接触力传感器在使用时，通过基底外壳安装于外骨骼机器人上，软体气囊的上部凸出容纳槽的顶部，用于与穿戴者进行接触。当穿戴者与软体气囊接触时，接触力会使软体气囊的体积发生压缩，使其内部气压的变化。第一压力传感器与软体气囊连接，能够获取正压力，而第二传压力感器设置于容纳槽的侧壁与软体气囊之间，能够获取切向力。控制器即可根据正压力和切向力计算获取接触力的力值并发送至上位机。本实施例中所提供的软体接触力传感器能够通过软体气囊和第一压力传感器检测正压力值，通过第二压力传感器检测切向力值，实现了二维力感知功能的同时保障了穿戴者的舒适性。

2、本发明的实施例中所提供的制备方法能够制备出上述的软体接触力传感器，因此有利于提高穿戴者穿戴外骨骼机器人的舒适度。采用本方法制备的软体接触力传感器能够与外骨骼机器人完美契合，并能够适用于批量生产，有利于降低软体接触力传感器的制作成本。

3、本发明的实施例中所提供的外骨骼机器人上具备上述的软体接触力传感器，因此能够提高穿戴者佩戴的舒适性，使穿戴者更容易接受。

附图说明

图1为本申请提供的一个实施例的软体接触力传感器的结构示意图；

图2为本申请提供的一个实施例的软体接触力传感器的局部结构剖视图；

图3为本申请提供的一个实施例的连接器的结构示意图；

图4为本申请提供的一个实施例的连接器的剖视图；

图5为本申请提供的一个实施例的软体气囊的受力示意图；

图6为本申请提供的一个实施例的制备方法的流程图；

图7为本申请提供的另一个实施例的制备方法的流程图；

图8为本申请提供的一个实施例的气囊模具的结构示意图；

图9为本申请提供的一个实施例的气囊模具的结构分解示意图；

图10为本申请提供的一个实施例的模芯的模具结构示意图；

图11为本申请提供的一个实施例的外骨骼机器人的结构示意图。

附图标记表示为：

1、基底外壳；11、容纳槽；12、底板；13、第一通孔；14、第二通孔；15、螺纹孔；

2、软体气囊；21、凸起部；22、水口；23、软体气囊受力前外形轮廓线；24、软体气囊受力后外形轮廓线；

3、连接器；31、大径段；32、挡沿；33小径段；

4、第二压力传感器；41、压敏电阻；42、信号放大器；

5、软管；

6、第一压力传感器；

7、控制器；

8、物理人机交互接口；81、上方物理人机交互接口；82、下方物理人机交互接口；

9、气囊模具；91、端盖；911、前端盖；912、后端盖；913、注塑口；92、后模；93、前模；94、模座；95、模芯；951、主体部；952、水口部；953、伸出部；96、模腔；97、模芯模具；971、第一腔室；972、第二腔室；973、第三腔室；

10、外骨骼机器人本体；101、上臂支架；1011、上臂支杆；1012、手臂托板；102、前臂支架；1021、前臂支杆；1022、手柄；103、人工气动肌肉；104、支撑件。

具体实施方式

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

第一方面，本实施例提供了一种软体接触力传感器。图1为本实施例提供的一种软体接触力传感器的结构示意图。图2为本实施例提供的一种软体接触力传感器的局部结构剖视图。

如图1和图2所示，软体接触力传感器包括：基底外壳1、软体气囊2、第一压力传感器6、至少一个第二传压力感器4、控制器7。基底外壳1用于安装在外骨骼机器人上。基底外壳1包括容纳槽11。软体气囊2容置于容纳槽11中。软体气囊2的上部凸出容纳槽11的顶部，用于与穿戴者进行接触。软体气囊2上设有水口22。第一压力传感器6的信号输入端通过连接器3与水口22密封连接。第二传压力感器4设置于容纳槽11的侧壁与软体气囊2之间。控制器7分别连接第一压力传感器6的信号输出端和第二传压力感器4的信号输出端。控制器7能够根据第一压力传感器6和第二压力传感器4的压力信号，获取接触力值并将接触力值发送至上位机。

在一些示例中，参阅图1和图2，基底外壳1的材质为聚丙交酯(polylactic acid，PLA)。聚丙交酯又称聚乳酸，是以乳酸为主要原料聚合得到的聚酯类聚合物，是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成，不污染环境且具有良好的机械性能。但需要说明的是，在其他实施例中，基底外壳1也可以采用其他材料制作，本实施例对此不做过多的限制。

