发明人：罗庆生；韩宝玲；赵小川；张杨；汪强
多足式机器人足端压力传感器
技术领域
本发明涉及一种适用于多足式机器人足端力信号探测的压力传感器，属于传感器技术。
背景技术
为了更好地调整步行机器人行走时的步态和姿态，多足式机器人往往通过足端压力传感器获取地面信息，并根据这些信息进行实时控制。目前，普通的压力传感器因存在测量范围窄、减震性能差、易于损坏、价格昂贵等缺点，不能直接移植到多足式机器人的足端，制约了多足式机器人机动性能的发挥。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于多足式机器人的新型足端压力传感器。该传感器具有体积小、量程大、结构简单、功能可靠、性能稳定、减震性能好、使用寿命长等特点。
为了实现上述发明目的，该传感器包括足端触力机械传递装置、信号转换及放大装置和ERF电流变敏感材料隔振装置。
足端触力机械传递装置是由上弹簧导杆、下弹簧导杆、二级减震弹簧、圆锥支撑杆、垫板和垫圈组成。垫板在腿部筒套的凸台之上，通过螺栓与足套相连接；圆锥支撑杆通过足端螺杆、连接螺杆分别与垂直力转换装置和下弹簧导杆相连接；连接螺杆固定装置用于固定连接螺杆；一级减震弹簧被固定在足套与腿部套筒之间的空间内，并且其底端与足套中的圆柱凸台相接触，一级减震弹簧的顶端与腿部套筒之间垫有垫圈，达到一级减震的目的；上弹簧导杆和下弹簧导杆可以在腿部套筒中上下滑动，两者之间通过二级减震弹簧传递力的作用，以达到二级减震的目的，从而将最终传到传感器上的力限制在规定的0～5N范围之内。信号转换及放大装置是固定在上弹簧导杆和腿部套筒的凸台之间；ERF电流变敏感材料上部与机器人腿部相连接，下部与信号转换与放大模块相接触。足端为橡胶材料，套在腿部套筒的下部。足套与足端通过螺纹相连。垂直力转换装置为铝制材料。
信号转换及放大装置包括供电模块、信号测量转换模块和信号放大模块。供电模块采用恒流源供电，有效消除了温度变化的影响。信号测量转换模块采用由单晶硅制成的压敏电阻所构成的电桥。单晶硅具有工作可靠、耐腐蚀、抗干扰能力强等特点。当压力经足端触力机械传递装置传到信号测量转换模块时，弹性膜片就会产生形变，形成正、负两个应变区，同时压敏电阻的电阻率也发生相应的变化，引起电桥不平衡，产生一个与压力成正比的电流信号。信号放大模块具有高阻抗，有效避免了从信号测量转换模块的输出端吸收电流，在不破坏信号测量转换模工作状态的情况下，将输出信号放大。
减震装置采用ERF电流变敏感材料，该材料可以在液态和固态属性之间快速转变，响应时间为ms量级；该转变可以使用简单的电场信号控制；控制材料消耗的能量极低；该转变随电场强度连续无级变换，而且是完全可逆的；转变体系不存在机械构件间的相对运动，具有无磨损、工作状态柔和、噪声低、寿命长等特点。信号转换及放大装置的输出信号传递到ERF电流变敏感材料减震装置，ERF智能材料一随电信号的强弱改变状态，从而收到实时、自适应减震的效果。
本发明的优点有：①传感器的机械传动装置通过二级减震，可将机器人足端较大的触力线性地缩减到力敏电阻的正常感测范围内，增大了传感器的量程；②信号转换及放大电路具有工作可靠、耐腐蚀、抗干扰能力强、不受温度影响等特点；③减震装置采用RRF电流变敏感材料，能够随电信号的强弱改变状态，从而收到实时、自适应减震的效果；④该压力传感器采用模块化设计，结构简单、功能可靠，可广泛应用于各种多足式机器人。(www.xing528.com)
附图说明
附图F-1为多足式机器人足端压力传感器的整体结构示意图。
附图F-2为信号转换及放大装置的电路图。
附图F-1和附图F-2中，1—信号转换及放大装置；2—上弹簧导杆；3—螺栓；4—下弹簧导杆；5—腿部套筒；6—垫板；7—垫圈；8—足套；9—二级减震弹簧；10—一级减震弹簧；11—圆锥支撑杆；12—垂直力转换装置；13—ERF电流变敏感材料；14—电桥；15—信号放大模块；16—供电模块；17—足端螺杆；18—连接螺杆；19—连接螺杆固定装置；20—机器人腿部；21—足端。
具体实施方式
下面结合附图F-1和附图F-2对本发明作进一步说明。
如附图F-1所示，多足式机器人足端触力机械传递装置是由上弹簧导杆2、下弹簧导杆4、二级减震弹簧9、圆锥支撑杆11、垫板6和垫圈7组成。垫板6在腿部筒套5的凸台之上，通过螺栓3与足套8相连接；圆锥支撑杆11通过足端螺杆17、连接螺杆18分别与垂直力转换装置12和下弹簧导杆4相连接;连接螺杆固定装置19用于固定连接螺杆；一级减震弹簧10被固定在足套8与腿部套筒5之间的空间内，并且其底端与足套8中的圆柱凸台相接触，一级减震弹簧10的顶端与腿部套筒之间垫有垫圈7，达到一级减震的目的；上弹簧导杆2和下弹簧导杆4可以在腿部套筒中上下滑动，两者之间通过二级减震弹簧9传递力的作用，以达到二级减震的目，从而将最终传到传感器上的力限制在规定的0～5N范围之内。信号转换及放大装置1是固定在上弹簧导杆2和腿部套筒5的凸台之间;ERF电流变敏感材料13上部与机器人腿部20相连接，下部与信号转换与放大模块1相接触。足端21为橡胶材料，套在腿部足套8的下部。足套8与足端21通过螺纹相连。垂直力转换装置12为铝质材料或塑料。
当多足式机器人的足端21与地面接触时，触力通过圆锥支撑杆11传递到二级减震弹簧9和一级减震弹簧10，使其发生形变，从而使达到信号转换及放大装置1内的压力在力敏电阻的正常感测范围内。该压力使R1、R2、R3、R4组成的弹性膜片产生形变，形成正、负两个应变区，同时压敏电阻的电阻率也发生相应的变化，引起信号转换电桥14不平衡，产生一个与压力成正比的电信号。电信号通过信号转换及放大装置1内的信号放大模块15输出，一路输入A/D转换器而另一路输入ERF电流变敏感材料减震装置13。输入ERF电流变敏感材料的电信号使敏感材料的状态发生变化，从而收到实时、自适应减震的效果。供电模块16则用于向信号转换及放大装置1供电。
当多足式机器人的足端与地面分离时，二级减震弹簧9和一级减震弹簧10恢复为初始状态，弹性膜片也恢复为初始状态。此时电桥14平衡，无电信号输出，因此减震装置中的ERF电流变敏感材料13也恢复到初始状态。
说明书附图
附图F-1 多足式机器人足端压力传感器的整体结构示意图
附图F-2 信号转换及放大装置的电路图
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