本發(fā)明屬于測(cè)力及控制用檢測(cè)裝置領(lǐng)域，特別是一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器及其測(cè)量方法，用于柔性大承載力的精確測(cè)量之中，提高了柔性力傳感器的量程與精度。

背景技術(shù)：

在機(jī)器人前沿領(lǐng)域探索上，機(jī)器人技術(shù)的研究發(fā)展正面向高端制造、醫(yī)療康復(fù)、國(guó)防安全等國(guó)家重點(diǎn)戰(zhàn)略領(lǐng)域穩(wěn)步推進(jìn)，在機(jī)器人的力檢測(cè)技術(shù)上，柔性力檢測(cè)技術(shù)以其高度的適應(yīng)性、柔順性，近幾年來(lái)正飛速的發(fā)展。目前的柔性傳感器大多采用柔性大變形材料作為基體，而柔性基體的非線性變形導(dǎo)致柔性傳感器在大量程測(cè)量情況下的線性度不足。

為了克服這類問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外的研究主要集中于結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制算法的研究中，并沒(méi)有從變剛度的角度來(lái)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器及其測(cè)量方法。

為了解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器，包括扁長(zhǎng)方體的柔性基體1，在柔性基體1內(nèi)部的主要承載部位設(shè)有一氣壓空腔2，所述的氣壓空腔設(shè)有進(jìn)氣口4；在所述柔性基體1中位于氣壓空腔上部設(shè)有上下兩層Z字型首尾連接的微承載通道——第一微承載通道3和第二微承載通道10；所述第一微承載通道3自第一端口6經(jīng)Z字型首尾連接的空腔至第三端口8；所述第二微承載通道10自第二端口7經(jīng)Z字型的首尾連接的空腔至第四端口9，所述第一微承載通道3的第三端口8與所述第二微承載通道10的第四端口9相連通，從第一端口6和第二端口7分別引出兩根導(dǎo)線用以連接信號(hào)采集模塊；所述第一微承載通道3和第二微承載通道10注滿液態(tài)壓阻敏感元件。

所述一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器的測(cè)量方法，該方法包括如下內(nèi)容：

當(dāng)傳感器受到拉伸時(shí)，柔性基體受拉變形，其內(nèi)部微承載通道縱向變長(zhǎng)，截面變小，導(dǎo)致承載的內(nèi)部液態(tài)元件的總電阻變大，通過(guò)惠斯通電橋，將需要檢測(cè)的電阻值，轉(zhuǎn)化為電壓值，輸出電壓信號(hào)；通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)，判斷該次測(cè)量是否超過(guò)傳感器的當(dāng)前量程，如果此次測(cè)量沒(méi)有超過(guò)該傳感器的當(dāng)前量程，輸出傳感器的測(cè)量結(jié)果，該結(jié)果為精確值；而當(dāng)傳感器的受力過(guò)大時(shí)，基體拉伸變形大于20％時(shí)，傳感器信號(hào)的非線性明顯增加，如果此次測(cè)量超過(guò)該傳感器的當(dāng)前量程，則控制氣源向傳感器的氣壓空腔2中輸入一定壓力的氣體，增加傳感器的整體剛度，使傳感器在受到大載荷力的情況下依然能使基體中微承載通道中的變形保持在線性區(qū)，在增加了傳感器測(cè)量量程的同時(shí)也提高了測(cè)量的精度；重復(fù)所述進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、判斷及變剛度過(guò)程，直到檢測(cè)到傳感器在其變形線性區(qū)輸出的信號(hào)為止，最后根據(jù)最終輸出信號(hào)與通入的氣體壓力可得到待測(cè)量的力的大小。

由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提出的基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器及其測(cè)量方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有這樣的有益效果：

本發(fā)明引入氣動(dòng)變剛度機(jī)理，通過(guò)調(diào)整傳感器力檢測(cè)位置的剛度變化來(lái)改變傳感器的量程，解決了以柔性大變形材料為基體的柔性傳感器實(shí)際應(yīng)用中量程不足導(dǎo)致的應(yīng)用受限的問(wèn)題，提高了大變形柔性傳感器在大承載條件下的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了力的變量程測(cè)量，改變了目前的柔性傳感器只被應(yīng)用在小量程力領(lǐng)域的測(cè)量。此外，本發(fā)明本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，柔順性強(qiáng)，在檢測(cè)力的同時(shí)，緩沖受力，減小力對(duì)受力雙方的破壞；性能穩(wěn)定，耐酸堿腐蝕，能克服惡劣環(huán)境，在礦山、海洋等極端環(huán)境下也能穩(wěn)定的使用；不受人體汗液腐蝕，無(wú)毒，能夠與皮膚直接接觸。因此，本發(fā)明能在工業(yè)生產(chǎn)，康復(fù)醫(yī)療，國(guó)防軍工得到廣泛的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1中A方向放大視圖；

圖3為本發(fā)明一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器中微通道放大示意圖；

圖4為本發(fā)明一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器的測(cè)量方法流程圖。

圖中：1為傳感器的柔性基體，2為氣壓空腔，3為第一微承載通道，4為進(jìn)氣口，5為引出導(dǎo)線，6為第一端口，7為第二端口；8為第三端口，9為第四端口；10為第二微承載通道。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖中對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)說(shuō)明。