本实施例的基底外壳1具有低密度和高刚度特性，为软体气囊提供必要的刚性支撑，且方便软体接触力传感器各部分的组装。

在一些示例中，参阅图1和图2，基底外壳1通过3D打印一体成型制得。通过3D打印一体成型制作，具有成型快、成本低的优点。但需要说明的是，在其他实施例中，基底外壳1也可以通过其他工艺制得，例如注塑等。

在一些示例中，参阅图1和图2，软体气囊2为硅橡胶材质。硅橡胶有着很好的医用特性，无色、无毒，耐高温，耐氧化，柔然性，能够满足患者的医疗使用需求。

在一些示例中，如图1和图2所示，软体气囊2通过一次注塑工艺制得。如此设置，能够保证软体气囊2的气密性。

在一些示例中，如图1和图2所示，第一压力传感器6为气压传感器，用于检测软体气囊2中气体压力变化。如此设置，当外力施加于软体气囊2的接触面时，软体气囊2的体积将发生变化，导致软体气囊2的气腔中气压随之变化，第一压力传感器6获取其变化值可用于控制器7估算接触力的正压力分量。

在一些示例中，参阅图1和图2，控制器7包括单片机。单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，相当于一个微型的计算机，具有体积小、质量轻、价格便宜且功能全面的优点。本实施例的单片机能够读取第一压力传感器6和第二压力传感器4的读数，并利用相关数学模型完成接触力的估算。

在一些示例中，参阅图1和图2，控制器7通过串口通信或蓝牙通信的方式将接触力信息发送至远端的上位机。但可以理解的，在其他实施例中，控制器7与上位机之间也可以采用其他通信方式，本实施例对此不做过多的限制。

本实施例所提供的软体接触力传感器在使用时，通过基底外壳1安装于外骨骼机器人上，软体气囊2的上部凸出容纳槽11的顶部，用于与穿戴者进行接触。当穿戴者与软体气囊2接触时，接触力会使软体气囊2的体积发生压缩，使其内部气压的变化。第一压力传感器6与软体气囊2连接，能够获取正压力，而第二传压力感器4设置于容纳槽11的侧壁与软体气囊2之间，能够获取切向力。控制器7即可根据正压力和切向力计算获取接触力的力值并发送至上位机。本实施例中所提供的软体接触力传感器能够通过软体气囊2和第一压力传感器6检测正压力值，通过第二压力传感器4检测切向力值，实现了二维力感知功能的同时保障了穿戴者的舒适性。

在一些实施例中，如图1、图2所示，容纳槽11的侧壁上设有第一通孔13。软体气囊2的表面上包括凸起部21。凸起部21伸入第一通孔13中。水口22由凸起部21的端面贯通至软体气囊2中。

在一些示例中，如图1、图2所示，凸起部21与软体气囊2一体成型。如此设置，能够保证软体气囊2的气密性。

在一些示例中，如图1、图2所示，容纳槽11为长方形的槽体，软体气囊2的形状与容纳槽11的形状相适应。如此设置，能够使软体气囊2受力发生形变时，第一压力传感器6更容易感知到软体气囊2中的气体压力变化。

本实施例软体气囊2的表面上设置凸起部21，并将水口22设置于凸起部21上，能够防止软体气囊2的水口22在使用过程中发生破裂，延长使用寿命。另外，本实施例的凸起部21伸入第一通孔13中，便于连接第一压力传感器6，有利于保证软体气囊2与第一传压力感器6连接的气密性。

在一些实施例中，如图3和图4所示，连接器3包括依次连接的大径段31和小径段33。大径段31与小径段33的连接处设有挡沿32。如图2所示，大径段31插装于第一通孔13中并将凸起部21环绕在内。大径段31的内壁与凸起部21的侧壁之间密封连接。挡沿32的外径大于第一通孔13的直径。挡沿32贴合在容纳槽11的外壁上。小径段33通过软管5连接于第一压力传感器6的信号输入端。

在一些示例中，如图2所示，连接器3的小径段33插装于软管5中。如此设置，便于组装且能够保证连接器3与软管5连接处的气密性。

在一些示例中，参阅图2，连接器3的材质为工程塑料。工程塑料可分为通用工程塑料和特种工程塑料两类。前者主要品种有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯五大通用工程塑料；后者主要是指耐热达150℃以上的工程塑料，主要品种有聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚砜类、芳香族聚酰胺、聚芳酯、聚苯酯、聚芳醚酮、液晶聚合物和氟树脂等。与通用塑料相比，工程塑料具有优良的耐热和耐寒性能，在广泛的温度范围内机械性能优良，适宜作为结构材料使用，且耐腐蚀性良好，受环境影响较小，有良好的耐久性，适合作为连接器的材料。

