專利名稱:運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明是為移動(dòng)體防止碰撞破壞和傷害而提供的防護(hù)措施,具體涉及運(yùn)動(dòng)碰撞接觸的感知裝置。
背景技術(shù):
能夠自動(dòng)控制、沿任意路徑移動(dòng)的移動(dòng)體,在運(yùn)行過(guò)程中可靠性和安全性至關(guān)重要,尤其是現(xiàn)在研究越來(lái)越多的移動(dòng)機(jī)器人,需要采取各種避障和防碰撞傷害措施。所謂避障措施是指移動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,能夠事先發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)路徑中的障礙物,從而及時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)動(dòng)或改變運(yùn)動(dòng)路徑,以免發(fā)生碰撞;而所謂防碰撞傷害措施是當(dāng)移動(dòng)體意外碰撞到其他物體或人員時(shí),能夠立刻自動(dòng)作出反應(yīng),以避免因碰撞而造成破壞和傷害。避障措施的目的是防止接觸,需要采用非接觸感知裝置;防碰撞傷害措施的目的是運(yùn)動(dòng)碰撞已經(jīng)意外發(fā)生,如何避免因碰撞造成的破壞和傷害,一般需采用接觸式感知裝置。
移動(dòng)體的防碰撞傷害措施要解決的問(wèn)題是感知意外運(yùn)動(dòng)碰撞接觸信息,運(yùn)動(dòng)碰撞環(huán)境要求感知位置信息準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)響應(yīng)快、耐沖擊及具有緩沖能力。一般的接觸式感知裝置是用來(lái)檢測(cè)給定工況的信息的,不適合作為移動(dòng)體防碰撞傷害措施使用;而壓電電纜只能感知碰撞的粗略位置信息(如感知到碰撞是發(fā)生在移動(dòng)體的前方或測(cè)方,但不知碰撞在前方或測(cè)方的什么地方)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,該裝置具有感知位置信息準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)響應(yīng)快、耐沖擊及緩沖能力的特點(diǎn)。在自動(dòng)控制的移動(dòng)體上安裝運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,移動(dòng)體就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置所感知的碰撞接觸信息(包括碰撞發(fā)生及碰撞位置信息),自動(dòng)采取相應(yīng)對(duì)策,以避免因意外碰撞而造成的破壞和傷害,因此運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置對(duì)保證移動(dòng)體,尤其對(duì)保證移動(dòng)式機(jī)器人的安全運(yùn)行具有重要的實(shí)用意義。文本中把用于感知運(yùn)動(dòng)碰撞接觸信息的傳感器稱為碰撞接觸傳感器。
本發(fā)明所采用的一種技術(shù)方案是,運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,碰撞接觸感知裝置為碰撞接觸傳感器,包括芯線、芯線外包覆的壓電體、壓電體外包覆的屏蔽線、屏蔽線外包覆的絕緣層,所述芯線、壓電體、屏蔽線以及絕緣層均埋設(shè)于橡膠層中,所述芯線、壓電體、屏蔽線、絕緣層以及橡膠層置于內(nèi)殼中,所述內(nèi)殼內(nèi),橡膠層的上下填充有緩沖層,內(nèi)殼外還設(shè)置有外殼,外殼的頂部開(kāi)口,接觸體設(shè)置于內(nèi)殼和外殼之間,調(diào)整元件設(shè)置于接觸體上部,接觸體的頭部從外殼的開(kāi)口處伸出,接觸體可相對(duì)內(nèi)殼和外殼上下移動(dòng)。
