一种力反馈装置和机器人的制作方法 专利技术说明

五金工具产品及配附件制造技术1.本技术涉及电子技术领域，尤其涉及一种力反馈装置和机器人。背景技术：2.多足机器人系统中，通常在机器人的足端设置弹性气腔，通过弹性气腔形变产生的气压变化测量力矩，以得到足端反馈力；或使用六维力/力矩传感器，将六维力/力矩传感器安装在机器人的脚掌与踝关节之间和/或机械手与腕关节之间，以测量末端执行器(机械手或者脚掌)与外界环境交互的受力情况。然而，上述两种结构采集的受力值均存在较大误差。技术实现要素：3.本技术实施例期望提供一种力反馈装置和机器人，能够提高机器执行部件的端部的受力测量精度。4.本技术的技术方案是这样实现的：5.本技术提供一种力反馈装置，装置包括：端体，设置于机器执行部件的端部；至少一个接触件，其接触面用于接受外力；至少一个压感电阻，端体设置有凹槽，接触件固定在凹槽的侧表面，压感电阻固定在接触件的接触面的相对面；压感电阻，用于感应接触件的接触面因接受外力而发生的形变，从而发生阻值变化；力反馈电路，与压感电阻电性连接，用于响应压感电阻的阻值变化，产生相应的电信号给处理器，以便处理器基于电信号确定接触件的受力值，从而基于受力值控制机器执行部件执行相应动作。6.如此，由于压感电阻直接固定在接触件的接触面的相对面，因此当接触件与接触物发生接触时，压感电阻能够更为灵敏地随着接触件的形变而发生阻值变化，从而提高机器执行部件的端部的受力测量精度。处理器可以根据机器执行部件的端部的受力测量结果，确定接触物的硬度和材质，从而提高机器对环境的运动自主适应性。7.本技术还提供一种力反馈装置，装置包括：端体，设置于机器执行部件的端部；至少一个接触件，其接触面用于接受外力；至少一个压感电阻，设置在接触件的接触面的相对面，且固定在端体的外表面；压感电阻，用于感应接触件的接触面接受的外力而发生阻值变化；力反馈电路，与压感电阻电性连接，用于响应压感电阻的阻值变化，产生相应的电信号给处理器，以便处理器基于电信号确定接触件的受力值，从而基于受力值控制机器执行部件执行相应动作。8.本技术提供一种机器人，机器人包括如本技术提供的力反馈装置。附图说明9.图1为本技术实施例提供的一种力反馈装置的结构示意图；10.图2为本技术实施例提供的一种力反馈装置的局部结构示意图；11.图3为本技术实施例提供的一种力反馈装置与处理器的连接结构示意图；12.图4为本技术实施例提供的一种电桥结构示意图；13.图5为本技术实施例提供的一种力反馈装置的结构示意图；14.图6为本技术实施例提供的一种力反馈装置的结构示意图；15.图7为本技术实施例提供的另一种力反馈装置的结构示意图；16.图8为本技术实施例提供的另一种力反馈装置的局部结构示意图。具体实施方式17.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。18.图1是本技术实施例提供的一种力反馈装置的结构示意图，图2是本技术实施例提供的一种力反馈装置的局部结构示意图，如图1和2所示，本技术提供的力反馈装置包括端体1、至少一个接触件12、至少一个压感电阻15和力反馈电路16；其中，19.端体1，设置于机器执行部件2的端部，端体1设置有凹槽11；20.至少一个接触件12，其接触面用于接受外力，接触件12固定在凹槽11的侧表面；21.至少一个压感电阻15，固定在接触件12的接触面的相对面；22.压感电阻15，用于感应接触件12的接触面因接受外力而发生的形变，从而发生阻值变化；23.力反馈电路16，与压感电阻15电性连接，用于响应压感电阻15的阻值变化，产生相应的电信号给处理器，以便处理器基于电信号确定接触件12的受力值，从而基于受力值控制机器执行部件2执行相应动作。24.可以理解地，当接触件12的接触面受到外力时，接触件12将会发生形变；随着接触件12的形变，压感电阻15的阻值将会发生变化，从而使得力反馈电路16输出相应的电信号，处理器在接收到力反馈电路16输出的电信号后，可以根据上述电信号确定接触件12的接触面的受力值，即受到的外力的大小；之后处理器可以根据受力值发出对应的指令，以控制机器执行部件2执行对应的动作。25.需要说明的是，每个机器执行部件2的执行端可以固定至少一个端体1，每个端体1上开设的凹槽11可以是一个或多个，当凹槽11为多个时，多个凹槽11可以在端体1均匀分布，或者非均匀分布，或者在端体1对称分布。其中，每个凹槽11的侧表面可以固定至少一个接触件12，每个接触件12的形状可以与对应的凹槽11相同，也可以不相同。