CN1908607A - 运动碰撞接触感知装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的运动碰撞接触感知装置，包括碰撞接触传感器型感知装置和由碰撞接触传感器、连接铰及接触传递元件组成的组合型感知装置。碰撞接触传感器包括埋设于橡胶层中的芯线、压电体、屏蔽线及绝缘体，橡胶层置于内壳中，橡胶层上下有缓冲层，接触体置于内壳和外壳之间，调整元件置于接触体上部，接触体的头部从外壳的开口处伸出，接触体可相对内壳和外壳上下移动且其头部从外壳的开口处伸出。组合型感知装置的接触传递元件在两端通过两个连接铰与两个碰撞接触传感器连接。传感器型和组合型碰撞接触感知装置均可作为移动体防碰撞伤害措施使用，具有自动感知碰撞接触位置(位置或位置区间)、实时响应快、耐冲击及缓冲能力的特点。

Description

运动碰撞接触感知装置

技术领域

本发明是为移动体防止碰撞破坏和伤害而提供的防护措施，具体涉及运动碰撞接触的感知装置。

背景技术

能够自动控制、沿任意路径移动的移动体，在运行过程中可靠性和安全性至关重要，尤其是现在研究越来越多的移动机器人，需要采取各种避障和防碰撞伤害措施。所谓避障措施是指移动体在运动过程中，能够事先发现运动路径中的障碍物，从而及时自动停止运动或改变运动路径，以免发生碰撞；而所谓防碰撞伤害措施是当移动体意外碰撞到其他物体或人员时，能够立刻自动作出反应，以避免因碰撞而造成破坏和伤害。避障措施的目的是防止接触，需要采用非接触感知装置；防碰撞伤害措施的目的是运动碰撞已经意外发生，如何避免因碰撞造成的破坏和伤害，一般需采用接触式感知装置。

移动体的防碰撞伤害措施要解决的问题是感知意外运动碰撞接触信息，运动碰撞环境要求感知位置信息准确、实时响应快、耐冲击及具有缓冲能力。一般的接触式感知装置是用来检测给定工况的信息的，不适合作为移动体防碰撞伤害措施使用；而压电电缆只能感知碰撞的粗略位置信息(如感知到碰撞是发生在移动体的前方或测方，但不知碰撞在前方或测方的什么地方)。

发明内容

本发明的目的是提供运动碰撞接触感知装置，该装置具有感知位置信息准确、实时响应快、耐冲击及缓冲能力的特点。在自动控制的移动体上安装运动碰撞接触感知装置，移动体就可以根据运动碰撞接触感知装置所感知的碰撞接触信息(包括碰撞发生及碰撞位置信息)，自动采取相应对策，以避免因意外碰撞而造成的破坏和伤害，因此运动碰撞接触感知装置对保证移动体，尤其对保证移动式机器人的安全运行具有重要的实用意义。文本中把用于感知运动碰撞接触信息的传感器称为碰撞接触传感器。

本发明所采用的一种技术方案是，运动碰撞接触感知装置，碰撞接触感知装置为碰撞接触传感器，包括芯线、芯线外包覆的压电体、压电体外包覆的屏蔽线、屏蔽线外包覆的绝缘层，所述芯线、压电体、屏蔽线以及绝缘层均埋设于橡胶层中，所述芯线、压电体、屏蔽线、绝缘层以及橡胶层置于内壳中，所述内壳内，橡胶层的上下填充有缓冲层，内壳外还设置有外壳，外壳的顶部开口，接触体设置于内壳和外壳之间，调整元件设置于接触体上部，接触体的头部从外壳的开口处伸出，接触体可相对内壳和外壳上下移动。

