CN117268605B - 鲍登线传动装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提出一种鲍登线传动装置，属于传动装置技术领域。鲍登线传动装置包括：光敏传感器、光源、传输电路、计算单元以及沿长度方向固定连接的鲍登线与光波导；其中，光波导的第一端与光源连接，第二端与光敏传感器连接；光敏传感器通过传输电路与计算单元连接；在光波导随着鲍登线弯曲而弯曲时，光敏传感器获取光波导内光强衰减信号并转化为电信号变化值，传输电路将电信号变化值传输至计算单元，计算单元根据电信号变化值计算得到鲍登线的钢丝和护套之间的摩擦力。本公开将鲍登线传动系统的任意位置都被纳入检测范围，通过测量鲍登线任意位置内部钢丝和护套的摩擦力，并通过补偿摩擦力，有效提高装置的控制精度。
Description
技术领域
本公开属于传动装置技术领域，具体涉及一种鲍登线传动装置。
背景技术
助力外骨骼和康复外骨骼是当今世界上外骨骼机器人的两大分类，外骨骼从类型上可分为刚性机械外骨骼和柔性外骨骼，两者对比来看，刚性外骨骼的输出功率大，负重效果更好，主要作为助力装置，而柔性外骨骼的穿戴舒适性好，整机重量更小，整机响应速度快，不易造成人体损伤，但输出功率低，更多用于人体助行。其中，柔性外骨骼的驱动方式包括流体肌肉和鲍登线传动；流体肌肉存在泄露风险，而鲍登线由于重量轻、体积小、部署简单、以及能够远端传动降低外骨骼本体重量等优点被广泛应用。
然而，鲍登线的钢丝与护套之间的摩擦会导致拉力衰减和运动迟滞，影响控制精度。目前大多数柔性外骨骼采用固定弯曲角度做摩擦力前馈补偿，这种方法无法准确描述鲍登线在外骨骼实际使用中的真实弯曲角度和摩擦力，限制了模型的通用性。针对此，已有现有技术利用鲍登线内部钢丝与护套的位移来构建串联弹性设备来检测鲍登线的弯曲度。还有现有技术利用感应线测量连接到鲍登线的活塞弹簧的形变量来估计鲍登线的曲率。但是在上述现有方案中，需要施加预紧力使得感应线与护套之间产生接触，这会引入摩擦力从而降低检测精度。
因此，针对上述技术问题，本公开提出一种可以直接检测鲍登线的累计弯曲角度的鲍登线传动装置，以实现对鲍登线任意位置内部钢丝和护套的摩擦力的估算。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种鲍登线传动装置。
本公开的一方面，提供一种鲍登线传动装置，包括：光敏传感器、光源、传输电路、计算单元以及沿长度方向固定连接的鲍登线与光波导；其中，
所述光波导的第一端与所述光源连接，第二端与所述光敏传感器连接；所述光敏传感器通过所述传输电路与所述计算单元连接；
在所述光波导随着鲍登线弯曲而弯曲时，所述光敏传感器获取所述光波导内光强衰减信号并转化为电信号变化值，所述传输电路将所述电信号变化值传输至所述计算单元，所述计算单元根据所述电信号变化值计算得到所述鲍登线的钢丝和护套之间的摩擦力。
可选地，所述光波导包括由内向外依次套设的芯层、包层以及保护层；其中，
所述芯层的折射率大于所述包层的折射率。
可选地，所述芯层采用聚氨酯，所述保护层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述包层为空气薄膜层。
可选地，所述计算单元，具体用于根据所述电信号变化值计算得到鲍登线的弯曲半径，并通过拟合得到鲍登线的累计弯曲角度；
根据所述累计弯曲角度计算得到鲍登线任意位置的拉力，并基于鲍登线输入端和输出端的拉力计算得到护套和钢丝之间的摩擦力。
可选地，利用下述公式（1）（2）分别计算鲍登线的弯曲半径与弯曲角度：
（1）
（2）