本發(fā)明的特點(diǎn)還在于所述接觸體的頭部可以設(shè)計(jì)成各種結(jié)構(gòu)形式。
所述的接觸體為金屬元件,其頭部外表面包覆有保護(hù)材料。
本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是,運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,由碰撞接觸傳感器、連鉸接和接觸傳遞元件構(gòu)成,所述的碰撞接觸傳感器包括芯線,芯線外依次包覆的壓電體、屏蔽線和絕緣層,所述芯線、壓電體、屏蔽線以及絕緣層均埋設(shè)于橡膠層中,所述芯線、壓電體、屏蔽線、絕緣層以及橡膠層置于內(nèi)殼中,所述內(nèi)殼內(nèi),橡膠層的上下填充有緩沖層,內(nèi)殼外還設(shè)置有外殼,外殼的頂部開(kāi)口,接觸體設(shè)置于內(nèi)殼和外殼之間,調(diào)整元件設(shè)置于接觸體上部,接觸體的頭部從外殼的開(kāi)口處伸出,接觸體可相對(duì)內(nèi)殼和外殼上下移動(dòng),所述接觸傳遞元件的兩端分別與兩個(gè)連接鉸連接,兩個(gè)連接鉸分別與兩個(gè)碰撞接觸傳感器的接觸體連接。
所述的碰撞接觸傳感器和連接鉸設(shè)置多個(gè),接觸傳遞元件和連接鉸可設(shè)計(jì)成各種形式。
所述的接觸傳遞元件為金屬元件和金屬元件外包覆的保護(hù)材料組成。
運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置采用基于壓敏原理的碰撞接觸傳感器;采用由傳感器的接觸體直接接受外界物體的碰撞力并將碰撞力傳遞給傳感器的壓敏元件,或采用由接觸傳遞元件接受外界物體的碰撞力并通過(guò)連接鉸將碰撞力傳遞給接觸傳感器的接觸體及其壓敏元件,從而感知碰撞的發(fā)生及碰撞的位置信息。
本發(fā)明的感知裝置有兩種類型,一種類型為碰撞接觸傳感器型的碰撞接觸感知裝置,碰撞接觸傳感器由芯線、壓電體、屏蔽線、絕緣層、橡膠層、緩沖層、內(nèi)殼、接觸體、調(diào)整元件及外殼組成,接觸體可在內(nèi)、外殼中間上下移動(dòng)且其頭部從外殼的開(kāi)口處伸出,外界物體的碰撞力直接作用于傳感器的接觸體。另一種類型是由兩個(gè)碰撞接觸傳感器、兩個(gè)連接鉸和接觸傳遞元件構(gòu)成的組合型碰撞接觸感知裝置,外界物體的碰撞力通過(guò)接觸傳遞元件及連接鉸傳遞給接觸傳感器。所述傳感器型和組合型碰撞接觸感知裝置均具有感知位置信息準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)響應(yīng)快、耐沖擊及緩沖能力的特點(diǎn);前者感知的信息是在安裝傳感器的位置發(fā)生了碰撞,而后者還具有在較大范圍可能發(fā)生運(yùn)動(dòng)碰撞的條件下,自動(dòng)感知運(yùn)動(dòng)碰撞位置信息的特點(diǎn)。
圖1是本發(fā)明的組合型碰撞接觸感知裝置的模型示意圖;圖2是本發(fā)明中碰撞接觸傳感器結(jié)構(gòu)示意圖及實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3是本發(fā)明提供的感知裝置實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中,1.碰撞接觸傳感器,2.連接鉸,3.接觸傳遞元件。
碰撞接觸傳感器1由1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7、1-8、1-9及1-10構(gòu)成,1-1.芯線,1-2.壓電體,1-3.屏蔽線,1-4.絕緣層,1-5.橡膠層,1-6.調(diào)整元件,1-7.緩沖層,1-8.內(nèi)殼,1-9.接觸體,1-10.外殼。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
