末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统及方法与流程

1.本发明涉及一种用于检测介电弹性体电容的电路、末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统及方法。


背景技术：

2.动力外骨骼通过人机交互的力传递完成运动辅助与增强，在医疗康复、救援助力、野外行军等场景展现了广阔前景。其中关节锚定型外骨骼体积更小、质量更轻、不易出现关节错位，在需求便携式、高续航能力等场景下优势显著，其采用传统鲍登线传动系统，即牵引绳穿过轴向不可压缩的套管连接驱动端与锚定点。但是受套管内的摩擦影响，牵引绳在驱动端与锚定端的拉力不相等，且差值受运动状态中多种时变因素影响，所以目前驱动控制实际采用位置控制方法。而精准的力控制又是人机安全交互中必不可少的一环，所以研究如何实现鲍登线驱动系统的精准柔顺控制是非常有必要的。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提出一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其在传统鲍登线传动系统中可实现力的精确控制。
4.本发明解决上述问题的技术方案是：一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其特殊之处在于：
5.包括pc/控制系统、驱动器、数据采集模块、精密电压源、感知模块、伺服电机、力传感器、介电弹性体驱动器(dea)、锚定点、鲍登线以及套管；
6.所述pc/控制系统与数据采集模块进行连接，数据采集模块引出导线分别与驱动器、力传感器、精密电压源和感知模块相连接；
7.所述驱动器用于控制伺服电机；力传感器一侧通过鲍登线与伺服电机相连，另一侧通过鲍登线与介电弹性体驱动器(dea)相连，精密电压源和感知模块均与鲍登线中的导线相连接，介电弹性体驱动器(dea)与锚定点固定。
8.进一步地，上述鲍登线由内向外依次包括正极导线层、第一绝缘层、负极导线层、第二绝缘层和编织套管。
9.进一步地，上述介电弹性体驱动器(dea)为圆柱形介电弹性体驱动器。
10.进一步地，上述伺服电机的输出轴连接卷筒，力传感器一侧的鲍登线卷绕在卷筒上。
11.进一步地，上述数据采集模块为数据采集卡(daq)。
12.另外，本发明还提出一种基于上述末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统的补偿方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
13.1)在某个特定的时间点通过pc/控制系统对伺服电机进行控制，使其给套管内的鲍登线一定的拉力，这个拉力是通过已有的控制算法对人体进行计算后得到的，是人体在此状态下所需要的达到平衡状态或辅助行走所需要的拉力；
14.2)通过力传感器对鲍登线收到的拉力进行实时测量；
15.3)由于介电弹性体驱动器(dea)与锚定点进行了连接固定，鲍登线的拉力会传递到介电弹性体驱动器(dea)，使得介电弹性体驱动器(dea)产生变形，通过感知模块对pc/控制系统发出感知信号；
16.4)由pc/控制系统对数据进行分析，将感知信号与伺服电机控制信号进行对比后可得到鲍登线在套管内摩擦所损耗的拉力；
17.5)pc/控制系统通过精密电压源给介电弹性体驱动器(dea)施加控制信号，使介电弹性体驱动器(dea)进行伸长后达到电机控制信号的初始拉力，实现快速力补偿。
18.上述末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其用到了介电弹性体驱动器，其高速运行、高效率、可控性以及产生肌肉样力和应变的能力在一众软体机器人中脱颖而出，但是由于高压信号的存在，感知模块将正弦低压信号与高压驱动信号在高压侧相耦合需要用到大型、昂贵的电子元件，如高压功率放大器、交流变压器等。用于介电弹性体电容检测的感知模块采用现有的大型专业昂贵的电子设备，如峰值检测器，来提取正弦检测信号在待测电阻上电压的变化，电容检测电路复杂，且成本较高。为解决该问题，本发明还提出一种感知模块，其包括用于检测介电弹性体电容的电路。