其中，Φ为鲍登线累计弯曲角度，R为鲍登线弯曲半径，α是光强损失，u是光波导弯折后末端检测到的电压，u0光波导未弯折时的电压，β是光波导芯层传导常数，βcl是光波导包层传播常数，λ是光波长，n1是光波导芯层折射率，n2是光波导包层折射率，Aeff是光波导的有效面积，W()为Lambert W函数。
可选地，利用下述公式（3）（4）分别计算鲍登线的任意位置的拉力以及鲍登线护套和钢丝之间的摩擦力：
（3）
（4）
其中，T(p)是鲍登线位置p处的拉力，μ是鲍登线中的护套与钢丝之间的动摩擦系数，Φ是鲍登线的弯曲角度，H是弯曲角度关于弯曲半径的函数Φ=H(R)，β是芯层传导常数，βcl是包层传播常数，v是钢丝与护套的相对速度，L是护套的总长度，L1为护套的最小长度，T0是鲍登线长度L1对应的输入拉力，Tin是鲍登线输入端的输入拉力，Tout是鲍登线输出端的输出拉力，f是护套和钢丝之间的摩擦力。
可选地，所述光敏传感器具有光波接收部与非光波接收部；
所述光波导的第二端与所述光波接收部通过透明粘结剂固定连接；
所述光波导的第二端与所述光波接收部连接处的周侧，以及所述非光波接收部通过黑色粘结剂密封。
可选地，所述光波导与所述鲍登线通过UV胶固定连接。
可选地，所述鲍登线传动装置还包括两个固定座，所述光波导与所述鲍登线的第一端以及所述光源均固定于其中一个所述固定座上，所述光波导与所述鲍登线的第二端以及所述光敏传感器均固定于另外一个所述固定座上。
可选地，所述光源采用红色光源。
本公开提出一种鲍登线传动装置，包括：光敏传感器、光源、传输电路、计算单元以及沿长度方向固定连接的鲍登线与光波导；其中，光波导的第一端与光源连接，第二端与光敏传感器连接；光敏传感器通过所述传输电路与计算单元连接；在光波导随着鲍登线弯曲而弯曲时，光敏传感器获取光波导内光强衰减信号并转化为电信号变化值，传输电路将电信号变化值传输至计算单元，计算单元根据电信号变化值计算得到鲍登线的钢丝和护套之间的摩擦力。本公开将鲍登线传动系统的任意位置都被纳入检测范围，通过测量鲍登线任意位置内部钢丝和护套的摩擦力，并通过补偿摩擦力f，有效提高装置的控制精度。
附图说明
图1为本公开一实施例的鲍登线传动装置的结构图；
图2为本公开另一实施例的光敏二极管电压值和弯曲角度的波形图；
图3为本公开另一实施例的鲍登线弯曲角度和光强损失率的波形图；
图4为本公开另一实施例的鲍登线累计弯曲角度和鲍登线摩擦力的波形图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护范围。
如图1所示，本公开的一方面，提出一种鲍登线传动装置100，包括：光敏传感器110、光源120、传输电路、计算单元以及沿长度方向固定连接的鲍登线130与光波导140；其中，光波导140的第一端与光源120连接，光波导140第二端与光敏传感器110连接；光敏传感器110通过传输电路与计算单元连接；在鲍登线弯曲时，光波导140随着鲍登线130弯曲而弯曲，光敏传感器110获取光波导140内光强衰减信号并转化为电信号变化值，传输电路将电信号变化值传输至计算单元，计算单元根据电信号变化值计算得到鲍登线130的钢丝和护套之间的摩擦力。
在本公开中，通过将光波导与鲍登线固定连接形成一个整体，以使光波导随着鲍登线的弯曲而弯曲，这种弯曲又会导致光波导内部的光强发生衰减，且在弯曲过程中，光敏传感器和鲍登线没有物理接触，基于光波导的光强衰减信号就可以得到鲍登线任意位置内部钢丝和护套的摩擦力，通过补偿摩擦力提高系统的控制精度。
应当理解的是，鲍登线包括有位于内部的钢丝，和位于外部的护套，护套将钢丝套住，通过将该鲍登线与光波导沿长度方向固定，可利用鲍登线护套自身的刚度限制光波导材料的拉伸和一定的挤压变形，让光波导中光强的敏感性集中于光波导的弯曲角度，有效提高检测精度。
需要说明的是，在本实施方式中，光波导与鲍登线可通过UV胶固定连接，利用紫外线照射使胶水凝固，具有较高的折射率，降低对光路传输的影响。