本發(fā)明的碰撞接觸傳感器(即傳感器型碰撞接觸感知裝置)的結(jié)構(gòu)如圖2所示,傳感器1包括芯線1-1、芯線1-1外包覆的壓電體1-2、壓電體1-2外包覆的屏蔽線1-3、屏蔽線1-3外包覆的絕緣層1-4,所述芯線1-1、壓電體1-2、屏蔽線1-3以及絕緣層1-4均埋設(shè)于橡膠層1-5中,所述芯線1-1、壓電體1-2、屏蔽線1-3、絕緣層1-4以及橡膠層1-5置于內(nèi)殼1-8中,所述內(nèi)殼1-8內(nèi),橡膠層1-5的上下填充有緩沖層1-7,內(nèi)殼1-8外還設(shè)置有外殼1-10,外殼1-10的頂部開(kāi)口,接觸體1-9設(shè)置于內(nèi)殼1-8和外殼1-10之間,調(diào)整元件1-6設(shè)置于接觸體1-9的上部,接觸體1-9的頭部從外殼1-10的開(kāi)口處伸出,接觸體1-9可相對(duì)內(nèi)殼1-8和外殼1-10上下移動(dòng)。其中的壓電體1-2為高韌性壓電薄膜(PVDF薄膜,聚偏氟乙烯),芯線1-1為正極,屏蔽線1-3為負(fù)極,橡膠層1-5及緩沖層1-7使其具有抗沖擊及緩沖能力,調(diào)整元件1-6用來(lái)調(diào)整傳感器的初始狀態(tài),接觸體1-9用來(lái)接收碰撞力。將該裝置安裝在需要防碰撞傷害措施的移動(dòng)體上,當(dāng)外界物體與傳感器的接觸體1-9頭部發(fā)生碰撞接觸時(shí),外界物體的碰撞力直接作用于傳感器1,即可自動(dòng)感知碰撞接觸信息已經(jīng)在安裝傳感器的位置發(fā)生了碰撞。
本發(fā)明的組合型碰撞接觸感知裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示,組合型碰撞接觸感知裝置由碰撞接觸傳感器1、連接鉸2及接觸傳遞元件3組成。碰撞接觸傳感器1包括芯線1-1,芯線1-1外依次包覆的壓電體1-2、屏蔽線1-3和絕緣層1-4,所述芯線1-1、壓電體1-2、屏蔽線1-3以及絕緣層1-4均埋設(shè)于橡膠層1-5中,所述芯線1-1、壓電體1-2、屏蔽線1-3、絕緣層1-4以及橡膠層1-5置于內(nèi)殼1-8中,所述內(nèi)殼1-8內(nèi),橡膠層1-5的上下填充有緩沖層1-7,內(nèi)殼1-8外還設(shè)置有外殼1-10,外殼1-10的頂部開(kāi)口,接觸體1-9設(shè)置于內(nèi)殼1-8和外殼1-10之間,調(diào)整元件1-6設(shè)置于接觸體1-9上部,接觸體1-9的頭部從外殼1-10的開(kāi)口處伸出,接觸體1-9可相對(duì)內(nèi)殼1-8和外殼1-10上下移動(dòng)。接觸傳遞元件3的兩端分別與兩個(gè)連接鉸2連接,兩個(gè)連接鉸2分別與兩個(gè)碰撞接觸傳感器1的接觸體1-9連接,將該裝置的兩個(gè)碰撞接觸傳感器1安裝在需要防碰撞傷害措施的移動(dòng)體上,當(dāng)外界物體與接觸傳遞元件3發(fā)生碰撞接觸時(shí),外界物體的碰撞力通過(guò)接觸傳遞元件3及兩個(gè)連接鉸2傳遞給兩個(gè)碰撞接觸傳感器1,即可自動(dòng)感知碰撞接觸信息已經(jīng)在接觸傳遞元件的哪個(gè)部位發(fā)生了碰撞。
以下通過(guò)圖1的模型示意圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的組合型碰撞接觸感知裝置的工作原理?;趬好粼淼呐鲎步佑|傳感器等效為彈簧和阻尼器組件,圖中k1、k2分別為左右兩個(gè)碰撞接觸傳感器彈性系數(shù);c1,c2為兩者的阻尼系數(shù),由于兩個(gè)傳感器的原理、材料和尺寸相同,所以k1=k2,c1-c2;F1、F2為移動(dòng)體對(duì)傳感器的支反力,其大小等于兩個(gè)傳感器受到的因運(yùn)動(dòng)碰撞而產(chǎn)生的碰撞力;J為接觸傳遞元件;G為連接鉸;F為發(fā)生碰撞時(shí)外界物體給接觸傳遞元件J的碰撞力;兩個(gè)傳感器之間的距離為L(zhǎng),碰撞點(diǎn)距左右兩個(gè)傳感器的距離分別為a和b。