在实际应用中，机器执行部件2根据处理器发出的指令，执行对应动作的过程中，若机器执行部件2的动作范围内存在障碍物，则随着上述动作的执行，固定在机器执行部件2的端体1上的接触件12可能会与上述障碍物发生接触；此时，接触件12的接触面将会接受到来自接触件12与障碍物接触而产生的外力，并发生形变，从而使得压感电阻15的阻值发生变化。26.本技术实施例中，示例性的，如图1和2所示，每个接触件12可以呈片状，且每个接触件12固定在凹槽11的侧表面，使得接触件12的接触面朝向端体1的外部，接触件12的接触面的相对面朝向端体1的内部。27.本技术实施例中，压感电阻15可以通过粘结剂粘贴在接触件12的接触面的相对面上，以实现压感电阻15与接触件12的接触面的相对面的固定；压感电阻15可以通过导线与力反馈电路16电性连接；其中，力反馈电路16可以由放大电路和与放大电路电性连接的电阻组成，并集成在电路板上。压感电阻15通过导线与电阻电性连接并形成电信号回路。这里电信号可以是电流或者电压。在实际应用中，当压感电阻15发生阻值变化时，力反馈电路16的总阻值将同时发生变化，从而改变力反馈电路16输出的电信号。28.需要说明的是，力反馈电路16可以通过无线网络与处理器建立通讯，也可以通过信号线与处理器连接。当力反馈电路16通过无线网络与处理器建立通讯时，力反馈电路16的输出端以及处理器的接收端可以电性连接无线通讯模块。在实际应用中，随着压感电阻15阻值的变化，力反馈电路16可以通过无线通讯模块与处理器进行数据交互。当力反馈电路16通过信号线与处理器连接时，若力反馈电路16位置在端体1的外部，则信号线可以贯穿凹槽11在端体1内部统一汇总至机器执行部件2与端体1的连接处，并接入处理器；若力反馈电路16固定在端体1的内部，则信号线之间的端体1内部统一汇总至机器执行部件2与端体1的连接处，并接入处理器。这里，处理器可以是集成电路(integrated circuit，ic)信号处理器，力反馈电路16输出电信号后，可以对电信号进行预处理，如模数转换、信号滤波、初步数字信号处理等；将电信号转换为对应的数字信号后，通过处理器的i/o接口将数字信号传输到处理器。之后处理器可以通过预设的软件系统算法，识别数字信号中对应的每个接触件的接触面受到的外力。此时，若端部呈球状，则处理器可以根据识别结果生成端部球面法向力矩阵，从而判断端部接触件的接触面可能接触到接触物的形状及硬度等。其中，对于电信号的预处理，可以通过惯性测量(inertial measurement unit，imu)处理器完成。29.本技术实施例中，示例性的，图3是本技术提供的一种力反馈装置与处理器的连接结构示意图，如图3所示，压感电阻15与力反馈电路16构成电桥后通过主板与处理器建立通讯；其中，力反馈电路16、主板和处理器之间通过信号线电性连接，主板可以是小板或者大板，且主板上可以设置电源，用于为力反馈电路16供电；而主板与处理器可以通过转接端口实现连接，即主板的输出端通过转接排线与转换端口电性连接，转换端口则通过信号线或无线通信模块与处理器实现数据交互。30.本技术实施例中，处理器可以设于机器内部，也可以设于机器外部；在实际应用中，力反馈电路16的输出端与处理器的输入端之间可以电性连接信号处理器，当力反馈电路16的输出端电连接有主板时，则上述信号处理器电性连接在主板与处理器之间。其中，信号处理器用于对力反馈电路16输出的电信号进行信号处理以得到待解析信号并发送至处理器；信号处理指利用数字信号处理方法对上述电信号进行处理；如模数转换、信号滤波等。处理器在接收到待解析信号后，将对待解析信号进行解析从而生成接触件12的接触面的受力矩阵，之后结合视觉识别，对向接触件12的接触面施加外力的物体，即接触物进行识别并得到识别结果。识别结果包括以下至少一种：材质、硬度和形状。最后，处理器可以根据识别结果，对机器的运动方式进行优化。示例性的，当机器为四足机器人时，处理器可以对四足机器人在不同地形运动过程中接触到接触物进行识别，并得到识别结果；之后根据识别结果优化上述四足机器人在相应地形的运动方式，其中，处理器可以通过根据识别结果建立训练模型，实现对四足机器人在相应地形的运动方式的优化。31.可以理解的是，本技术实施例中由于压感电阻15直接固定在接触件12的接触面的相对面，因此当接触件12与接触物发生接触时，压感电阻15能够更为灵敏地随着接触件12的形变而发生阻值变化，从而提高机器执行部件2的端部的受力测量精度。32.