申请/专利权人：哈尔滨工业大学

申请日：2019-03-07

公开（公告）日：2021-03-30

公开（公告）号：CN109969285B

主分类号：B62D57/032(20060101)

分类号：B62D57/032(20060101)

优先权：

专利状态码：失效-未缴年费专利权终止

法律状态：2023.02.28#未缴年费专利权终止;2019.07.30#实质审查的生效;2019.07.05#公开

摘要：本发明公开一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，包括电磁阀、控制腔体、压力传感器、温度传感器、传感掌单元，所述的控制腔体的上端与电磁阀连接，控制腔体的下端通过其内管道与传感掌单元连接，压力传感器位于控制腔体内壁上，所述的传感掌单元包括外橡胶层、应变感应层、金属加强层和内橡胶层，金属加强层与应变感应层贴合在一起之后，夹在内橡胶层与外橡胶层之间，所述的传感掌单元内腔填充有一定量的液体。本发明实现了交互过程中变阻尼缓冲、变刚度适应，解决了传统机器人用末端环境交互机构的大刚度、无阻尼交互所带来的冲击、非顺从问题，使得交互过程无冲击、柔顺。

主权项：1.一种流体万向柔顺力传感掌，包括电磁阀2，控制腔体3，压力传感器4、温度传感器，传感掌单元6，其特征在于：所述的控制腔体3的上端与电磁阀2连接，控制腔体3的下端通过其内管道5与传感掌单元6连接，压力传感器4位于控制腔体3内壁上，所述的传感掌单元6包括外橡胶层6-1、应变感应层6-2、金属加强层6-3和内橡胶层6-4，金属加强层6-3与应变感应层6-2贴合在一起之后，夹在内橡胶层6-4与外橡胶层6-1之间，所述的传感掌单元6内腔填充有一定量的液体，应变感应层6-2安装有温度传感器；当外部环境对传感掌单元6产生力的作用，并对传感掌单元6内腔的液体产生挤压作用，电磁阀2不完全打开，传感掌单元6内腔的液体则不会向外流出从而形成抵抗力，传感掌单元6处于大刚度状态，若打开电磁阀2，则传感掌单元6内腔的液体向外流出，不形成抵抗力，传感掌单元6处于小刚度状态；应变感应层感知掌在不同方位上的具体变形量，结合压力传感器返回的内橡胶层内的压力，可计算得到脚掌在不同方位上的作用力大小；所述的电磁阀2通过PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比实现电磁阀2打开的时间，打开的时间越长，那么传感掌内腔的液体向外流出越多，传感掌单元6变形越大，即刚度越小，最终通过控制PWM信号的占空比实现传感掌单元6与外环境的变刚度交互，同等压力下液体流经的孔隙越小其产生的阻抗越大，通过调整电磁阀的开口大小即实现传感掌单元6的液体以不同阻抗流出或流入，实现变阻抗交互控制。