一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器，如圖1—3所示，它包括扁長(zhǎng)方體的柔性基體1，作為柔性傳感器的主要承載結(jié)構(gòu)，采用柔性硅橡膠或其它符合性能要求的高彈性材料制成；在柔性基體1內(nèi)部的主要承載部位設(shè)有一氣壓空腔2，所述的氣壓空腔設(shè)有進(jìn)氣口4；在傳感器端部設(shè)有進(jìn)氣口4，引出進(jìn)氣管，外部接有微型氣壓輸入及控制裝置，進(jìn)行氣壓空腔內(nèi)部的壓力控制。在所述柔性基體1中位于氣壓空腔上部成型出設(shè)有上下兩層Z字型首尾連接的微微承通道——第一微承載通道3和第二微承載通道10；所述第一微承載通道3自第一端口6經(jīng)Z字型首尾連接的空腔至第三端口8；所述第二微承載通道10自第二端口7經(jīng)Z字型的首尾連接的空腔至第四端口9，所述第一微承載通道3的第三端口8與所述第二微承載通道10的第四端口9相連通，從第一端口6和第二端口7分別引出兩根導(dǎo)線用以連接信號(hào)采集模塊；所述第一微承載通道3和第二微承載通道10注滿液態(tài)壓阻敏感元件。鎵銦錫合金或其它符合性能要求的液態(tài)壓阻材料為敏感元件；為保證傳感器柔順性，在流體處均采用柔性膠水實(shí)現(xiàn)整體密封。同時(shí)，可保證傳感器在惡劣環(huán)境下工作的穩(wěn)定性。

圖2為圖1中A方向放大視圖，從傳感器柔性基體中成型出的氣壓空腔2，即為傳感器的變剛度模塊，通過(guò)在氣動(dòng)空腔中通入一定壓力的氣體來(lái)改變傳感器的整體剛度，使得傳感器在拉伸時(shí)，在橫向上產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，能夠抵抗柔性基體的拉伸。

傳感器承載敏感元件的微通道，共分為上下兩層，如圖3所示，上層部分為第一微承載通道由第一端口6引入經(jīng)呈Z字型分布至第三端口8，再引到下層部分為第二微承載通道由第二端口7引入經(jīng)呈Z字型分布至第四端口9；在所述的微承載空腔中注滿液態(tài)壓阻敏感元件，如液態(tài)鎵銦錫合金等壓阻性能滿足要求的材料。所述的第一微承載通道和第二微承載通道的直徑為0.01mm，單程長(zhǎng)度為65mm；所述的液態(tài)敏感元件電阻值為5mΩ-20mΩ。圖中4為通入傳感器變剛度模塊中的進(jìn)氣口，直徑為3mm，通過(guò)膠管接入微氣源。其中，接口處采用柔性膠水進(jìn)行密封。

圖1中標(biāo)號(hào)5所示為兩根引出導(dǎo)線，從微通道的端口6、7分別引出，并通過(guò)處理電路，將傳感器的接收信號(hào)轉(zhuǎn)入到采集卡中，測(cè)量出力的大小。引線處也采用柔性膠水密封。

所述一種基于氣動(dòng)變剛度的可變量程柔性力傳感器的測(cè)量方法，如圖4所示是其測(cè)量方法流程圖，該方法內(nèi)容如下：

當(dāng)傳感器受到拉伸時(shí)，柔性基體受拉變形，其內(nèi)部微承載通道縱向變長(zhǎng)，截面變小，導(dǎo)致承載的內(nèi)部液態(tài)元件的總電阻變大，通過(guò)惠斯通電橋，將需要檢測(cè)的電阻值，轉(zhuǎn)化為電壓值，輸出電壓信號(hào)；通過(guò)信號(hào)采集系統(tǒng)檢測(cè)傳感器的輸出信號(hào)，判斷該次測(cè)量是否超過(guò)傳感器的當(dāng)前量程，如果此次測(cè)量沒(méi)有超過(guò)該傳感器的當(dāng)前量程，輸出傳感器的測(cè)量結(jié)果，該結(jié)果為精確值；而當(dāng)傳感器的受力過(guò)大時(shí)，基體拉伸變形大于20％時(shí)，傳感器信號(hào)的非線性明顯增加，如果此次測(cè)量超過(guò)該傳感器的當(dāng)前量程，則控制氣源向傳感器的氣壓空腔2中輸入一定壓力的氣體，增加傳感器的整體剛度，使傳感器在受到大載荷力的情況下依然能使基體中微承載通道中的變形保持在線性區(qū)，在增加了傳感器測(cè)量量程的同時(shí)也提高了測(cè)量的精度；由于采用的材料為超彈性不可壓縮材料，故通過(guò)影響傳感器橫向的受力來(lái)改變傳感器的縱向拉伸性能，因此，可等效于改變傳感器基體1的剛度，進(jìn)而降低了傳感器的受力變形程度，提高了傳感器在線性區(qū)的測(cè)量量程；重復(fù)所述進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、判斷及變剛度過(guò)程，直到檢測(cè)到傳感器在其變形線性區(qū)輸出的信號(hào)為止，最后根據(jù)最終輸出信號(hào)與通入的氣體壓力可得到待測(cè)量的力的大小。

在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的前提下，采用各種不同形式的實(shí)現(xiàn)方法，不經(jīng)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)出與本發(fā)明相類似的結(jié)構(gòu)形狀或布局，如改變微通道及變剛度模塊的分布和尺寸，均屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。