CN116787486B - 基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，包括静平台、动平台、多个电磁弹簧驱动器和多个软传感器薄膜；每个电磁弹簧驱动器的一端与静平台铰连接，另一端与动平台球连接，多个电磁弹簧驱动器围绕静平台的中心呈圆周设置；每个软传感器薄膜包覆于一个电磁弹簧驱动器的外壁，用于采集电磁弹簧驱动器的位移。本发明基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，使用软传感器薄膜采集电磁弹簧驱动器的位移，既能够有效且实时检测关节位姿变化，又能与关节贴合减小传感器所占空间，不会限制关节的运动空间和范围，本发明的柔性关节具有较大的转角，且体积小、重量轻、散热快。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，具体为一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，属于柔性机器人关节技术领域。
背景技术
在机器人关节领域，传统刚性关节以其精度高、专业化的特点被广泛应用，但刚性的限制，使其在形变、环境适应、自由度等方面存在劣势，导致传统刚性机器人难以在复杂环境下完成任务。而柔性关节具有形变能力好、安全性高、多自由度、质量较轻等优势，可以支持机器人完成更高难度的复杂任务。
在柔性关节的诸多驱动方式中，电机驱动效率高、使用方便、成本低，但受刚性结构的限制，柔性较差；气压驱动得益于气体天然的流动性和一定的可压缩性，柔顺性好、响应速度快，但运动精度低、驱动系统体积庞大；液压驱动相比于气压驱动具有精度高、负载大的特性，但易泄露且在极端环境下难以使用；基于线缆变长度的欠驱动，具有柔性高的特点，但精度低、负载小的缺点明显；压电驱动高频特性好、响应速度快，但行程小、驱动力小的缺点限制了其在大位移、高负载工况下的应用。相比之下，电磁驱动具有定位精度高、响应速度快、结构紧凑等优势，为实现柔性关节高频响、精确姿态控制和模块化设计提供了保障。
多自由度磁致关节因柔顺性好、动态特性好、行程大、响应速度快等优势，广泛应用在镜头模组、机器人眼、关节的设计中。与应用在光学防抖系统、自动对焦系统中可调位姿范围过小，运动精度较低的多自由度磁致关节不同，多自由度磁致球形关节在具有紧凑结构的同时，能够实现较大范围的转角姿态调整，具有更加广泛的应用范围。但现有的多自由度磁致球形关节，为了提高关节的运动精度，达到预期运动规律，通常的做法是添加外部传感器，使得机器人具有环境感知的能力。但外加传感器增大了关节系统的体积与离散性，也使得反馈有一定的延迟性与不稳定性，这对于关节的运动空间、范围起到了限制作用。
发明内容
本申请的目的在于，提供一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，以解决现有技术中为提高关节运动精度，外加传感器增大了关节整体的体积与离散性，也使得反馈有一定的延迟性与不稳定性的技术问题。
本发明提供了一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，包括静平台、动平台、多个电磁弹簧驱动器和多个软传感器薄膜；
每个所述电磁弹簧驱动器的一端与所述静平台铰连接，另一端与所述动平台球连接，所述多个电磁弹簧驱动器围绕所述静平台的中心呈圆周设置；
每个所述软传感器薄膜包覆于一个所述电磁弹簧驱动器的外壁，用于采集所述电磁弹簧驱动器的位移。
优选地，每个所述电磁弹簧驱动器包括电磁驱动单元和磁力提升装置；
所述磁力提升装置套设于所述电磁驱动单元中的磁柱上。
优选地，每个所述电磁弹簧驱动器还包括支撑装置和球形连接副；
所述电磁驱动单元设置于所述支撑装置内，所述磁柱的一端穿过所述支撑装置的顶部与所述球形连接副的下表面连接；
所述球形连接副上端的球形连接件与所述动平台连接；
所述支撑装置与所述静平台铰连接。
优选地，所述磁力提升装置包括磁环和阻挡环；