在移動(dòng)機(jī)器人和外界物體碰撞的瞬間,由于設(shè)定的兩個(gè)傳感器觸發(fā)碰撞力相等,即F1=F2=F0,其中F0是在電路中設(shè)定的靈敏度對(duì)應(yīng)的觸發(fā)碰撞力值;若設(shè)定移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)碰撞接觸響應(yīng)時(shí)間為T(mén)a,假設(shè)兩個(gè)傳感器的觸發(fā)時(shí)刻分別為t1、t2,兩個(gè)傳感器觸發(fā)的時(shí)間差為,ΔT=t1-t2;根據(jù)設(shè)定的F0、Ta及測(cè)量的ΔT,碰撞接觸感知裝置既可以感知到與外界物體的碰撞發(fā)生,同時(shí)也可以根據(jù)兩個(gè)傳感器觸發(fā)的時(shí)間差ΔT確定出碰撞接觸的位置或碰撞接觸的位置區(qū)間。
實(shí)施例圖2的碰撞接觸傳感器的接觸體1-9頭部可以設(shè)計(jì)成各種結(jié)構(gòu)形式,因此改變接觸體1-9頭部的形式可以構(gòu)成各種形式的傳感器型碰撞接觸感知裝置。圖2本身又是一種傳感器型碰撞接觸感知裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)形式,傳感器的接觸體1-9的頭部為平面形式,外表面包覆有保護(hù)材料(如海棉、橡膠及樹(shù)脂等),由于外界物體的碰撞力直接作用于傳感器的接觸體1-9頭部,因此直接根據(jù)電路中設(shè)定的靈敏度對(duì)應(yīng)的觸發(fā)碰撞力值就可感知在安裝傳感器的位置發(fā)生了碰撞。
圖3的組合型碰撞接觸感知裝置的接觸傳遞元件3和連接鉸2可以設(shè)計(jì)成各種形式,也可設(shè)置多個(gè)碰撞接觸傳感器和連接鉸,因此又可以構(gòu)成各種形式的組合型碰撞接感知裝置。圖3本身又是一種組合型碰撞接觸感知裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)形式,該感知裝置的接觸傳遞元件3為梁形式、連接鉸2為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸形式,接觸傳遞元件3的金屬梁元件的外表面包覆有保護(hù)材料(如海棉、橡膠及樹(shù)脂等),接觸傳遞元件3的兩端分別與兩個(gè)連接鉸2連接,兩個(gè)連接鉸2分別與兩個(gè)碰撞接觸傳感器1的接觸體1-9連接,將該裝置的兩個(gè)碰撞接觸傳感器1安裝在需要防碰撞傷害措施的移動(dòng)體上,當(dāng)外界物體與接觸傳遞元件3發(fā)生碰撞接觸時(shí),外界物體的碰撞力通過(guò)接觸傳遞元件3及兩個(gè)連接鉸2傳遞給兩個(gè)碰撞接觸傳感器1,即可自動(dòng)感知碰撞接觸信息已經(jīng)在梁元件的哪個(gè)部位發(fā)生了碰撞。根據(jù)附圖1的原理,模型為一個(gè)梁支承在兩個(gè)簡(jiǎn)支彈性支承上,通過(guò)解析可求出碰撞接觸位置a的值,例如,當(dāng)在允許的碰撞接觸響應(yīng)時(shí)間Ta內(nèi)兩個(gè)傳感器都觸發(fā)了,即|ΔT|≤Ta,可以求出具體的a值;當(dāng)在允許的碰撞接觸響應(yīng)時(shí)間Ta內(nèi)只有一個(gè)傳感器觸發(fā)了,可以求出a的位置區(qū)間。
權(quán)利要求
1.一種運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,其特征在于,碰撞接觸感知裝置為碰撞接觸傳感器(1),所述的碰撞接觸傳感器(1)包括芯線(1-1)、芯線(1-1)外包覆的壓電體(1-2)、壓電體(1-2)外包覆的屏蔽線(1-3)、屏蔽線(1-3)外包覆的絕緣層(1-4),所述芯線(1-1)、壓電體(1-2)、屏蔽線(1-3)以及絕緣層(1-4)均埋設(shè)于橡膠層(1-5)中,所述芯線(1-1)、壓電體(1-2)、屏蔽線(1-3)、絕緣層(1-4)以及橡膠層(1-5)置于內(nèi)殼(1-8)中,所述內(nèi)殼(1-8)內(nèi),橡膠層(1-5)的上下填充有緩沖層(1-7),內(nèi)殼(1-8)外還設(shè)置有外殼(1-10),外殼(1-10)的頂部開(kāi)口,接觸體(1-9)設(shè)置于內(nèi)殼(1-8)和外殼(1-10)之間,調(diào)整元件(1-6)設(shè)置于接觸體(1-9)上部,接觸體(1-9)的頭部從外殼(1-10)的開(kāi)口處伸出,接觸體(1-9)可相對(duì)內(nèi)殼(1-8)和外殼(1-10)上下移動(dòng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,其特征在于,所述接觸體(1-9)的頭部可以設(shè)計(jì)成各種結(jié)構(gòu)形式。