本发明的特点还在于：

所述接触体的头部可以设计成各种结构形式。

所述的接触体为金属元件，其头部外表面包覆有保护材料。

本发明所采用的另一技术方案是，运动碰撞接触感知装置，由碰撞接触传感器、连铰接和接触传递元件构成，所述的碰撞接触传感器包括芯线，芯线外依次包覆的压电体、屏蔽线和绝缘层，所述芯线、压电体、屏蔽线以及绝缘层均埋设于橡胶层中，所述芯线、压电体、屏蔽线、绝缘层以及橡胶层置于内壳中，所述内壳内，橡胶层的上下填充有缓冲层，内壳外还设置有外壳，外壳的顶部开口，接触体设置于内壳和外壳之间，调整元件设置于接触体上部，接触体的头部从外壳的开口处伸出，接触体可相对内壳和外壳上下移动，所述接触传递元件的两端分别与两个连接铰连接，两个连接铰分别与两个碰撞接触传感器的接触体连接。

所述的碰撞接触传感器和连接铰设置多个，接触传递元件和连接铰可设计成各种形式。

所述的接触传递元件为金属元件和金属元件外包覆的保护材料组成。

运动碰撞接触感知装置采用基于压敏原理的碰撞接触传感器；采用由传感器的接触体直接接受外界物体的碰撞力并将碰撞力传递给传感器的压敏元件，或采用由接触传递元件接受外界物体的碰撞力并通过连接铰将碰撞力传递给接触传感器的接触体及其压敏元件，从而感知碰撞的发生及碰撞的位置信息。

本发明的感知装置有两种类型，一种类型为碰撞接触传感器型的碰撞接触感知装置，碰撞接触传感器由芯线、压电体、屏蔽线、绝缘层、橡胶层、缓冲层、内壳、接触体、调整元件及外壳组成，接触体可在内、外壳中间上下移动且其头部从外壳的开口处伸出，外界物体的碰撞力直接作用于传感器的接触体。另一种类型是由两个碰撞接触传感器、两个连接铰和接触传递元件构成的组合型碰撞接触感知装置，外界物体的碰撞力通过接触传递元件及连接铰传递给接触传感器。所述传感器型和组合型碰撞接触感知装置均具有感知位置信息准确、实时响应快、耐冲击及缓冲能力的特点；前者感知的信息是在安装传感器的位置发生了碰撞，而后者还具有在较大范围可能发生运动碰撞的条件下，自动感知运动碰撞位置信息的特点。

附图说明

图1是本发明的组合型碰撞接触感知装置的模型示意图；

图2是本发明中碰撞接触传感器结构示意图及实施例一的结构示意图；

图3是本发明提供的感知装置实施例二的结构示意图。

图中，1.碰撞接触传感器，2.连接铰，3.接触传递元件。

碰撞接触传感器1由1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8、1-9及1-10构成，1-1.芯线，1-2.压电体，1-3.屏蔽线，1-4.绝缘层，1-5.橡胶层，1-6.调整元件，1-7.缓冲层，1-8.内壳，1-9.接触体，1-10.外壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的碰撞接触传感器(即传感器型碰撞接触感知装置)的结构如图2所示，传感器1包括芯线1-1、芯线1-1外包覆的压电体1-2、压电体1-2外包覆的屏蔽线1-3、屏蔽线1-3外包覆的绝缘层1-4，所述芯线1-1、压电体1-2、屏蔽线1-3以及绝缘层1-4均埋设于橡胶层1-5中，所述芯线1-1、压电体1-2、屏蔽线1-3、绝缘层1-4以及橡胶层1-5置于内壳1-8中，所述内壳1-8内，橡胶层1-5的上下填充有缓冲层1-7，内壳1-8外还设置有外壳1-10，外壳1-10的顶部开口，接触体1-9设置于内壳1-8和外壳1-10之间，调整元件1-6设置于接触体1-9的上部，接触体1-9的头部从外壳1-10的开口处伸出，接触体1-9可相对内壳1-8和外壳1-10上下移动。其中的压电体1-2为高韧性压电薄膜(PVDF薄膜，聚偏氟乙烯)，芯线1-1为正极，屏蔽线1-3为负极，橡胶层1-5及缓冲层1-7使其具有抗冲击及缓冲能力，调整元件1-6用来调整传感器的初始状态，接触体1-9用来接收碰撞力。将该装置安装在需要防碰撞伤害措施的移动体上，当外界物体与传感器的接触体1-9头部发生碰撞接触时，外界物体的碰撞力直接作用于传感器1，即可自动感知碰撞接触信息：已经在安装传感器的位置发生了碰撞。