所述磁环为永磁体；
所述阻挡环与所述球形连接副固定连接，形成一个空腔；
所述磁环设置于所述空腔内。
优选地，所述电磁驱动单元包括线圈和可移动磁力模块；
所述线圈套设于所述可移动磁力模块外部。
优选地，所述可移动磁力模块包括磁柱、磁铁和缓冲弹簧；
所述磁柱的一端穿过所述磁力提升装置与所述球形连接副的下表面连接，另一端与所述磁铁的上表面连接；
所述缓冲弹簧的一端与所述磁铁的下表面连接，另一端与支撑装置的底部内壁连接。
优选地，所述可移动磁力模块还包括线性弹簧；
所述线性弹簧套设于所述磁柱的外部，一端与所述磁铁连接，另一端与所述支撑装置的顶部内壁相接。
优选地，所述支撑装置包括套筒和支撑套；
所述套筒与所述支撑套固定连接；
所述电磁驱动单元与所述支撑套的上表面连接；
所述支撑套的下表面与所述静平台铰连接。
优选地，所述套筒上开设有多个散热孔。
优选地，所述软传感器薄膜包括介电层、设置于所述介电层两侧的电极层和设置于每个所述电极层远离所述介电层一侧的保护层。
本发明的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，相较于现有技术，具有如下有益效果：
本发明基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，使用软传感器薄膜采集电磁弹簧驱动器的位移，由于软传感器薄膜具有体积小，柔韧性好、变形能力强、反应迅速等特点，因此，既能够有效且实时检测关节位姿变化，又能与关节贴合减小传感器所占空间，不会限制关节的运动空间和范围。
本发明采用并联机构形式的柔性关节，由于并联机构具有封闭的几何结构，表现出刚度高、负载大、惯性小等优势，通过驱动器间的相互配合，可实现动平台的上下平动及倾斜，本发明的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节具有较大的转角，且体积小、重量轻、散热快。
附图说明
图1为本发明实施例基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节的正二侧视图；
图2为本发明实施例基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节的俯视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为图2的B-B剖视图；
图5为本发明实施例中的单体电磁弹簧驱动器的结构分析图与介电弹性体软传感器制备图；
图6为本发明柔性关节的平动与转动示意图，其中（a）为平动示意图；（b）至（d）为转动示意图。
图中：1为动平台；2为电磁弹簧驱动器；3为静平台；4为球形连接副；5为磁环；6为阻挡环；7为磁柱；8为线性弹簧；9为磁铁；10为缓冲弹簧；11为套筒；12为线圈；13为支撑套；14为软传感器薄膜；15为介电层；16为电极层；17为保护层。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明提供了一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，如图1至图4所示，包括静平台3、动平台1、多个电磁弹簧驱动器2和多个软传感器薄膜14；
每个电磁弹簧驱动器2的一端与静平台3铰连接，另一端与动平台1球连接，多个电磁弹簧驱动器2围绕静平台3的中心呈圆周设置；
每个软传感器薄膜14包覆于一个电磁弹簧驱动器2的外壁，用于采集电磁弹簧驱动器2的位移。
本发明实施例中电磁弹簧驱动器的数量具体可为2-6个，优选为3个，下面均以使用3个电磁弹簧驱动器为例，说明本发明的方案。
本发明使用软传感器薄膜采集电磁弹簧驱动器的位移，由于软传感器薄膜具有体积小，柔韧性好、变形能力强、反应迅速等特点，因此，既能够有效且实时检测关节位姿变化，又能与关节贴合减小传感器所占空间，不会限制关节的运动空间和范围，为柔性关节驱控一体化设计和位姿检测提供了可能。
