可拉伸的传感器制造技术

公开了测量弹性体的变形的可拉伸的传感器系统，可拉伸的传感器系统包括至少一个磁体；每个具有传感器输出的至少一个磁性传感器；控制器，其中，该至少一个磁体在相应的第一位置或多个位置处固定到弹性体，该至少一个磁性传感器在相应的第二位置或多个位置处固定到弹性体，使得所述或每个磁性传感器位于相应的所述磁体的磁附近，并且其中，控制器可操作成：从所述或每个磁性传感器的传感器输出接收传感器数据；根据第一和第二位置或多个位置处理接收的传感器数据，以确定所述或每个磁体与相应的磁性传感器之间的位置关系；根据确定的所述或每个磁体与相应的磁性传感器之间的位置关系来计算弹性体的变形。本发明专利技术特别应用于软机器人及其闭环控制。软机器人及其闭环控制。软机器人及其闭环控制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】可拉伸的传感器


[0001]本专利技术涉及可拉伸的传感器系统、用于测量弹性体的变形的控制器、相关方法和计算机可读介质。本专利技术在软机器人及其闭环控制领域中找到了具体应用。

技术介绍

[0002]软机器人是新的研究领域，其中使用软材料(弹性体)而不是使用传统的刚性材料来构建机器人。作为优点，由于使得材料更柔软的低杨氏模量，机器人比刚性机器人更安全，并且如果与人接触它减少了冲击和任何损害。当前的限制是需要传感器来测量机器人连杆/关节变形。传统的传感器由于其刚性而不能被使用。已经通过使用与弹性体混合的导电材料开发了可拉伸的传感器。它们可以提供高灵敏度和机械带宽，但当连接到用于数据采集的外部电子板时，提供高噪声和低可靠性。构造可靠的外部焊盘以获取传感器输出信号也是这种类型的传感器的挑战。光纤也已经用于测量弹性体变形，尽管这种类型的传感器通常不可靠、易碎，并且信号处理硬件昂贵且难以按比例缩小尺寸。
[0003]本专利技术旨在解决上述问题，并解决所确定的需求。