进一步地，在一些优选实施例中，光波导包括由内向外依次包裹设置的芯层、包层以及保护层；其中，芯层采用聚氨酯，保护层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，包层为空气薄膜层。也就是说，光波导的芯层采用聚氨酯（TPU）制备，当然，也可以采用其他热塑性弹性体动态硫化橡胶制备，保护层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）制备。
应当理解的是，PET由于其热缩性质常用于导线绝缘，经过加热后，PET保护层附着在芯层外面将芯层包裹，芯层和保护层之间由于空气静压原理会留有一道空气薄膜，该空气薄膜形成光波导的包层。
需要说明的是，假设聚氨酯的折射率为n1，空气折射率为n2，n2=1.0003，n1=1.54，n2＜n1，即芯层的折射率大于所述包层的折射率，这样，较大的折射率差可增强光敏传感器对光损耗的敏感性。
进一步需要说明的是，在本实施方式中，对于芯层的选取不作具体限定，例如，市场上一些专用的聚氨酯打印耗材（例如，线径1.75mm）可直接用作光波导材料的芯层，当然，也可以基于聚氨酯材料单独制作芯层。
更进一步地，在本实施方式中，光源可以为红色光源，光源波长在615到625nm之间，相较于其他光源具有较大的光强损失率，其次，该光源还可以优选自带15度透镜，具有聚光效果，将LED红光源光波聚集，让传动装置最大化的利用能量。
例如，在一些优选实施例中，采用λ=620nm，YXB-2835型号的LED灯，自带15度透镜且具有0.1MA的大电流，确保在较低光强的情况下，仍然有电流通过，保证敏感度高，当然，也可以选择其他型号的LED灯，对此不作具体限定。
更进一步地，在本实施方式中，光敏传感器可采用光敏二极管，其具有光接收部与非光接收部，光波导的第二端与光波接收部通过透明粘结剂固定连接，光波导的第二端与光波接收部连接处的周侧，以及非光波接收部通过黑色粘结剂密封。也就是说，光接收部为光敏传感器与光波导连接的部位，通过透明粘结剂固定连接，使其两者之间保持透明，光敏传感器可以接收光波导中的光，非光接收部是除了光接收部之外的区域，通过使用黑色密封胶将非光接收部以及光接收部与光波导连接处的周侧区域密封，以使光敏传感器不接受外界光源，阻止不可见光的干扰，仅通过光接收部过滤红外。
例如，在一些优选实施例中，采用PD550A5F型号的光敏二极管，光谱范围在400nm到700nm之间，敏感度高，当然，还可以选择其他型号的光敏二极管，对此不作具体限定。
需要说明的是，在本实施方式中，对于透明粘结剂以及黑色粘结剂不作具体限定，例如，透明粘结剂采用α-氰基丙烯酸酯，具有无色透明特性，具有很高的粘接强度，能够快速固化，以实现将光波导与光敏传感器的固定连接，还同时确保可接收来自光波导的光波。另外，黑色粘结剂可采用黑色灌封胶，例如，环氧树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂等，不易变形且在恶劣环境下有较好的稳定性和耐腐蚀性；同时灌封胶的绝缘性好，能够有效地保护电子器件。
更进一步地，如图1所示，鲍登线传动装置还包括两个固定座150，光波导140与鲍登线130的第一端以及光源120均固定于其中一个固定座150上，光波导140与鲍登线130的第二端以及光敏传感器110均固定于另外一个固定座150上，也就是说，光波导与鲍登线的两端均固定于两个固定座上，以使两者沿长度方向呈并排连接固定，光源与光敏传感器均通过固定座与光波导的两端连接。
需要说明的是，在本实施方式中，对于光敏传感器、光源以及光波导在固定座上的固定方式不作具体限定，只要能实现连接即可。