现有的三自由度磁致球形关节虽能提供较大转角，其转动功能的实现往往需要两个线圈相互配合，在增大线圈数量的同时，系统体积、重量、散热也随之增大，不利于模块的集成与整合。且球形关节只能提供转动自由度，对于具有伸缩功能要求的机器人，球形关节不再适用。本发明采用并联机构形式的柔性关节，由于并联机构具有封闭的几何结构，表现出刚度高、负载大、惯性小等优势，通过驱动器间的相互配合，机构末端具有多种自由度。
本发明实施例中每个电磁弹簧驱动器2包括电磁驱动单元和磁力提升装置；
磁力提升装置套设于电磁驱动单元中的磁柱上。
每个电磁弹簧驱动器2还包括支撑装置和球形连接副4；
电磁驱动单元设置于支撑装置内，电磁驱动单元中的磁柱7的一端穿过支撑装置的顶部与球形连接副4的下表面连接；
球形连接副4上端的球形连接件与动平台1连接，使动平台1的转动更为灵活；
支撑装置与静平台3铰连接。
其中，磁力提升装置包括磁环5，磁环5为永磁体。磁环5使用的材料可以为合金永磁材料，包括稀土永磁材料（钕铁硼Nd2Fe14B）、钐钴(SmCo)、铝镍钴（AlNiCo）、铁氧体永磁材料等。本发明实施例中使用钕铁硼制备磁环，所得磁环具有优异的磁性能，可增强电磁力的效果，并且起到固定磁柱的作用。
为了阻挡磁环5下落，使其仅仅套设于磁柱7的穿出端，本发明实施例的磁力提升装置还包括阻挡环6；阻挡环6与球形连接副4固定连接，形成一个空腔；磁环5设置于空腔内。
进一步地，本发明实施例中的电磁驱动单元包括线圈12和可移动磁力模块；线圈12套设于可移动磁力模块外部。其中可移动磁力模块包括磁柱7、磁铁9和缓冲弹簧10；
磁柱7的一端穿过磁力提升装置与球形连接副4的下表面连接，另一端与磁铁9的上表面连接；
缓冲弹簧10的一端与磁铁9的下表面连接，另一端与支撑装置的底部内壁连接。
上述线圈12外接控制电路，为单体电磁驱动单元提供运动所需的电磁力；磁柱7作为运动主体，在变化的电磁场中可实现上下线性运动的目标，当并联的三个磁柱7位移相同时，可实现动平台1的上下平动，当并联磁柱7位移不同时，驱动器长度不同，从而使末端位姿产生差异，实现动平台1的倾斜，即关节转动，如图6所示；缓冲弹簧10刚度较大，因此对磁柱7的上下运动起到缓冲作用，使运动更加平稳；磁铁9可增强电磁力，提高其工作效率，且以其磁力吸附固定住磁柱7，防止磁柱7脱落。
进一步地，本发明实施例的可移动磁力模块还包括线性弹簧8；
线性弹簧8套设于磁柱7的外部，一端与磁铁9连接，另一端与支撑装置的顶部内壁相接。
本发明的线性弹簧8并联在磁柱7外侧，可提高磁柱7的动态响应性能，可见，驱动器动态响应性能可通过改变该弹簧刚度进行调节。
本发明实施例中的支撑装置包括套筒11和支撑套13；
套筒11与支撑套13固定连接；
电磁驱动单元与支撑套13的上表面连接；
支撑套13的下表面与静平台3铰连接。
上述支撑套13除了起到连接作用外，其作为转动副，为并联机构拥有两个独立转动自由度提供了条件；上述套筒11的顶部小孔直径略大于磁柱7直径，且略小于线性弹簧8与磁铁9，因此既可以有效阻挡线性弹簧8和磁铁9防止其脱落，又避免了影响磁柱7的运动。
为提高散热性能，本发明的套筒11侧壁均匀布有多个散热孔。
本发明实施例中的软传感器薄膜14具体为介电弹性体软传感器薄膜14，如图5所示，包括介电层15、设置于介电层两侧的电极层16和设置于每个电极层16远离介电层一侧的保护层17。
其中，介电层15的材料可为陶瓷材料、高聚物材料、金刚石、硅、硫等晶体，本发明实施例使用的介电层15的材料为硅树脂，硅树脂的介电特性可随形变而变化，从而改变传感器电容，此外因具有机械损耗小、响应快、使用寿命高、设计灵活性高、刺激性小等优势，极大提升了传感器的整体性能。
进一步地，电极层16外接控制电路，可向外反馈电容值；本发明的保护层17可为硅胶材质，硅胶保护层叠加于两电极层外侧，可对传感器的主要工作部分起到保护作用。