19.所述用于检测介电弹性体电容的电路包括放大单元、电压检测单元、电压处理单元、钳位单元和高压供电电源，所述放大单元的输出端与电压检测单元的输入端连接，所述电压检测单元的第一输出端与钳位单元的输入端、介电弹性体驱动器(dea)的第一输入端连接，所述电压检测单元的的第二输出端与电压处理单元的输入端连接，所述电压处理单元的输出端与数据采集模块连接，所述钳位单元的输出端与高压供电电源的低压负极连接，所述介电弹性体驱动器(dea)的第二输入端与高压供电电源的高压正极连接。
20.进一步地，上述放大单元包括运算放大器u1、电阻r10和电阻r11，所述运算放大器u1的正极连接所述单片机的输出端，所述运算放大器u1的负极分别与电阻r10和电阻r11一端连接，所述电阻r10的另一端与运算放大器u1的输出端连接，所述电阻r11的另一端与高压供电电源的低压负极连接。
21.进一步地，上述电压检测单元包括差分放大器u2和电压采样电阻r1，所述电压采样电阻r1两端分别与差分放大器u2的正负极连接，所述差分放大器u2的输出端与电压处理单元连接，所述差分放大器u2的负极与钳位单元连接，所述差分放大器u2的负极与介电弹性体连接。
22.进一步地，上述钳位单元包括稳压二极管d1、稳压二极管d2和电容c1，所述电容c1的一端与二极管d1的负极连接，所述电容c1另一端的与高压供电电源的低压负极连接，二极管d1的正极与二极管d2的正极连接，二极管d2的负极与高压供电电源的低压负极连接。
23.进一步地，上述电压处理单元包括运算放大器u3、滑动变阻器r3和电阻r4，所述滑动变阻器r3一端与电压检测单元的输出端连接，另一端与运算放大器u3的负极连接，所述电阻r4的两端分别与运算放大器u3的负极和输出端连接，运算放大器u3的正极与高压供电电源的低压负极连接。
24.较为优选的，所述电压处理单元还包括电阻r5、电阻r6、电容c2和运算放大器u4，所述电阻r5的一端与运算放大器u3的输出端连接，另一端与电容c2一端连接，所述电容c2的另一端与运算放大器u4的负极连接，所述电阻r6的一端与电容c2一端连接，另一端与运
算放大器u4的正极连接。
25.较为优选的，所述电压处理单元还包括电阻r7和电容c3，所述电容c3的一端与电阻r5一端连接，另一端与运算放大器u4的输出端连接，所述电阻r7的两端分别与运算放大器u4的负极与输出端连接。
26.较为优选的，所述电压处理单元还包括电阻r8和电阻r9，所述运算放大器u4的输出端分别与电阻r8和电阻r9的一端相连，所述电阻r8的另一端与电力信号输出端连接，所述电阻r9的另一端与高压供电电源的低压负极连接，所述运算放大器u4的输出端用于输出电压采样信号。
27.本发明的优点：
28.本发明提供的末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，通过力传感器对鲍登线拉力进行实时测量，圆柱形dea在鲍登线的拉力作用下，使得圆柱形dea产生变形，通过感知模块对pc/控制系统发出感知信号，再由pc/控制系统对数据进行分析，与伺服电机控制信号进行对比后可得到鲍登线在套管内摩擦所损耗的拉力，再通过精密电压源给圆柱形dea施加控制信号，使圆柱形介电弹性体驱动器进行伸长后达到电机控制信号的初始拉力，进行快速力补偿；本发明感知模块中的电路设计，克服了现有技术中的不足之处，实现从低压端对介电弹性体电容的检测，避免了专业的高压检测设备，电路结构简单可靠，降低了成本。
附图说明
29.图1为末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统的示意图；