全文数据：机器人用流体万向柔顺与力传感掌技术领域本发明属于工业生产技术领域，具体涉及一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌。背景技术机器人末端执行器为直接与环境交互的机构，传统机构设计中其表现刚度大、末端几乎没有可控的缓冲器，从而与环境柔顺交互差，尤其在足式机器人中，在足式机器人高速跳跃奔跑中，足端与地面呈现高速碰撞，传统足端采用缓冲能力极弱的橡胶垫其缓冲柔顺性能远远不足；采用弹簧或弹性材料进行缓冲，其阻尼效果和弹簧工作状态极差容易造成弹簧失效，存在不可控弹簧环节，并且足端刚度、阻尼不可控；采用液压缸、伺服阀缓冲系统则系统复杂，对地面不是万向柔顺，对于要求末端轻量化、小型化难以满足，并且其感知多维力依然采用六维力传感器，进一步增加了系统的复杂性与成本，对于变刚度控制和阻尼控制算法复杂不易实现。发明内容针对以上问题本发明提出一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，实现其对环境万向柔顺适应性，满足足式机器人的足端刚度、阻尼可控要求，可大大增加其缓冲实际效果、六向力感知和温度梯度感知，实现对交互过程中的力感知、温度感知。本发明所采取的技术如下：一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，包括电磁阀、控制腔体、压力传感器、温度传感器、传感掌单元，所述的控制腔体的上端与电磁阀连接，控制腔体的下端通过其内管道与传感掌单元连接，压力传感器位于控制腔体内壁上，所述的传感掌单元包括外橡胶层、应变感应层、金属加强层和内橡胶层，金属加强层与应变感应层贴合在一起之后，夹在内橡胶层与外橡胶层之间，所述的传感掌单元内腔填充有一定量的液体，应变感应层安装有温度传感器；当外部环境对传感掌单元产生力的作用，并对传感掌单元内腔的液体产生挤压作用，电磁阀不完全打开，传感掌单元内腔的液体则不会向外流出从而形成抵抗力，传感掌单元处于大刚度状态，若打开电磁阀，则传感掌单元内腔的液体向外流出，不形成抵抗力，传感掌单元处于小刚度状态；所述的电磁阀通过PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比实现电磁阀打开的时间，打开的时间越长，那么传感掌内腔的液体向外流出越多，传感掌单元变形越大，即刚度越小，最终通过控制PWM信号的占空比实现传感掌单元与外环境的变刚度交互，同等压力下液体流经的孔隙越小其产生的阻抗越大，通过调整电磁阀的开口大小即实现传感掌单元的液体以不同阻抗流出或流入，实现变阻抗交互控制。本发明还具有如下技术特征：1、所述的传感掌单元为立方体、环状或者球形。2、所述的电磁阀为高速微型三位三通比例电磁阀，当高速微型三位三通比例电磁阀处于中间位的关死状态，传感掌单元内腔的流体无法流出，形成高压状态以抵抗作用力，呈现高刚度无阻尼状态，当传感掌单元与外界环境处于作用状态时，高速微型三位三通比例电磁阀开口向低压油口方向时，其开口量与输入电信号成比例关系，当传感掌单元与外界环境处于非作用状态，高速微型三位三通比例电磁阀开口向高压油口方向时，外部一定压力的液体通过内管道补充流入传感掌单元内腔，使得传感掌单元掌保持一定刚度状态。本发明的优点及有益效果：本发明实现了交互过程中变阻尼缓冲、变刚度适应，解决了传统机器人用末端环境交互机构的大刚度、无阻尼交互所带来的冲击、非顺从问题，使得交互过程无冲击、柔顺。将多维力感知和环境温度感知融合在流体参数感知中，全方位感知环境交互力和温度，能够全方位感知环境交互力和温度，大大减少其它传感器的使用，实现了多元件的一体化设计，减少了零散元件的匹配问题，实现了机器人末端环境交互机构的微型化、轻量化。简化了系统组成，降低了系统成本，降低了系统的维修难度。柔软的橡胶以及流体控制实现了对复杂环境的自主适应，可完全顺从外界环境，大大增加了机器人关键执行器的适应能力。可设计为多种不同的形式，可安装在多种不同机器人机构上，本发明适用面广。附图说明图1为实施例1的机器人用流体万向柔顺与力传感掌总装图；图2为实施例1的机器人用流体万向柔顺与力传感掌正视图图3为实施例1的机器人用流体万向柔顺与力传感掌剖面图；图4为实施例2的机器人用流体万向柔顺与力传感掌变体环状形式图；图5为实施例2的机器人用流体万向柔顺与力传感掌变体环状形式剖面图；图6为实施例3的机器人用流体万向柔顺与力传感掌变体球状形式图；图7为实施例3的机器人用流体万向柔顺与力传感掌变体球状形式剖面图；具体实施方式下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：实施例1如图1、2所示，一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，包括壳体1、电磁阀2，控制腔体3，压力传感器4，温度传感器，传感掌单元6，所述的壳体1为长方形，壳体1内安装有控制腔体3，壳体1底面安装有传感掌单元6，所述的控制腔体3的上端与电磁阀2连接，控制腔体3的下端通过其内管道5与传感掌单元6连接，压力传感器4位于控制腔体3内壁上，所述的传感掌单元6包括外橡胶层6-1、应变感应层6-2、金属加强层6-3和内橡胶层6-4，金属加强层6-3与应变感应层6-2贴合在一起之后，夹在内橡胶层6-4与外橡胶层6-1之间，所述的传感掌单元6内腔填充有一定量的液体，应变感应层6-2安装有温度传感器，应变感应层6-2感知掌在不同方位上的具体变形量，结合压力传感器4返回的内橡胶层内的压力，可计算得到脚掌在不同方位上的作用力大小，即万向力感知；当外部环境对传感掌单元6产生力的作用，并对传感掌单元6内腔的液体产生挤压作用，电磁阀2不完全打开，传感掌单元6内腔的液体则不会向外流出从而形成抵抗力，传感掌单元6处于大刚度状态，若打开电磁阀2，则传感掌单元6内腔的液体向外流出，不形成抵抗力，传感掌单元6处于小刚度状态；电磁阀2通过PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比实现电磁阀2打开的时间，打开的时间越长，那么传感掌内腔的液体向外流出越多，传感掌单元6变形越大，即刚度越小，最终通过控制PWM信号的占空比实现传感掌单元6与外环境的变刚度交互，同等压力下液体流经的孔隙越小其产生的阻抗越大，通过调整电磁阀的开口大小即实现传感掌单元6的液体以不同阻抗流出或流入，实现变阻抗交互控制。