本发明的介电弹性体软传感器薄膜14上端固连于球副连接端外侧，下端固连于支撑套13，外接控制电路。当单体电磁弹簧驱动器2存在位移时，介电弹性体软传感器薄膜14受到应力，产生应变，引起传感器电容值变化，通过电容与位移的关系，解耦出关节末端位姿变化，并反馈给驱动器的控制系统。介电弹性体软传感器以其柔性好、线性度好、灵敏度高、能够适应高频响的应用场合等优势，便利了柔性关节的集成设计和精确位姿检测，通过耦合电磁模型和介电弹性体软传感器本构模型实现了变形关节的结构-驱动-传感一体化建模。
本发明在单体电磁弹簧驱动器2建模与设计的基础上，提出三自由度并联磁致驱动柔性关节，其具有3个独立自由度，包括两个独立转动自由度和一个独立平动自由度。本发明通过构建关节电磁耦合模型，得到电流-电磁力-末端位姿间的定量映射关系，为解决现有三自由度磁致关节运动单一、柔顺性差、模块化及微型化困难的问题提供了新方法。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (9)
1.一种基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，包括静平台、动平台、多个电磁弹簧驱动器和多个软传感器薄膜；
每个所述电磁弹簧驱动器的一端与所述静平台铰连接，另一端与所述动平台球连接，所述多个电磁弹簧驱动器围绕所述静平台的中心呈圆周设置；
每个所述软传感器薄膜包覆于一个所述电磁弹簧驱动器的外壁，用于采集所述电磁弹簧驱动器的位移；
每个所述软传感器薄膜包括介电层、设置于所述介电层两侧的电极层和设置于每个所述电极层远离所述介电层一侧的保护层。
2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，每个所述电磁弹簧驱动器包括电磁驱动单元和磁力提升装置；
所述磁力提升装置套设于所述电磁驱动单元中的磁柱上。
3.根据权利要求2所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，每个所述电磁弹簧驱动器还包括支撑装置和球形连接副；
所述电磁驱动单元设置于所述支撑装置内，所述磁柱的一端穿过所述支撑装置的顶部与所述球形连接副的下表面连接；
所述球形连接副上端的球形连接件与所述动平台连接；
所述支撑装置与所述静平台铰连接。
4.根据权利要求3所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，所述磁力提升装置包括磁环和阻挡环；
所述阻挡环与所述球形连接副固定连接，形成一个空腔；
所述磁环设置于所述空腔内。
5.根据权利要求3所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，所述电磁驱动单元包括线圈和可移动磁力模块；
所述线圈套设于所述可移动磁力模块外部。
6.根据权利要求5所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，所述可移动磁力模块包括磁柱、磁铁和缓冲弹簧；
所述磁柱的一端穿过所述磁力提升装置与所述球形连接副的下表面连接，另一端与所述磁铁的上表面连接；
所述缓冲弹簧的一端与所述磁铁的下表面连接，另一端与支撑装置的底部内壁连接。
7.根据权利要求6所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，所述可移动磁力模块还包括线性弹簧；
所述线性弹簧套设于所述磁柱的外部，一端与所述磁铁连接，另一端与所述支撑装置的顶部内壁相接。
8.根据权利要求3所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，所述支撑装置包括套筒和支撑套；
所述套筒与所述支撑套固定连接；
所述电磁驱动单元与所述支撑套的上表面连接；
所述支撑套的下表面与所述静平台铰连接。
9.根据权利要求8所述的基于介电弹性体软传感器位姿反馈的磁致柔性关节，其特征在于，所述套筒上开设有多个散热孔。
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