具体地，请继续参考图1，固定座150上设置有第一固定槽与第二固定槽，其中，两个固定座150的两个第一固定槽与光波导140的两端相对应，两个固定座150的两个第二固定槽与鲍登线130的两端相对应，由于光波导与鲍登线沿长度方向上固定连接，形成并排连接关系，这样，第一固定槽与第二固定槽也并排设置于固定座上。其中，光波导140的第一端固定于其中一个固定座150的第一固定槽一侧，光源120固定于该第一固定座150第一固定槽的另一侧，以实现将光源120与光波导140的第一端连接；光波导140的第二端固定于另外一个固定座150的第一固定槽的一侧，光敏传感器110固定于另外一个固定座150的第一固定槽的另一侧，以实现将光敏传感器110与光波导140的第二端连接。另外，鲍登线130的第一端固定于其中一个固定座150的第二固定槽中，鲍登线130的第二端固定于另外一个固定座150的第二固定槽中。
需要说明的是，在本实施方式中，对于第一固定槽、第二固定槽的结构不作具体限定，例如，第一固定槽为通孔结构，光波导的第一端与第二端插置于通孔的一侧，将光源或光敏二极管插置于通孔的另一侧，第二固定槽为具有开口的凹槽结构，将鲍登线的第一端和第二端卡设于凹槽结构中，便于安装。
更进一步地，在本实施方式中，计算单元，具体用于根据光强衰减信号对应的电信号变化值得到鲍登线的弯曲半径，并通过拟合得到鲍登线的累计弯曲角度；根据累计弯曲角度得到鲍登线任意位置的拉力，并基于鲍登线输入端和输出端的拉力得到护套和钢丝之间的摩擦力。
具体地，在传动装置固定在一个位置时，通过光波在光波导中的光损失率的实时对比，计算获得鲍登线的实时弯曲半径R，通过弯曲半径R拟合得到鲍登线的估计累计弯曲角度Φ，即，利用下述公式（1）（2）分别计算鲍登线的弯曲半径R与弯曲角度Φ：
（1）
（2）
其中，Φ为鲍登线累计弯曲角度，R为鲍登线弯曲半径，α是光强损失，u是光波导弯折后末端检测到的电压，u0光波导未弯折时的电压，β是光波导芯层传导常数，βcl是光波导包层传播常数，λ是光波长，n1是光波导芯层折射率，n2是光波导包层折射率，Aeff是光波导的有效面积，W()为Lambert W函数，Lambert W函数为F(x)=xex的反函数，即，W(xex)=x。
需要说明的是，通常是将Aeff设置为单模光波导的有效面积，其数值为50μm2，但由于通常制备的光波导使光强极易损耗，因此，在本实施方式中，将Aeff的数值设置为10μm2，其导致的误差可以由后续的拟合公式补偿。
更进一步地，当传动装置固定在一个位置时，可以通过比较光波在光波导中的实时光损失率来计算鲍登线任意位置的拉力T，并通过计算T(p)，利用鲍登线输入端和输出端的拉力估算出内部钢丝和护套之间的摩擦力f，即，利用下述公式（3）（4）分别计算鲍登线任意位置的拉力以及鲍登线护套和钢丝之间的摩擦力：
（3）
（4）
其中，T(p)是鲍登线位置p处的拉力，μ是鲍登线中的护套与钢丝之间的动摩擦系数，Φ是鲍登线的弯曲角度，H是弯曲角度关于弯曲半径的函数Φ=H(R)，β是芯层传导常数，βcl是包层传播常数，v是钢丝与护套的相对速度，L是护套的总长度，L1为护套的最小长度，T0是鲍登线长度L1对应的输入拉力，Tin是鲍登线输入端的输入拉力，Tout是鲍登线输出端的输出拉力，f是护套和钢丝之间的摩擦力。
在本公开中，传动装置的作用原理如下：当传动装置弯曲时，光波导也会随之弯曲，此时，光波导内部的光强发生衰减，并将光强衰减转化为电压变化。通过测量电压的变化，可以确定鲍登线弯曲半径，进一步利用鲍登线的弯曲半径，拟合得出估计累计弯曲角度Φ，估计累计弯曲角度Φ可以推算出鲍登线上任意长度处的拉力T，再基于拉力T可以估算鲍登线内部钢丝和护套之间的摩擦力f。