30.图2是末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统的作用原理图；
31.图3是末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统的控制原理图；
32.图4为用于检测介电弹性体电容的电路的功能框连接示意图；
33.图5为用于检测介电弹性体电容的电路图；
34.图6为检测介电弹性体电容的工作原理图。
具体实施方式
35.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
36.参见图1-图3，一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，包括pc/控制系统、驱动器、数据采集模块、精密电压源、感知模块、伺服电机、力传感器、介电弹性体驱动器(dea)、锚定点、鲍登线以及套管。
37.所述pc/控制系统与数据采集模块进行连接，数据采集模块引出导线分别与驱动器、力传感器、精密电压源和感知模块相连接；
38.所述驱动器用于控制伺服电机；力传感器一侧通过鲍登线与伺服电机相连，另一
侧通过鲍登线与介电弹性体驱动器(dea)相连，精密电压源和感知模块均与鲍登线中的导线相连接，介电弹性体驱动器(dea)与锚定点固定。
39.作为本发明的一个优选实施例，所述鲍登线由内向外依次包括正极导线层、第一绝缘层、负极导线层、第二绝缘层和编织套管，精密电压源和感知模块均与鲍登线中的正极导线层和负极导线层相连接。
40.作为本发明的一个优选实施例，所述介电弹性体驱动器(dea)采用通过施加电场能够产生轴向形变的样式的介电弹性体驱动器都可以，优选圆柱形介电弹性体驱动器，圆柱形介电弹性体变形更加均匀，感知与控制更为准确。
41.作为本发明的一个优选实施例，所述伺服电机的输出轴连接卷筒，力传感器一侧的鲍登线卷绕在卷筒上，伺服电机的输出轴带动卷筒转动，卷筒转动对鲍登线进行卷绕。
42.作为本发明的一个优选实施例，上述数据采集模块为数据采集卡(daq)。数据采集卡(daq)自动采集驱动器、精密电压源、感知模块、力传感器非电量或者电量信号，并送到pc/控制系统中进行分析，处理。
43.作为本发明的一个优选实施例，上述感知模块包括用于检测介电弹性体电容的电路。
44.如图4所示，所述用于检测介电弹性体电容的电路，包括放大单元、电压检测单元、电压处理单元、钳位单元和高压供电电源，放大单元的输入端与所述pc/控制系统的输出端连接，所述放大单元的输出端与电压检测单元的输入端连接，所述电压检测单元的第一输出端与钳位单元的输入端、介电弹性体的第一输入端连接，所述电压检测单元的的第二输出端与电压处理单元的输入端连接，所述电压处理单元的输出端通过数据采集模块与pc/控制系统的输入端连接，所述钳位单元的输出端与高压供电电源的低压负极连接，所述介电弹性体的第二输入端与高压供电电源的高压正极连接。
45.图5示出了用于检测介电弹性体电容的电路连接示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
46.放大单元包括运算放大器u1、电阻r10和电阻r11，所述运算放大器u1的正极连接所述pc/控制系统的输出端，所述运算放大器u1的负极分别与电阻r10和电阻r11一端连接，所述电阻r10的另一端与运算放大器u1的输出端连接，所述电阻r11的另一端与高压供电电源的低压负极连接。
47.所述电压检测单元包括差分放大器u2和电压采样电阻r1，电压采样电阻r1用于对介电弹性体进行分压取样，所述电压采样电阻r1两端分别与差分放大器u2的正负极连接，所述差分放大器u2的输出端与电压处理单元连接，所述差分放大器u2的负极与钳位单元连接，所述差分放大器u2的负极与介电弹性体连接。
48.所述钳位单元包括稳压二极管d1、稳压二极管d2和电容c1，所述电容c1的一端与二极管d1的负极连接，所述电容c1另一端的与高压供电电源的低压负极连接，二极管d1的正极与二极管d2的正极连接，二极管d2的负极与高压供电电源的低压负极连接。