本实施例的软管5为软体气囊2和第一压力传感器6提供导通。连接器3能够填充基底外壳1侧面的第一通孔13与软体气囊2的水口22之间的缝隙，提高软体接触力传感器的气密性。

在一些实施例中，如图1所示，基底外壳1上还包括至少一个第二通孔14。第二压力传感器4包括压敏电阻41和信号放大器42。压敏电阻41设置于容纳槽11的侧壁与软体气囊2之间。压敏电阻41的信号输出端连接有信号线。信号线通过第二通孔14延伸至容纳槽11之外并连接于信号放大器42的输入端。信号放大器42的输出端连接于控制器7。

在一些示例中，基底外壳1上还包括两个第二通孔14。第二压力传感器4的数量为两个，两个第二压力传感器4的压敏电阻41分别位于软体气囊2的前后两侧。当接触力存在前后两个方向的分力时，软体气囊2的侧面会对基底外壳1传导这一压力，进而被压敏电阻41检测，实现多维度接触力的感知。可以理解的，在其他实施例中，第二压力传感器4的数量也可以为2个以上，布置在软体气囊2的不同侧面，以能够感知更多方向的分力。

本实施例利用柔性的压敏电阻41配合信号放大器42捕捉软体气囊2的侧面向基底外壳1传导的压力，实现了二维力感知功能的同时有利于提高穿戴者的舒适性。

在一些实施例中，如图2所示，基底外壳1还包括底板12。容纳槽11设置于底板12上。底板12上设有多个螺纹孔15。

在一些示例中，如图2所示，容纳槽11与底板12为一体成型结构。通过3D打印或注塑工艺制得。如此设置，便于加工。

本实施例的基底外壳1的底板12上设有多个螺纹孔15，使基底外壳1能够通过螺栓安装于外骨骼机器人的物理人机交互接口，便于安装和拆卸。

以上对软体接触力传感器的结构进行了介绍，接下来介绍一种制备方法。

第二方面，本实施例还提供了一种制备方法，用于制作上述实施例中的软体接触力传感器。图6为本实施例提供的一种制备方法的流程图。

如图6所示，本实施例的制备方法包括如下步骤：

S1.根据外骨骼机器人上的物理人机交互接口尺寸确定基底外壳1及软体气囊2的尺寸。

具体的，根据外骨骼机器人物理人机交互接口的尺寸要求，确定软体接触力传感器的整体尺寸，为了提高软体气囊2的灵敏性，软体气囊2的壁厚不宜超过5mm。

S2.根据软体气囊2的尺寸制备气囊模具9。

具体的，由于软体气囊2具有一定的壁厚，因此气囊模具9设计为可拆卸的组合结构，并利用3D打印技术完成模具的加工。

S3.利用气囊模具9通过注塑工艺制得软体气囊2。

具体的，通过注塑工艺制得软体气囊2后，还需要对软体气囊2的水口22进行修整，以便于连接器3的安装。

S4.通过3D打印制作连接器3。

具体的，为提高气密性，连接器3的打印可取100％打印密度。

S5.制作基底外壳1，并将软体气囊2安装于基地外壳1中。

具体的，基底外壳1材料为PLA材料，具有低密度和高刚度特性，为软体气囊2提供必要的刚性支撑，且方便软体接触力传感器各部分的组装。基底外壳1可通过3D打印方法完成加过，且加工过程中在其中一个侧面开有第一通孔13，用于软体气囊2的水口22和连接器3的安装，在底板12开两个螺纹孔15，用于将软体接触力传感器安装于外骨骼机器人的物理人机交互接口处；在容纳槽11底部开有两个第二通孔14，用于压敏电阻41的走线。

S6.将软体气囊2、连接器3与其他部件进行组装，形成软体接触力传感器。

具体的，如图1所示，其他部件包括软管5、第一压力传感器6、两个压敏电阻41、两个信号放大器42及控制器7，其连接关系参见图1。

本实施例中所提供的制备方法能够制备出上述的软体接触力传感器，因此有利于提高穿戴者穿戴外骨骼机器人的舒适度。采用本方法制备的软体接触力传感器能够与外骨骼机器人完美契合，并能够适用于批量生产，有利于降低软体接触力传感器的制作成本。