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,其特征在于,所述的接觸體(1-9)為金屬元件,其頭部外表面包覆有保護(hù)材料。
4.一種運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,其特征在于,所述感知裝置由碰撞接觸傳感器(1)、連鉸接(2)和接觸傳遞元件(3)構(gòu)成,所述的碰撞接觸傳感器(1)包括芯線(1-1),芯線(1-1)外依次包覆的壓電體(1-2)、屏蔽線(1-3)和絕緣層(1-4),所述芯線(1-1)、壓電體(1-2)、屏蔽線(1-3)以及絕緣層(1-4)均埋設(shè)于橡膠層(1-5)中,所述芯線(1-1)、壓電體(1-2)、屏蔽線(1-3)、絕緣層(1-4)以及橡膠層(1-5)置于內(nèi)殼(1-8)中,所述內(nèi)殼(1-8)內(nèi),橡膠層(1-5)的上下填充有緩沖層(1-7),內(nèi)殼(1-8)外還設(shè)置有外殼(1-10),外殼(1-10)的頂部開(kāi)口,接觸體(1-9)設(shè)置于內(nèi)殼(1-8)和外殼(1-10)之間,調(diào)整元件(1-6)設(shè)置于接觸體(1-9)上部,接觸體(1-9)的頭部從外殼(1-10)的開(kāi)口處伸出,接觸體(1-9)可相對(duì)內(nèi)殼(1-8)和外殼(1-10)上下移動(dòng),所述接觸傳遞元件(3)的兩端分別與兩個(gè)連接鉸(2)連接,兩個(gè)連接鉸(2)分別與兩個(gè)碰撞接觸傳感器(1)的接觸體(1-9)連接。
5.按照權(quán)利要求4所述的運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,其特征在于,所述的碰撞接觸傳感器(1)和連接鉸(2)設(shè)置多個(gè),接觸傳遞元件(3)和連接鉸(2)可設(shè)計(jì)成各種形式。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,其特征在于,所述的接觸傳遞元件(3)為金屬元件和金屬元件外包覆的保護(hù)材料組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的運(yùn)動(dòng)碰撞接觸感知裝置,包括碰撞接觸傳感器型感知裝置和由碰撞接觸傳感器、連接鉸及接觸傳遞元件組成的組合型感知裝置。碰撞接觸傳感器包括埋設(shè)于橡膠層中的芯線、壓電體、屏蔽線及絕緣體,橡膠層置于內(nèi)殼中,橡膠層上下有緩沖層,接觸體置于內(nèi)殼和外殼之間,調(diào)整元件置于接觸體上部,接觸體的頭部從外殼的開(kāi)口處伸出,接觸體可相對(duì)內(nèi)殼和外殼上下移動(dòng)且其頭部從外殼的開(kāi)口處伸出。組合型感知裝置的接觸傳遞元件在兩端通過(guò)兩個(gè)連接鉸與兩個(gè)碰撞接觸傳感器連接。傳感器型和組合型碰撞接觸感知裝置均可作為移動(dòng)體防碰撞傷害措施使用,具有自動(dòng)感知碰撞接觸位置(位置或位置區(qū)間)、實(shí)時(shí)響應(yīng)快、耐沖擊及緩沖能力的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L1/16GK1908607SQ20061010447
公開(kāi)日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者黃玉美, 林義忠, 梁春苗, 高峰, 史文浩 申請(qǐng)人:西安理工大學(xué)