技术实现思路

[0004]根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于测量弹性体的变形的可拉伸的传感器系统，所述可拉伸的传感器系统包括：至少一个磁体；至少一个磁性传感器，每个磁性传感器具有传感器输出；以及控制器，其中，所述至少一个磁体在相应的第一位置或多个位置处固定到所述弹性体，并且所述至少一个磁性传感器在相应的第二位置或多个位置处固定到所述弹性体，使得每个磁性传感器位于相应的所述磁体的磁附近，并且其中所述控制器可操作成：从所述或每个磁性传感器的传感器输出接收传感器数据；可选地，根据所述第一和第二位置或多个位置处理所接收的传感器数据，以确定所述磁体或每个磁体与相应的磁性传感器之间的位置关系；以及可选地，根据所确定的所述磁体或每个磁体与相应的磁性传感器之间的位置关系来计算所述弹性体的变形。
[0005]根据一个实施例，可拉伸的传感器系统包括多个磁体和多个磁性传感器。
[0006]本专利技术的传感器系统能够测量任意复杂形状上的变形，并且由于磁场强度和距离之间的相对直接的联系，能够提供相对低噪声、低响应时间的系统。磁体和磁性传感器的使用也能够避免对弹性体的延伸量的机械限制。
[0007]优选地，磁性传感器是霍尔效应传感器，通常受益于这种传感器的设计的简单性、可靠性和鲁棒性。可选地，可以使用其他形式的传感器，例如，基于磁体的装置，其检测例如嵌入的磁体上的力或加速度，或者(不太有用地)基于电感的装置等。霍尔效应传感器的使用能够进一步改善系统的噪声和响应特性。霍尔效应传感器通常仅需要简单的A/D转换器来获得传感器读数。通常，这样的转换器被集成在DSP系统中。因此，传感器系统在某些形式中只包括霍尔效应传感器的电子元件和DSP，潜在地允许相当大的成本降低等等。优选地，霍尔效应传感器和磁体对准，以便使得检测最大可能的磁场强度(从而提高信噪比)。优选
地，磁性传感器能够检测磁场强度的大小，而不是仅检测磁场强度的变化(例如，如具有电感器的情形那样)。绝对电压的变化比对应于场强随时间的变化的电压尖峰相对更容易测量，并且它们不需要如此高的采样率。因此，如果避免电感元件，则可以提供更有效的装置。
[0008]优选地，所述磁体是永磁体，例如钕磁体或任何其它类型。这能够增加安装的简单性和容易性；这种尺寸相对较小且没有外部连接的磁体能够适当地附接在弹性体上、弹性体中或弹性体内，包括铸造或胶合到弹性体的主体中。将磁体和/或磁性传感器中的至少一个嵌入弹性体内能够使不期望的额外运动和/或变形最小化。可选地，磁体可以是任何其它合适的磁场源，例如电磁体或电感器。
[0009]如果存在弹性体的期望测量的多个自由度，则可以选择第一多个位置和第二多个位置以便允许测量所有所述自由度。自由度可以是独立可变的位移或长度、角度旋转、剪切等，并且可以涉及作为整体的弹性体或者弹性体内的子部分或单独的连杆等。自由度可以特别地涉及关于正交轴测量或调整的相同特性，但不是必须的。也就是说，优选地，所测量的自由度涉及弹性体上的多个点或弹性体的区域。每个自由度或至少一个自由度可以与弹性体上其它自由度的(不同)相应位置相关。应当理解，这可以提供更稳健的测量，其在弹性体的单个区域中较不易受意外的条件或干扰或结构故障的影响。这些也是软机器人致动器等的特定应用中的特别合适的特征。
[0010]磁体的数量(以及相应地，磁性传感器的数量)优选地等于期望测量的自由度的数量。因此，磁体和磁性传感器被最有效地部署。在一些实施例中，可以提供另外的磁体和磁性传感器对，以便提供冗余和更精确的测量。
[0011]优选地，每个磁体和相应磁性传感器的位置关系独立于任何其他位置关系来计算，使得例如根据(仅)单个磁性传感器的输出来计算与每个自由度有关的测量。更优选地，与每个自由度相关的测量根据(仅)单个磁体的影响来计算。在一些情况下，可以在如前所述的至少一个磁体的范围内提供多于一个传感器，只要存在至少一对一个(单个)磁体和一个(单个)相应的磁性传感器。应当理解，这些各种特征能够提供更稳健的测量，其在弹性体上的单个位置中较不易受传感器或磁体故障或损坏的影响。
[0012]而且，通过将磁体和磁性传感器分成多对，每对与待测量的自由度相关联，能够测量任意数量的自由度而不需要对磁性传感器或控制器进行任何结构改变，并且类似地，扩展系统以适应附加的自由度不需要任何结构改变。
[0013]上述每个磁体和每个磁性传感器之间的位置关系优选为每个磁体和每个磁性传感器之间的距离。
[0014]可选地或附加地，位置关系可以是相对旋转、剪切或更复杂的关系。通常，该关系涉及一个自由度或维度，诸如距离，但可涉及更多自由度或维度(例如，具有三个自由度或维度的任意旋转或矢量)。优选地，磁性传感器仅输出单个测量，允许简化的设计，但是结合测量多个测量的磁性传感器，或者具有矢量而不是标量输出是可能的。在这种情况下，多个测量可以被组合(例如，它们可以被平均，或者取最大值)或者视情况被单独处理。
[0015]每个磁性传感器的传感器输出优选地基本上指示到相应磁体的距离。例如，霍尔效应传感器就是这样。更详细地，传感器输出优选地是局部磁场强度的测量，并且与距离平方成比例。如上所述，该测量优选地是标量，但也可以是矢量或其它n维量。
[0016]多个磁体和磁性传感器中的至少两个可以沿相同的轴定向。实际上，所有的磁性
传感器可以沿着相同的轴定向。这能够增加构造的简易性。无论如何，多个磁体和磁性传感器中的至少两个可以测量弹性体的围绕不同轴的变形。可能存在用于放置磁体和磁传感器的一系列合适位置，但是优选地，根据特定弹性体的具体几何形状来选择它们，以便允许简单的附接(例如，在相同的轴上对齐或在一条线上附接等)，同时测量所有必要的自由度。例如，如果测量管的变形，则以轴向定向附接的并且围绕管的相同圆周均匀分布的传感器能够指示管在任何方向上的至少局部变形(在这种情况下，在两个自由度中的任一个中，表示为X和Y位移，或者表示为弯曲的角度和程度等)。
[0017]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于测量弹性体的变形的可拉伸的传感器系统，所述可拉伸的传感器系统包括：至少一个磁体；至少一个磁性传感器，每个磁性传感器具有传感器输出；以及控制器，其中，所述至少一个磁体在相应的第一位置或多个位置处固定到所述弹性体，并且所述至少一个磁性传感器在相应的第二位置或多个位置处固定到所述弹性体，使得所述磁性传感器或每个磁性传感器位于相应的所述磁体的磁附近，以及其中，所述控制器可操作成：从所述磁性传感器或每个磁性传感器的所述传感器输出接收传感器数据；根据所述第一和第二位置或多个位置处理所接收的传感器数据，以确定所述磁体或每个磁体与相应的磁性传感器之间的位置关系；以及根据所确定的所述磁体或每个磁体与相应的磁性传感器之间的位置关系来计算所述弹性体的变形。2.如权利要求1所述的可拉伸的传感器系统，包括在相应的第一多个位置处固定到所述弹性体的多个磁体和在相应的第二多个位置处固定到所述弹性体的多个磁性传感器。3.如权利要求1或2所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述磁性传感器是霍尔效应传感器。4.如任一前述权利要求所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述磁体是永磁体。5.如任一前述权利要求所述的可拉伸的传感器系统，其中，存在所述弹性体的期望被测量的多个自由度，并且所述第一多个位置和所述第二多个位置被选择成允许测量所有所述自由度。6.如权利要求5所述的可拉伸的传感器系统，其中，磁体的数量等于期望被测量的自由度的数量。7.如任一前述权利要求所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述位置关系是每个磁体和相应的磁性传感器之间的距离。8.如任一前述权利要求所述的可拉伸的传感器系统，其中，每个磁性传感器的所述传感器输出基本上指示到相应磁体的距离。9.如权利要求2至8中任一项所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述多个磁体和磁性传感器中的至少两个沿相同的轴定向。10.如权利要求9所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述多个磁体和磁性传感器中的所述至少两个测量所述弹性体的绕不同轴的变形。11.如权利要求2至10中任一项所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述多个磁体和磁性传感器中的至少两个沿不同的轴定向。12.如任一前述权利要求所述的可拉伸的传感器系统，其中，每个磁性传感器被安置成使得源自相应磁体的在所述传感器处的磁场强度大于源自所有其它磁体的组合的磁场强度。13.如任一前述权利要求所述的可拉伸的传感器系统，其中，所述控制器还可操作成根据所计算的...

【专利技术属性】
技术研发人员：路易吉，
申请(专利权)人：邓迪大学，
类型：发明
国别省市：