在一些实施例中，如图8、图9所示，气囊模具9包括：模座94、前模93和后模92、模芯95、端盖91。模座94上设有插槽。前模93和后模92相互扣合并插装于插槽中。在前模93和后模92之间形成模腔96。模腔96具有注塑口。模芯95位于模腔96中。模芯95的表面与模腔96的内壁之间形成间隙。间隙与软体气囊2的壁厚相适应。模芯95的熔点低于软体气囊2的熔点。端盖91扣设于前模93和后模92的远离模座94的一端。其中，除了模芯95外，其他结构均采用3D打印技术获得，其材料均为PLA。

在一些示例中，如图8、图9所示，端盖91为分体式设计，包括前端盖911和后端盖912。如此设置，便于拆模。

如图7所示，S3.利用气囊模具9通过注塑工艺制得软体气囊2，包括：

S31.配置硅胶原液和凝固剂，搅拌后在实验室环境下静置第一预设时间。

具体的，硅胶原液和凝固剂的比例为1:1，搅拌后在实验室环境下(室温22～25℃)静止至少15分钟。

S32.利用真空泵对模腔96进行抽气排泡。

具体的，对模腔96进行抽气排泡能够防止软体气囊2的囊壁产生气泡，并且使硅胶原液和凝固剂的混合液能够填满模腔96。

S33.向模腔96中注入配置好的硅胶原液和凝固剂。

具体的，如图8所示，气囊模具9的注塑口在软体气囊2的水口22处。

S34.在实验室环境下等待第二预设时间后，拆开模具，获得软体气囊2。

具体的，在实验室环境下(室温22～25℃)等待20至30分钟后，拆除模具，获得软体气囊2。

S35.将软体气囊2加热至模芯95融化后，将模芯95从软体气囊2中导出。

具体的，根据上述方法获得的软体气囊2的内部含有模芯95，因此将软体气囊2加热至一定温度(例如75℃)后能够使模芯95融化成液体，但该温度低于软体气囊2的融化温度(一般为250℃～300℃)，因此不会破坏软体气囊2的内部结构。

本实施例利用气囊模具9制作软体气囊2，效率高，能够重复生产，适合量产。

在一些实施例中，参阅图9，模芯95为石蜡材质，模芯95通过注塑工艺制得。

在一些示例中，如图9所示，模芯95包括依次连接的主体部951、水口部952及伸出部953。在注塑时，主体部951用于成型软体气囊2的气腔，水口部952用于成型软体气囊2的水口22，而伸出部93伸出气囊模具9外侧，便于对模芯95进行支撑和固定，使模芯95能够悬空设置于模腔96中。

在一些示例中，模芯95的模具如图10所示，两个模芯模具97相互扣合形成制作模芯95的腔体，该腔体包括依次连接的第一腔室971、第二腔室972和第三腔室973，第一腔室971用于成型模芯95的主体部951，第二腔室972用于成型模芯95的水口部952，第三腔室973用于成型模芯95的伸出部953，第三腔室973也作为模芯95的注塑口。

本实施例为提高软体气囊2的气腔气密性，利用石蜡材料作为内壁模具(即模芯95)，利用石蜡材料和硅橡胶材料的熔点不同实现脱模成型，并留下水口22用于连接软管5和连接器3。

第三方面，本实施例又提供了一种外骨骼机器人。图11为本实施例提供的一种外骨骼机器人的结构示意图。

如图11所示，本实施例的外骨骼机器人包括：外骨骼机器人本体10和至少一个上述的软体接触力传感器。外骨骼机器人本体10上包括至少一个物理人机交互接口8。每个软体接触力传感器设置于一个物理人机交互接口8上，用于接触穿戴者，以获取穿戴者运动时与物理人机交互接口的接触力。

在一些示例中，如图11所示，外骨骼机器人本体10上包括两个个物理人机交互接口8，分别为上方物理人机交互接口81和下方物理人机交互接口82。

本实施例的外骨骼机器人为上肢外骨骼机器人，主要用于为穿戴者的肘关节提供助力，帮助穿戴者实现肘关节屈曲/伸展运动。但可以理解的是，软体接触力传感器也可以用于下肢外骨骼机器人等其他任何部位的外骨骼机器人。