49.所述电压处理单元包括运算放大器u3、滑动变阻器r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c2、运算放大器u4、电阻r7、电容c3、电阻r8和电阻r9，所述滑动变阻器r3一端与电压检测单元的输出端连接，另一端与运算放大器u3的负极连接，所述电阻r4的两端分别与运算放大器u3的负极和输出端连接，运算放大器u3的正极与高压供电电源的低压负极连接。所述
电阻r5的一端与运算放大器u3的输出端连接，另一端与电容c2一端连接，所述电容c2的另一端与运算放大器u4的负极连接，所述电阻r6的一端与电容c2一端连接，另一端与运算放大器u4的正极连接。所述电容c3的一端与电阻r5一端连接，另一端与运算放大器u4的输出端连接，所述电阻r7的两端分别与与运算放大器u4的负极与输出端连接。所述运算放大器u4的输出端分别与电阻r8和电阻r9的一端相连，所述电阻r8的另一端与pc/控制系统的其中一个电力信号输出端(即v4端)连接，所述电阻r9的另一端与高压供电电源的低压负极连接，所述运算放大器u4的输出端通过数据采集模块与pc/控制系统的输入端连接。v4端的电压为2.5v。pc/控制系统的输出端用于发送方波信号，接收所述电容检测电路的输出的电压信号。
50.用于检测介电弹性体电容的电路的工作原理为：
51.高压供电电源vh为介电弹性体提供驱动电源，对于不同的介电弹性体，该高压供电电源vh的电压为3000v-5000v，甚至更高。低压信号检测电源vl为电容检测电路提供检测信号，该低压信号检测电源电压输出为1v，1khz正弦信号，工作原理如图6所示，当介电弹性体两端电极施加高压时，介电弹性体受力压缩变形，同时电容发生变化，通过低压检测信号测量电容值。
52.电路中设置有运算放大器u1、差分放大器u2、运算放大器u3，运算放大器u4、稳压二极管d1、稳压二极管d2、以及滑动变阻器r3，电路中的其它器件为阻容元件。
53.由单片机产生的检测信号待运算放大器u1将信号的幅值放大后，接在待测电阻r1的一端，再利用差分放大器u2测量该待测电阻的电压信号，之后由电压处理单元对电压进行处理后接入到单片机输入端，然后通过单片机对电压信号进行计算转换得出来所需测量的介电弹性体的电容。
54.具体的计算过程为，由基尔霍夫电压定律可得：
[0055][0056]
已知单片机输出的低压检测信号vl的幅值和相位，对单片机输入端接收到电压信号进行相位检测处理，得到其幅值和相位，根据余弦公式可得：
[0057][0058]
其中θ为v1，v3间的夹角。
[0059][0060]
其中ζ为v2，v3间的夹角。
[0061]
流过电阻的交流电压与电流同相，流过电容的交流电流超前电压90℃，则：
[0062][0063]
其中χ为i1，i2间的夹角。
[0064]
由基尔霍夫电流定律可得：
[0065][0066]
[0067]
i2＝v22πfc1[0068]
根据余弦公式可得：
[0069][0070]
根据阻抗定理可得：
[0071][0072][0073]
其中z是介电弹性体的阻抗，rs是介电弹性体的等效电阻，ca介电弹性体的等效电容。
[0074]
另外，本发明还提出一种基于上述末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统的补偿方法，参见图1-3，包括以下步骤：
[0075]
1)在某个特定的时间点通过pc/控制系统对伺服电机进行控制，使其给套管内的鲍登线一定的拉力，这个拉力是通过已有的控制算法对人体进行计算后得到的，是人体在此状态下所需要的达到平衡状态或辅助行走所需要的拉力；
[0076]
2)通过力传感器对鲍登线收到的拉力进行实时测量，数据采集模块获取力传感器发出力信号并传递给pc/控制系统；
[0077]