下面将结合具体实施例进一步说明鲍登线传动装置结构及摩擦力测量过程：
实施例 1
本实施例给出了鲍登线传动装置结构及制作方法：
如图1所示，光波导140包括内层芯层，外层保护层以及位于两者的包层，其中，截取长度为1.5cm的TPU材料作为芯层，其折射率n1为1.54，再截取与芯层相同长度的PET热缩管，将TPE管平放在平桌上，将PET套进TPU中，保证两端对齐，将回流焊机温度调至250℃，营造恒温环境。将TPU耗材套入PET管，整体（TPU耗材与PET管均处于绷直但不变形的状态）从左向右以50mm/s匀速穿过回流焊机，冷却时保持绷直状态，PET保护层会将芯层包裹，由于空气静压原理在保护层与芯层之间会留有一道空气薄膜，将光波导140和鲍登线130水平放置，使用针管将UV胶水涂抹至两者的结合处，最后用紫外线灯将UV胶水固化，以完成对光波导140与鲍登线130沿其长度方向的固定。
进一步地，请继续参考图1，光波导140的第一端插入其中一个固定座150的第一固定槽的一侧，将型号为YXB-2835的LED红灯安装在其中一个固定座150的第一固定槽的另一侧，以实现将光波导与LED光源的连接。
更进一步地，请继续参考图1，将光波导140的第二端与型号为PD550A5F的光敏二极管分别插入另外一个固定座150第一固定槽的两侧，并通过α-氰基丙烯酸酯连接，连接后，用黑色的灌封胶将光敏二极管其他部位密封，使其只接收来自光波导的光波。
更进一步地，请继续参考图1，将鲍登线130的两端分别卡设于两个固定座150的第二固定槽中，制作完成鲍登线传动装置。
在本实施例1中，整个鲍登线传动装置使用UV胶水连接LED和光波导，由于该粘结剂具有高折射率，可以避免对光路传输的影响，通过利用紫外线照射使得胶水凝固，利用鲍登线护套自身的刚度限制光波导材料的拉伸和一定的积压变形，让光波导的衰减敏感性集中于弯曲角度，提升测量精准度。
实施例2
本实施例给出了基于鲍登线传动装置对鲍登线护套及钢丝摩擦力的测量过程：
将实施例1制作好的传动装置固定到平整桌面上，将光波导弯曲0~360°，基于下述公式（5）可以得出光敏二极管电压值和弯曲角度的结果（如图2），以及光波导中实时的光强损失率波形结果（如图3），以及基于下述公式（6）可以得出在鲍登线实时弯曲过程中，鲍登线内部钢丝和护套之间摩擦力f的波形结果（如图4）。
（5）
（6）
其中，α是光强损失，u是光波导末端检测到的电压，u0光波导未弯折时的电压，R是弯曲半径，H是弯曲角度关于弯曲半径的函数Φ=H(R)，β是芯层传导常数，βcl是包层传播常数，λ是光波长，n1是光波导芯层折射率，n2是光波导包层折射率，Aeff是光波导的有效面积，设置数值为10μm2；
f是护套和钢丝之间的摩擦力，L为光波导的长度，Tin表示光波导的输入拉力，Tout为光波导的输出拉力，v表示鲍登线钢丝与护套的相对速度。
如图2至图4所示，光敏二极管电压值、光强损失率以及摩擦力与弯曲角度成正比，随着弯曲角度增加，其电压值、光强损失率以及累计弯曲角度均不同程度地随之增加。并且，输出摩擦力的估计值与输出摩擦力的实际值比较接近，这说明，本实施例的传动装置对鲍登线护套和钢丝的摩擦力估算值较为准确。
本公开提出一种鲍登线传动装置，相对于现有技术具有以下有益效果：
第一、利用本公开的传动装置在测量钢丝与护套的摩擦力时，可将鲍登线的任意位置都纳入检测范围，通过测量鲍登线任意位置内部钢丝和护套的摩擦力f，并补偿摩擦力f，可以提高控制精度；
第二、本公开的传动装置结构简单小巧，占用空间少，有利于实现轻量化，便于安装与使用，并且，该装置所采用的材料价格低廉，且受电磁干扰小，无需处理复杂的信号；