本发明的组合型碰撞接触感知装置的结构如图3所示，组合型碰撞接触感知装置由碰撞接触传感器1、连接铰2及接触传递元件3组成。碰撞接触传感器1包括芯线1-1，芯线1-1外依次包覆的压电体1-2、屏蔽线1-3和绝缘层1-4，所述芯线1-1、压电体1-2、屏蔽线1-3以及绝缘层1-4均埋设于橡胶层1-5中，所述芯线1-1、压电体1-2、屏蔽线1-3、绝缘层1-4以及橡胶层1-5置于内壳1-8中，所述内壳1-8内，橡胶层1-5的上下填充有缓冲层1-7，内壳1-8外还设置有外壳1-10，外壳1-10的顶部开口，接触体1-9设置于内壳1-8和外壳1-10之间，调整元件1-6设置于接触体1-9上部，接触体1-9的头部从外壳1-10的开口处伸出，接触体1-9可相对内壳1-8和外壳1-10上下移动。接触传递元件3的两端分别与两个连接铰2连接，两个连接铰2分别与两个碰撞接触传感器1的接触体1-9连接，将该装置的两个碰撞接触传感器1安装在需要防碰撞伤害措施的移动体上，当外界物体与接触传递元件3发生碰撞接触时，外界物体的碰撞力通过接触传递元件3及两个连接铰2传递给两个碰撞接触传感器1，即可自动感知碰撞接触信息：已经在接触传递元件的哪个部位发生了碰撞。

以下通过图1的模型示意图来说明本发明的组合型碰撞接触感知装置的工作原理。基于压敏原理的碰撞接触传感器等效为弹簧和阻尼器组件，图中k₁、k₂分别为左右两个碰撞接触传感器弹性系数；c₁，c₂为两者的阻尼系数，由于两个传感器的原理、材料和尺寸相同，所以k₁＝k₂，c₁-c₂；F₁、F₂为移动体对传感器的支反力，其大小等于两个传感器受到的因运动碰撞而产生的碰撞力；J为接触传递元件；G为连接铰；F为发生碰撞时外界物体给接触传递元件J的碰撞力；两个传感器之间的距离为L，碰撞点距左右两个传感器的距离分别为a和b。在移动机器人和外界物体碰撞的瞬间，由于设定的两个传感器触发碰撞力相等，即F₁＝F₂＝F₀，其中F₀是在电路中设定的灵敏度对应的触发碰撞力值；若设定移动机器人运动碰撞接触响应时间为Ta，假设两个传感器的触发时刻分别为t₁、t₂，两个传感器触发的时间差为，ΔT＝t₁-t₂；根据设定的F₀、Ta及测量的ΔT，碰撞接触感知装置既可以感知到与外界物体的碰撞发生，同时也可以根据两个传感器触发的时间差ΔT确定出碰撞接触的位置或碰撞接触的位置区间。

实施例

图2的碰撞接触传感器的接触体1-9头部可以设计成各种结构形式，因此改变接触体1-9头部的形式可以构成各种形式的传感器型碰撞接触感知装置。图2本身又是一种传感器型碰撞接触感知装置实施例的结构形式，传感器的接触体1-9的头部为平面形式，外表面包覆有保护材料(如海棉、橡胶及树脂等)，由于外界物体的碰撞力直接作用于传感器的接触体1-9头部，因此直接根据电路中设定的灵敏度对应的触发碰撞力值就可感知在安装传感器的位置发生了碰撞。