3)由于介电弹性体驱动器(dea)与锚定点进行了连接固定，鲍登线的拉力会传递到介电弹性体驱动器(dea)，使得介电弹性体驱动器(dea)产生变形，数据采集模块获取感知模块发出感知信号并传递给pc/控制系统；
[0078]
4)由pc/控制系统对数据进行分析，将感知信号与伺服电机控制信号进行对比后可得到鲍登线在套管内摩擦所损耗的拉力；
[0079]
5)pc/控制系统经数据采集模块、精密电压源给介电弹性体驱动器(dea)施加控制信号，使介电弹性体驱动器(dea)进行伸长后达到电机控制信号的初始拉力，实现快速力补偿。
[0080]
动力外骨骼通过人机交互的力传递完成运动辅助与增强，其中外骨骼采用传统鲍登线传动系统，即牵引绳穿过轴向不可压缩的套管连接驱动端与锚定点，本发明提供的末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统可以应用在动力外骨骼上，其工作原理如下：
[0081]
人体在穿戴下肢外骨骼后进行行走，在某个特定的时间点通过pc/控制系统对伺服电机进行控制，使其给外骨骼套管内的鲍登线一定的拉力，这个拉力是通过已有的控制算法对人体进行计算后得到的，是人体在此状态下所需要的达到平衡状态或辅助行走所需要的拉力。通过力传感器对鲍登线拉力进行实时测量，由于圆柱形介电弹性体驱动器(dea)与锚定点进行了连接固定，鲍登线的拉力会传递到圆柱形介电弹性体驱动器(dea)，使得圆柱形介电弹性体驱动器(dea)产生变形，通过感知模块对pc/控制系统发出感知信号，再由pc/控制系统对数据进行分析，与伺服电机控制信号进行对比后可得到鲍登线在套管内摩擦所损耗的拉力，再通过精密电压源给圆柱形介电弹性体驱动器(dea)施加控制信号，使圆柱形介电弹性体驱动器进行伸长后达到电机控制信号的初始拉力，进行快速力补偿，最终实现鲍登线驱动系统的精准柔顺控制。
[0082]
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种用于检测介电弹性体电容的电路，其特征在于：包括放大单元、电压检测单元、电压处理单元、钳位单元和高压供电电源，所述放大单元的输出端与电压检测单元的输入端连接，所述电压检测单元的第一输出端与钳位单元的输入端、介电弹性体的第一输入端连接，所述电压检测单元的的第二输出端与电压处理单元的输入端连接，所述电压处理单元的输出端用于输出信号，所述钳位单元的输出端与高压供电电源的低压负极连接，所述介电弹性体的第二输入端与高压供电电源的高压正极连接。2.根据权利要求1所述的用于检测介电弹性体电容的电路，其特征在于：所述放大单元包括运算放大器u1、电阻r10和电阻r11，所述运算放大器u1的正极连接所述单片机的输出端，所述运算放大器u1的负极分别与电阻r10和电阻r11一端连接，所述电阻r10的另一端与运算放大器u1的输出端连接，所述电阻r11的另一端与高压供电电源的低压负极连接。3.根据权利要求1所述的用于检测介电弹性体电容的电路，其特征在于：所述电压检测单元包括差分放大器u2和电压采样电阻r1，所述电压采样电阻r1两端分别与差分放大器u2的正负极连接，所述差分放大器u2的输出端与电压处理单元连接，所述差分放大器u2的负极与钳位单元连接，所述差分放大器u2的负极与介电弹性体连接。4.根据权利要求1所述的用于检测介电弹性体电容的电路，其特征在于：所述钳位单元包括稳压二极管d1、稳压二极管d2和电容c1，所述电容c1的一端与二极管d1的负极连接，所述电容c1另一端的与高压供电电源的低压负极连接，二极管d1的正极与二极管d2的正极连接，二极管d2的负极与高压供电电源的低压负极连接。5.