本实施例所提供的外骨骼机器人上具备上述的软体接触力传感器，因此能够提高穿戴者佩戴的舒适性，使穿戴者更容易接受。

在一些实施例中，如图11所示，外骨骼机器人本体10包括：上臂支架101、前臂支架102、支撑件104、人工气动肌肉103、一对物理人机交互接口8(上方物理人机交互接口81和下方物理人机交互接口82)。上臂支架101上包括手臂托板1012。前臂支架102的一端铰接于上臂支架101上，另一端设有手柄1022。支撑件104可伸缩的连接于上臂支架101与前臂支架102之间。人工气动肌肉103可伸缩的连接于上臂支架101与前臂支架102之间。一对物理人机交互接口8分别位于前臂支架102的上方和下方。

在一些示例中，如图11所示，支撑件104为支撑型气弹簧。

在一些示例中，如图11所示，上臂支架101上包括一对相互平行的上臂支杆1011，手臂托板1012呈弧形，连接于一对上臂支杆1011之间。前臂支架102包括一对相互平行的前臂支杆1021，手柄1022连接于一对前臂支杆1021之间。

穿戴者佩戴本实施例的外骨骼机器人时，穿戴者的手部握紧手柄1022，其前臂位于一对前臂支杆1021之间且位于上方物理人机交互接口81与下方物理人机交互接口82之间。大臂位于一对上臂支杆1011之间且位于手臂托板1012的上方。当穿戴者进行肘关节屈曲运动时，其前臂必定与上方物理人机交互接口81进行接触而产生接触力F；而当穿戴者进行肘关节伸展运动时，其前臂必定与下方物理人机交互接口82进行接触，同样产生接触力F。

如图5所示，在接触力F的作用下，软体气囊2的体积将发生压缩，其中23为软体气囊受力前外形轮廓线，24为软体气囊受力后外形轮廓线。由图5可知，接触力F存在正压力分量F_c和切向力分量F_t。由于软体气囊2具有良好的气密性，其内部气压p将发生明显的变化，第一压力传感器6能够获得正压力分量F_c；同时切向力分量F_t将通过软体气囊2的侧壁传递至压敏电阻41的表面引起信号放大器42的读数发生变化。

控制器的计算方法如下：

根据材料力学梁板变形原理可知，软体气囊2的当前气压与正压力的关系表达式为：

其中，k取正常数，代表软体接触力传感器的线性系数，p₀为软体气囊2的初始气压，p为软体气囊2的当前气压，E_s代表硅橡胶材料的弹性模量，V代表软体气囊2的体积，e代表软体气囊2的截面宽度，l代表软体气囊2的截面长度，b为常系数项，其取值与软体气囊2表面厚度有关。

压敏电阻41的读数与切向力的关系表达式为：

F_t＝K[(U₁-U₁₀)-(U₂-U₂₀)] (2)

如图5所示，根据直角三角形的三边关系可知接触力F的大小为

根据几何关系可知，接触力方向与软体接触力传感器安装平面的夹角为

θ＝arctan(F_c/F_t) (4)

其中，K为拟合系数，由于压敏电阻41在额定范围内具有较强的线性度，因此K为常数。U₁、U₂分别代表前后两个压敏电阻41的当前读数，U₁₀、U₂₀分别代表前后两个压敏电阻41的初始读数。

本实施例的外骨骼机器人上包括软体接触力传感器，软体接触力传感器的控制器7利用单片机串口通信原理将软体接触力传感器读数发送至上位机，假设控制器的模拟口1连接第一压力传感器6，模拟口2和3分别连接两个压敏电阻41的信号放大器42，其算法伪代码如下：

Define全局变量；

配置通信频率；

定义模拟口；

While(模拟口存在待读取数据){

读取当前模拟口1的数据，并将当前读数赋予变量x；

读取当前模拟口2的数据，并将当前读数赋予变量y；

读取当前模拟口3的数据，并将当前读数赋予变量z；

根据第一压力传感器的说明书将变量x转化为真实气压值并重新赋予变量x；

根据公式(1)将变量x转化为正压力值，并将该值赋予变量F_c；

根据公式(2)将变量y和z转化为切向力值，并将该值再次赋予变量F_t；

将变量F_c和变量F_t通过串口通信函数发送至上位机；

Delay 10ms；

}

烧入程序，完成标定和测试。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种软体接触力传感器，其特征在于，包括：