图3的组合型碰撞接触感知装置的接触传递元件3和连接铰2可以设计成各种形式，也可设置多个碰撞接触传感器和连接铰，因此又可以构成各种形式的组合型碰撞接感知装置。图3本身又是一种组合型碰撞接触感知装置实施例的结构形式，该感知装置的接触传递元件3为梁形式、连接铰2为转动铰形式，接触传递元件3的金属梁元件的外表面包覆有保护材料(如海棉、橡胶及树脂等)，接触传递元件3的两端分别与两个连接铰2连接，两个连接铰2分别与两个碰撞接触传感器1的接触体1-9连接，将该装置的两个碰撞接触传感器1安装在需要防碰撞伤害措施的移动体上，当外界物体与接触传递元件3发生碰撞接触时，外界物体的碰撞力通过接触传递元件3及两个连接铰2传递给两个碰撞接触传感器1，即可自动感知碰撞接触信息：已经在梁元件的哪个部位发生了碰撞。根据附图1的原理，模型为一个梁支承在两个简支弹性支承上，通过解析可求出碰撞接触位置a的值，例如，当在允许的碰撞接触响应时间Ta内两个传感器都触发了，即|ΔT|≤Ta，可以求出具体的a值；当在允许的碰撞接触响应时间Ta内只有一个传感器触发了，可以求出a的位置区间。

Claims (6)

1.一种运动碰撞接触感知装置，其特征在于，碰撞接触感知装置为碰撞接触传感器(1)，所述的碰撞接触传感器(1)包括芯线(1-1)、芯线(1-1)外包覆的压电体(1-2)、压电体(1-2)外包覆的屏蔽线(1-3)、屏蔽线(1-3)外包覆的绝缘层(1-4)，所述芯线(1-1)、压电体(1-2)、屏蔽线(1-3)以及绝缘层(1-4)均埋设于橡胶层(1-5)中，所述芯线(1-1)、压电体(1-2)、屏蔽线(1-3)、绝缘层(1-4)以及橡胶层(1-5)置于内壳(1-8)中，所述内壳(1-8)内，橡胶层(1-5)的上下填充有缓冲层(1-7)，内壳(1-8)外还设置有外壳(1-10)，外壳(1-10)的顶部开口，接触体(1-9)设置于内壳(1-8)和外壳(1-10)之间，调整元件(1-6)设置于接触体(1-9)上部，接触体(1-9)的头部从外壳(1-10)的开口处伸出，接触体(1-9)可相对内壳(1-8)和外壳(1-10)上下移动。

2.按照权利要求1所述的运动碰撞接触感知装置，其特征在于，所述接触体(1-9)的头部可以设计成各种结构形式。

3.按照权利要求1或2所述的运动碰撞接触感知装置，其特征在于，所述的接触体(1-9)为金属元件，其头部外表面包覆有保护材料。

4.一种运动碰撞接触感知装置，其特征在于，所述感知装置由碰撞接触传感器(1)、连铰接(2)和接触传递元件(3)构成，所述的碰撞接触传感器(1)包括芯线(1-1)，芯线(1-1)外依次包覆的压电体(1-2)、屏蔽线(1-3)和绝缘层(1-4)，所述芯线(1-1)、压电体(1-2)、屏蔽线(1-3)以及绝缘层(1-4)均埋设于橡胶层(1-5)中，所述芯线(1-1)、压电体(1-2)、屏蔽线(1-3)、绝缘层(1-4)以及橡胶层(1-5)置于内壳(1-8)中，所述内壳(1-8)内，橡胶层(1-5)的上下填充有缓冲层(1-7)，内壳(1-8)外还设置有外壳(1-10)，外壳(1-10)的顶部开口，接触体(1-9)设置于内壳(1-8)和外壳(1-10)之间，调整元件(1-6)设置于接触体(1-9)上部，接触体(1-9)的头部从外壳(1-10)的开口处伸出，接触体(1-9)可相对内壳(1-8)和外壳(1-10)上下移动，所述接触传递元件(3)的两端分别与两个连接铰(2)连接，两个连接铰(2)分别与两个碰撞接触传感器(1)的接触体(1-9)连接。

5.按照权利要求4所述的运动碰撞接触感知装置，其特征在于，所述的碰撞接触传感器(1)和连接铰(2)设置多个，接触传递元件(3)和连接铰(2)可设计成各种形式。

6.按照权利要求4或5所述的运动碰撞接触感知装置，其特征在于，所述的接触传递元件(3)为金属元件和金属元件外包覆的保护材料组成。

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