根据权利要求1所述的用于检测介电弹性体电容的电路，其特征在于：所述电压处理单元包括运算放大器u3、滑动变阻器r3和电阻r4、电阻r5、电阻r6、电容c2、运算放大器u4、电阻r7、电容c3、电阻r8和电阻r9；所述滑动变阻器r3一端与电压检测单元的输出端连接，另一端与运算放大器u3的负极连接，所述电阻r4的两端分别与运算放大器u3的负极和输出端连接，运算放大器u3的正极与高压供电电源的低压负极连接；所述电阻r5的一端与运算放大器u3的输出端连接，另一端与电容c2一端连接，所述电容c2的另一端与运算放大器u4的负极连接，所述电阻r6的一端与电容c2一端连接，另一端与运算放大器u4的正极连接；所述电容c3的一端与电阻r5一端连接，另一端与运算放大器u4的输出端连接，所述电阻r7的两端分别与与运算放大器u4的负极与输出端连接；所述运算放大器u4的输出端分别与电阻r8和电阻r9的一端相连，所述电阻r8的另一端与电力信号输出端连接，所述电阻r9的另一端与高压供电电源的低压负极连接，所述运算放大器u4的输出端输出电压信号。6.一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其特征在于：包括pc/控制系统、驱动器、数据采集模块、精密电压源、感知模块、伺服电机、力传感器、介电弹性体驱动器、锚定点、鲍登线以及套管；所述pc/控制系统与数据采集模块进行连接，数据采集模块引出导线分别与驱动器、力传感器、精密电压源和感知模块相连接；所述感知模块包括如权利要求1-5任一所述的用于检测介电弹性体电容的电路；所述驱动器用于控制伺服电机；力传感器一侧通过鲍登线与伺服电机相连，另一侧通
过鲍登线与介电弹性体驱动器相连，精密电压源和感知模块均与鲍登线中的导线相连接，介电弹性体驱动器与锚定点固定。7.根据权利要求6所述的一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其特征在于：所述鲍登线由内向外依次包括正极导线层、第一绝缘层、负极导线层、第二绝缘层和编织套管。8.根据权利要求7所述的一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其特征在于：所述伺服电机的输出轴连接卷筒，力传感器一侧的鲍登线卷绕在卷筒上。9.根据权利要求6所述的一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其特征在于：所述介电弹性体驱动器为圆柱形介电弹性体驱动器；所述数据采集模块为数据采集卡daq。10.一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统的补偿方法，其特征在于：1)通过pc/控制系统对伺服电机进行控制，使其给外骨骼套管内的鲍登线一定的拉力；2)通过力传感器对鲍登线收到的拉力进行实时测量；3)鲍登线的拉力传递到介电弹性体驱动器，使得介电弹性体驱动器产生变形，通过感知模块对pc/控制系统发出感知信号；4)由pc/控制系统对数据进行分析，将感知信号与伺服电机控制信号进行对比后可得到鲍登线在套管内摩擦所损耗的拉力；5)pc/控制系统通过精密电压源给介电弹性体驱动器施加控制信号，使介电弹性体驱动器进行伸长后达到电机控制信号的初始拉力，实现快速力补偿。

技术总结
本发明涉及一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统及方法，该系统包括PC/控制系统、驱动器、数据采集卡、精密电压源、感知模块、伺服电机、力传感器、介电弹性体驱动器、锚定点、鲍登线以及套管；所述PC/控制系统与数据采集卡进行连接，数据采集卡引出导线分别与驱动器、力传感器、精密电压源和感知模块相连接；所述驱动器用于控制伺服电机；力传感器一侧通过鲍登线与伺服电机相连，另一侧通过鲍登线与介电弹性体驱动器相连，精密电压源和感知模块均与鲍登线中的导线相连接，介电弹性体驱动器与锚定点固定。本发明提出一种末端直驱力补偿的介电弹性体-绳牵引传力系统，其在传统鲍登线传动系统中可实现力的精确控制。鲍登线传动系统中可实现力的精确控制。鲍登线传动系统中可实现力的精确控制。


技术研发人员：高兴 曹崇景 熊璟 薛嘉盛
受保护的技术使用者：深圳先进技术研究院
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/8/13