基底外壳，用于安装在外骨骼机器人上；所述基底外壳包括容纳槽；

软体气囊，容置于所述容纳槽中；所述软体气囊的上部凸出所述容纳槽的顶部，用于与穿戴者进行接触；所述软体气囊上设有水口；

第一压力传感器，所述第一压力传感器的信号输入端通过连接器与所述水口密封连接；

至少一个第二传压力感器，设置于所述容纳槽的侧壁与所述软体气囊之间；

控制器，分别连接所述第一压力传感器的信号输出端和所述第二传压力感器的信号输出端；

所述控制器能够根据所述第一压力传感器和所述第二压力传感器的压力信号，获取接触力值并将所述接触力值发送至上位机。

2.根据权利要求1所述的软体接触力传感器，其特征在于，所述容纳槽的侧壁上设有第一通孔；所述软体气囊的表面上包括凸起部；所述凸起部伸入所述第一通孔中；所述水口由所述凸起部的端面贯通至所述软体气囊中。

3.根据权利要求2所述的软体接触力传感器，其特征在于，所述连接器包括依次连接的大径段和小径段；所述大径段与所述小径段的连接处设有挡沿；

所述大径段插装于所述第一通孔中并将所述凸起部环绕在内；所述大径段的内壁与所述凸起部的侧壁之间密封连接；

所述挡沿的外径大于所述第一通孔的直径；所述挡沿贴合在所述容纳槽的外壁上；

所述小径段通过软管连接于所述第一压力传感器的信号输入端。

4.根据权利要求1所述的软体接触力传感器，其特征在于，所述基底外壳上还包括至少一个第二通孔；所述第二压力传感器包括压敏电阻和信号放大器；

所述压敏电阻设置于所述容纳槽的侧壁与所述软体气囊之间；所述压敏电阻的信号输出端连接有信号线；所述信号线通过所述第二通孔延伸至所述容纳槽之外并连接于所述信号放大器的输入端；所述信号放大器的输出端连接于所述控制器。

5.根据权利要求1所述的软体接触力传感器，其特征在于，所述基底外壳还包括底板；所述容纳槽设置于所述底板上；所述底板上设有多个螺纹孔。

6.一种制备方法，用于制作如权利要求1～5中任一项所述的软体接触力传感器，其特征在于，包括如下步骤：

根据外骨骼机器人上的物理人机交互接口尺寸确定所述基底外壳及所述软体气囊的尺寸；

根据所述软体气囊的尺寸制备气囊模具；

利用所述气囊模具通过注塑工艺制得软体气囊；

通过3D打印制作连接器；

制作基底外壳，并将所述软体气囊安装于所述基地外壳中；

将所述软体气囊、所述连接器与其他部件进行组装，形成软体接触力传感器。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述气囊模具包括：模座、前模和后模、模芯、端盖；所述模座上设有插槽；所述前模和所述后模相互扣合并插装于所述插槽中；在所述前模和所述后模之间形成模腔；所述模腔具有注塑口；模芯位于所述模腔中；所述模芯的表面与所述模腔的内壁之间形成间隙；所述间隙与所述软体气囊的壁厚相适应；所述模芯的熔点低于所述软体气囊的熔点；端盖扣设于所述前模和所述后模的远离所述模座的一端；

所述利用所述气囊模具通过注塑工艺制得软体气囊，包括：

配置硅胶原液和凝固剂，搅拌后在实验室环境下静置第一预设时间；

利用真空泵对所述模腔进行抽气排泡；

向模腔中注入配置好的硅胶原液和凝固剂；

在实验室环境下等待第二预设时间后，拆开模具，获得软体气囊；

将所述软体气囊加热至模芯融化后，将模芯从所述软体气囊中导出。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述模芯为石蜡材质，所述模芯通过注塑工艺制得。

9.一种外骨骼机器人，其特征在于，包括：

外骨骼机器人本体，所述外骨骼机器人本体上包括至少一个物理人机交互接口；

至少一个如权利要求1～5中任一项所述的软体接触力传感器，每个所述软体接触力传感器设置于一个所述物理人机交互接口上，用于接触穿戴者，以获取穿戴者运动时与所述物理人机交互接口的接触力。

10.根据权利要求9所述的外骨骼机器人，其特征在于，所述外骨骼机器人本体包括：

上臂支架，所述上臂支架上包括手臂托板；

前臂支架，所述前臂支架的一端铰接于所述上臂支架上，另一端设有手柄；

支撑件，可伸缩的连接于所述上臂支架与所述前臂支架之间；

人工气动肌肉，可伸缩的连接于所述上臂支架与所述前臂支架之间；

一对物理人机交互接口，分别位于所述前臂支架的上方和下方。