在本技术的一些实施例中，接触件12的接触面高于端体1的外表面的局部，或者，接触件12的接触面与端体1的外表面的局部齐平。33.需要说明的是，端体1的外表面的局部指端体1与凹槽11的侧表面相交的部分外表面；其中，部分外表面可以是端体1外表面和凹槽11的侧表面相交产生的交线，还可以是尺寸在预设范围内的区域。34.可以理解的是，接触件12的接触面与端体1的外表面的局部齐平时，则接触件12的接触面可以接触到外表面平整的接触物和外表面局部凸起的接触物；当接触件12的接触面高于端体1的外表面的局部时，还可以接触到的外表面局部凹陷的接触物；若接触件12的接触面低于端体1的外表面的局部，则接触件12与接触物接触时，可能会发生接触物无法探入凹槽11内与接触件进行接触，或在接触时，接触物与端体1的外表面局部发生抵触，导致接触物施加至接触件12的外力被减小。因此，当接触件12的接触面与端体1的外表面的局部齐平时，或者高于端体1的外表面的局部时，不仅可以扩大机器执行部件2的端部的受力测量范围，还可以提高机器执行部件2的端部的受力测量的精度。35.在本技术的一些实施例中，在接触件12的接触面与端体1的外表面的局部齐平的情况下，与接触面相交的接触件12的侧表面与相近的凹槽11的一侧表面之间具有空隙13，空隙13用于支持接触面因接受外力而其边沿能够向凹槽11的侧表面伸展，从而接触件12的形变不受阻碍。36.需要说明的是，上述空隙13可以是长条形，也可以是弧形；且每个接触件12的侧表面与相近的凹槽11的一侧表面之间的空隙13数量可以是一个或者多个；示例性的，如图1所示，每个接触件12的侧表面与相近的凹槽11的一侧表面之间具有2个空隙13，且空隙13呈弧形并与凹槽11内部的空间连通。37.在本技术的一些实施例中，若接触件12与凹槽11的外侧壁为一体连接，则可以通过切槽加工的方式得到凹槽11和空隙13。38.可以理解的是，在接触件12因为接触件12的接触面接受外力而发生形变时，空隙13可以为接触件12提供形变空间；从而减小凹槽11的侧表面对接触件12的侧表面的伸展造成的影响，保证接触件12的形变范围，减小对接触件12的形变程度的影响，从而提高压感电阻15的阻值的变化量的精确度，提高机器执行部件2的端部的受力测量的精度。39.在本技术的一些实施例中，端体1呈球状。40.需要说明的是，端体1还可以呈立方体、椭球体等；且端体1可以为实心结构，也可以为中空结构；其中，若端体1为实心结构，则接触件12的接触面的相对面与凹槽11的内底壁之间留有供接触件12形变的空间，适应性地，接触件12的接触面可以为曲面，也可以为平面；本技术实施例不作限定。41.在本技术的一些实施例中，示例性的，如图1所示，端体1呈球状，且端体1的内部可以中空设置，凹槽11可以是通槽，使得端体1的内部空间与端体1的外部空间连通，接触件12的接触面为曲面，且该曲面的弧度与端体1的外表面相同。其中，接触件12的接触面的相对面也可以为曲面，并端体1的外表面弧度相同。42.可以理解的是，端体1呈球状时，端体1的外表面为曲面，此时接触件12的接触面更易于与接触物发生接触，即提高该力反馈装置感知接触物的精确度，且采用球形设计，接触件12的接触面接受到的外力始终沿法线方向，从而可以获得法向力分力，提高机器执行部件2的端部的对接触物所在方向的测量测量精度。43.在本技术的一些实施例中，力反馈电路16与压感电阻15电性连接构成电桥，且压感电阻15为应变电阻。44.需要说明的是，力反馈电路16包括3个电阻，3个电阻的阻值均为固定值。压感电阻15与3个电阻电性连接组成一矩形，以实现与力反馈电路16的电性连接并构成电桥，该电桥可以对压感电阻15的阻值进行测量。另外，应变电阻，即为电阻应变片。应变电阻的形态可以为丝式或箔式等。在实际应用中，由于应变电阻的阻值与应变电阻的形态有关，如应变电阻为丝式时的长度、应变电阻为箔式时的横截面积，因此当接触件12受力变形时，应变电阻的形态将随着接触件12一起变化，进而发生电阻变化。45.在本技术的一些实施例中，示例性的，图4是本技术实施例提供的一种电桥结构示意图，如图4所示，电桥指惠斯通电桥，若力反馈电路16中的3个电阻分别为r1、r2和r3，应变电阻为rx时。r1、r2、r3和rx电性连接将组成四边形abcd；其中，r1、r2、r3和rx称为电桥的四个臂，对角a点和c点中的其中一个点接地，另一个点与电源电连接；对角d点和b点与处理器连接，用于向处理器发送对应的电压信号值，电压信号值可以通过式1-1计算得到，式1-1如下所示：[0046][0047]其中，vx为随着应变电阻阻值的变化，力反馈电路16发送至处理器的电压信号值，vcc为力反馈电路16的电源的电压值，δrx为应变电阻的变化量，rx为应变电阻的初始阻值，k为应变电阻的灵敏系数，ε为应变电阻的应变值。