第三、本公开的传动装置在弯曲过程中更加接近实际应用环境，在弯曲过程中传感器与鲍登线没有物理接触，同时利用线性拟合出标定数据的曲线，减小了可能存在的误差，可以精确的估算出鲍登线内护套和钢丝之间的摩擦力。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式，然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本公开的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本公开的保护范围。
Claims (7)
1.一种鲍登线传动装置，其特征在于，包括：光敏传感器、光源、传输电路、计算单元以及沿长度方向固定连接的鲍登线与光波导；其中，
所述光波导的第一端与所述光源连接，第二端与所述光敏传感器连接；所述光敏传感器通过所述传输电路与所述计算单元连接；
在所述光波导随着鲍登线弯曲而弯曲时，所述光敏传感器获取所述光波导内光强衰减信号并转化为电信号变化值，所述传输电路将所述电信号变化值传输至所述计算单元，所述计算单元根据所述电信号变化值计算得到鲍登线的弯曲半径，并通过拟合得到鲍登线的累计弯曲角度；
根据所述累计弯曲角度计算得到鲍登线任意位置的拉力，并基于鲍登线输入端和输出端的拉力计算得到护套和钢丝之间的摩擦力；其中，
利用下述公式（1）（2）分别计算鲍登线的弯曲半径与弯曲角度：
（1）
（2）
其中，Φ为鲍登线累计弯曲角度，R为鲍登线弯曲半径，α是光强损失，u是光波导弯折后末端检测到的电压，u0光波导未弯折时的电压，β是光波导芯层传导常数，βcl是光波导包层传播常数，λ是光波长，n1是光波导芯层折射率，n2是光波导包层折射率，Aeff是光波导的有效面积，W()为Lambert W函数；
利用下述公式（3）（4）分别计算鲍登线的任意位置的拉力以及鲍登线护套和钢丝之间的摩擦力：
（3）
（4）
其中，T(p)是鲍登线位置p处的拉力，μ是鲍登线中的护套与钢丝之间的动摩擦系数，Φ是鲍登线的弯曲角度，H是弯曲角度关于弯曲半径的函数Φ=H(R)，β是光波导芯层传导常数，βcl是光波导包层传播常数，α是光强损失，v是钢丝与护套的相对速度，L是护套的总长度，L1为护套的最小长度，T0是鲍登线长度L1对应的输入拉力，Tin是鲍登线输入端的输入拉力，Tout是鲍登线输出端的输出拉力，f是护套和钢丝之间的摩擦力。
2.根据权利要求1所述的鲍登线传动装置，其特征在于，所述光波导包括由内向外依次套设的芯层、包层以及保护层；其中，
所述芯层的折射率大于所述包层的折射率。
3.根据权利要求2所述的鲍登线传动装置，其特征在于，所述芯层采用聚氨酯，所述保护层采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述包层为空气薄膜层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的鲍登线传动装置，其特征在于，所述光敏传感器具有光波接收部与非光波接收部；
所述光波导的第二端与所述光波接收部通过透明粘结剂固定连接；
所述光波导的第二端与所述光波接收部连接处的周侧，以及所述非光波接收部通过黑色粘结剂密封。
5.根据权利要求1至3任一项所述的鲍登线传动装置，其特征在于，所述光波导与所述鲍登线通过UV胶固定连接。
6.根据权利要求1至3任一项所述的鲍登线传动装置，其特征在于，所述鲍登线传动装置还包括两个固定座，所述光波导与所述鲍登线的第一端以及所述光源均固定于其中一个所述固定座上，所述光波导与所述鲍登线的第二端以及所述光敏传感器均固定于另外一个所述固定座上。
7.根据权利要求1至3任一项所述的鲍登线传动装置，其特征在于，所述光源采用红色光源。
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