本实施例主要应用于大负载、复杂环境中。实施例2如图4-5所示，一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，包括壳体1、电磁阀2，控制腔体3，压力传感器4，温度传感器，传感掌单元6，所述的壳体1为中空的圆柱形，壳体1内安装有控制腔体3，壳体1侧面安装有传感掌单元6，所述的控制腔体3的上端与电磁阀2连接，控制腔体3的下端通过其内管道5与传感掌单元6连接，压力传感器4位于控制腔体3内壁上，所述的传感掌单元6包括外橡胶层6-1、应变感应层6-2、金属加强层6-3和内橡胶层6-4，金属加强层6-3与应变感应层6-2贴合在一起之后，夹在内橡胶层6-4与外橡胶层6-1之间，所述的传感掌单元6内腔填充有一定量的液体，应变感应层6-2安装有温度传感器，应变感应层6-2感知掌在不同方位上的具体变形量，结合压力传感器4返回的内橡胶层内的压力，可计算得到脚掌在不同方位上的作用力大小，即万向力感知；当外部环境对传感掌单元6产生力的作用，并对传感掌单元6内腔的液体产生挤压作用，电磁阀2不完全打开，传感掌单元6内腔的液体则不会向外流出从而形成抵抗力，传感掌单元6处于大刚度状态，若打开电磁阀2，则传感掌单元6内腔的液体向外流出，不形成抵抗力，传感掌单元6处于小刚度状态；电磁阀2通过PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比实现电磁阀2打开的时间，打开的时间越长，那么传感掌内腔的液体向外流出越多，传感掌单元6变形越大，即刚度越小，最终通过控制PWM信号的占空比实现传感掌单元6与外环境的变刚度交互，同等压力下液体流经的孔隙越小其产生的阻抗越大，通过调整电磁阀的开口大小即实现传感掌单元6的液体以不同阻抗流出或流入，实现变阻抗交互控制。本实施例缠绕在机械手及圆柱状机构上。实施例3如图6-7所示，一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，包括电磁阀2，控制腔体3，压力传感器4，温度传感器，传感掌单元6，所述的传感掌单元为球形，所述的控制腔体3的上端与电磁阀2连接，控制腔体3的下端通过其内管道5与传感掌单元6连接，压力传感器4位于控制腔体3内壁上，所述的传感掌单元6包括外橡胶层6-1、应变感应层6-2、金属加强层6-3和内橡胶层6-4，金属加强层6-3与应变感应层6-2贴合在一起之后，夹在内橡胶层6-4与外橡胶层6-1之间，所述的传感掌单元6内腔填充有一定量的液体，应变感应层6-2安装有温度传感器，应变感应层6-2感知掌在不同方位上的具体变形量，结合压力传感器4返回的内橡胶层内的压力，可计算得到脚掌在不同方位上的作用力大小，即万向力感知；当外部环境对传感掌单元6产生力的作用，并对传感掌单元6内腔的液体产生挤压作用，电磁阀2不完全打开，传感掌单元6内腔的液体则不会向外流出从而形成抵抗力，传感掌单元6处于大刚度状态，若打开电磁阀2，则传感掌单元6内腔的液体向外流出，不形成抵抗力，传感掌单元6处于小刚度状态；电磁阀2通过PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比实现电磁阀2打开的时间，打开的时间越长，那么传感掌内腔的液体向外流出越多，传感掌单元6变形越大，即刚度越小，最终通过控制PWM信号的占空比实现传感掌单元6与外环境的变刚度交互，同等压力下液体流经的孔隙越小其产生的阻抗越大，通过调整电磁阀的开口大小即实现传感掌单元6的液体以不同阻抗流出或流入，实现变阻抗交互控制。所述的电磁阀2为高速微型三位三通比例电磁阀，当高速微型三位三通比例电磁阀处于中间位的关死状态，传感掌单元6内腔的流体无法流出，形成高压状态以抵抗作用力，呈现高刚度无阻尼状态，当传感掌单元6与外界环境处于作用状态时，高速微型三位三通比例电磁阀开口向低压油口2－1方向时，其开口量与输入电信号成比例关系，当传感掌单元6与外界环境处于非作用状态，高速微型三位三通比例电磁阀开口向高压油口2－2方向时，外部一定压力的液体通过内管道5补充流入传感掌单元6内腔，使得传感掌单元6掌保持一定刚度状态。本实施例主要用在一些小负载高度复杂环境中。实施例4实施例1-3的工作过程：机器人用流体万向柔顺与力传感掌与外界环境相互作用时，外界环境直接与外橡胶层接触并产生作用力，该作用力通过外橡胶层、应变感应层、金属加强层、内橡胶层作用到充满内橡胶层腔的流体上，并产生对应的流体压力，若安装在控制腔体上的高速微型三位三通比例电磁阀处于中间位的关死状态，流体压缩性较强，内橡胶层内的流体无法流出则形成高压状态以抵抗作用力，呈现高刚度无阻尼状态；若高速微型三位三通比例电磁阀开口向低压油口方向，其开口量与输入电信号成比例关系，流体流经小孔时由于流体的粘纸性质而产生阻尼损耗效果，高速微型三位三通比例电磁阀开口越小阻尼效果越显著，反之则反，此时内橡胶层内的流体通过内管道、控制腔、高速微型三位三通比例电磁阀流出，内橡胶层内腔由于流体流出而空间缩小，外部作用力挤压四层形式的掌到任意形态，即对外界环境万向柔顺适应，并且根据实际冲击力效果以及刚度、阻尼要求等通过改变输入高速微型三位三通比例电磁阀的电信号即可实现变刚度和变阻尼效果；当掌与外界环境处于非作用状态，高速微型三位三通比例电磁阀开口向高压油口方向，外部一定压力的流体通过内管道、控制腔、高速微型三位三通比例电磁阀补充流出内橡胶层内腔的流体，使得四层形式的掌保持最初形态、一定刚度状态，下次与环境作用时形成完整的循环流程。应变感应层感知掌在不同方位上的具体变形量，结合压力传感器返回的内橡胶层内的压力，可计算得到脚掌在不同方位上的作用力大小，即万向力感知。

权利要求：1.一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，包括电磁阀2，控制腔体3，压力传感器4、温度传感器，传感掌单元6，其特征在于：所述的控制腔体3的上端与电磁阀2连接，控制腔体3的下端通过其内管道5与传感掌单元6连接，压力传感器4位于控制腔体3内壁上，所述的传感掌单元6包括外橡胶层6-1、应变感应层6-2、金属加强层6-3和内橡胶层6-4，金属加强层6-3与应变感应层6-2贴合在一起之后，夹在内橡胶层6-4与外橡胶层6-1之间，所述的传感掌单元6内腔填充有一定量的液体，应变感应层6-2安装有温度传感器；当外部环境对传感掌单元6产生力的作用，并对传感掌单元6内腔的液体产生挤压作用，电磁阀2不完全打开，传感掌单元6内腔的液体则不会向外流出从而形成抵抗力，传感掌单元6处于大刚度状态，若打开电磁阀2，则传感掌单元6内腔的液体向外流出，不形成抵抗力，传感掌单元6处于小刚度状态；应变感应层感知掌在不同方位上的具体变形量，结合压力传感器返回的内橡胶层内的压力，计算得到脚掌在不同方位上的作用力大小；所述的电磁阀2通过PWM信号控制，通过调整PWM信号的占空比实现电磁阀2打开的时间，打开的时间越长，那么传感掌内腔的液体向外流出越多，传感掌单元6变形越大，即刚度越小，最终通过控制PWM信号的占空比实现传感掌单元6与外环境的变刚度交互，同等压力下液体流经的孔隙越小其产生的阻抗越大，通过调整电磁阀的开口大小即实现传感掌单元6的液体以不同阻抗流出或流入，实现变阻抗交互控制。2.根据权利要求1所述的一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，其特征在于，所述的传感掌单元6为立方体、环状或者球形。3.根据权利要求1或2所述的一种机器人用流体万向柔顺与力传感掌，其特征在于，所述的电磁阀2为高速微型三位三通比例电磁阀，当高速微型三位三通比例电磁阀处于中间位的关死状态，传感掌单元6内腔的流体无法流出，形成高压状态以抵抗作用力，呈现高刚度无阻尼状态，当传感掌单元6与外界环境处于作用状态时，高速微型三位三通比例电磁阀开口向低压油口2－1方向时，其开口量与输入电信号成比例关系，当传感掌单元6与外界环境处于非作用状态，高速微型三位三通比例电磁阀开口向高压油口2－2方向时，外部一定压力的液体通过内管道5补充流入传感掌单元6内腔，使得传感掌单元6掌保持一定刚度状态。

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