[0048]可以理解的是，电桥对电阻的阻值变化更加敏感，通过力反馈电路16与压感电阻15电性连接构成电桥，可以提高力反馈电路16对压感电阻15的阻值变化的灵敏度和精确度，从而可以提高机器执行部件2的端部的受力测量精度。[0049]在本技术的一些实施例中，图5是本技术实施例提供的一种力反馈装置的结构示意图，如图5所示，本技术实施例提供的力反馈装置还包括至少一个空接面板14，空接面板14的材料为不带电荷材料，至少一个空接面板14与接触件12的接触面的相对面形成不带电空间，压感电阻15在不带电空间内。[0050]需要说明的是，每个接触件12的接触面的相对面均可以固定至少一个空接面板14，至少一个空接面板14可以通过粘结剂与每个接触件12的接触面的相对面固定，当每个接触件12的接触面的相对面上固定的空接面板14为多个时，多个空接面板14也可以通过粘结剂与相邻的空接面板14固定。其中，空接面板14可以为内部中空设置的圆柱形、弧形或板状；且上述不带电空间可以为一个封闭空间，本技术实施例不作限定。[0051]可以理解的是，空接面板14可以对压感电阻15起到保护作用，保护压感电阻15不会在除接触件12的接触面接受的外力之外的外力影响下发生形变，且空接面板14与接触件12的接触面的相对面形成的不带电空间，减少压感电阻15与空接面板14之间的自由电荷，从而保护压感电阻15的阻值不会受到自由电荷的影响，以提高机器执行部件2的端部的受力测量精度。[0052]在本技术的一些实施例中，图6是本技术实施例提供的一种力反馈装置的结构示意图，如图6所示，本技术实施例提供的力反馈装置还包括保护套3，保护套3用于包裹端体1，保护套3的材料为柔性材料。[0053]需要说明的是，保护套3用于对端体1起保护作用，其中，保护套3与端体1的形状可以相同，如端体1呈球状，则保护套3为球状。另外，保护套3包裹在端体1外，可以使得保护套3的内表面与端体1的外表面贴合，并将接触件12包裹在保护套3内。其中，用于制作保护套3的柔性材料可以是橡胶。[0054]可以理解的是，保护套3可以避免端部被磨损，还可以避免接触件12的接触面与接触物直接接触，从而减少接触件12的损坏概率以及压感电阻15受到的除接触件12的接触面接受的外力干扰，从而提高机器执行部件2的端部的受力测量精度。[0055]图7和图8是本技术实施例提供的另一种力反馈装置的结构示意图，其中，图7、图8未示出力反馈电路；如图7、8所示，本技术提供的力反馈装置包括：[0056]端体1，设置于机器执行部件2的端部；[0057]至少一个接触件12，其接触面用于接受外力；[0058]至少一个压感电阻15，设置在接触件12的接触面的相对面，且固定在端体1的外表面；[0059]压感电阻15，用于感应接触件12的接触面接受的外力而发生阻值变化；[0060]力反馈电路16，与压感电阻15电性连接，用于响应压感电阻15的阻值变化，产生相应的电信号给处理器，以便处理器基于电信号确定接触件12的受力值，从而基于受力值控制机器执行部件2执行相应动作。[0061]本技术实施例中，如图8所示，压感电阻15设置在接触件12的接触面的相对面，且固定在端体1的外表面，即压感电阻15设于接触件12的接触面的相对面与端体1的外表面之间。在实际应用中，当接触件12的接触面受到外力时，接触件12将会发生形变，同时向端体1的外表面伸展并向压感电阻15施加压力，压感电阻15感应到来自接触件12的压力时将会发生阻值的变化，从而影响力反馈电路16输出的电信号，处理器在接收到力反馈电路16输出的电信号后，可以根据上述电信号确定接触件12的接触面的受力值，即受到的外力的大小；最后处理器可以根据受力值发出对应的指令，以控制机器执行部件2执行对应的动作。[0062]可以理解的是，本技术实施例中利用压感电阻15响应于接触件12与接触物发生接触时，接触件12因为接触件12的接触面受到的外力而向压感电阻15方向发生形变从而对压感电阻15施加压力而产生的阻值变化，改变力反馈电路16输出的电信号，通过电信号向处理器直接反馈力的大小，提高机器执行部件2的端部的受力测量精度，从而达到提高处理器对接触面与接触物接触时的力的测量结果的精确度的目的；且处理器还可以根据测量结果，确定接触物的硬度和材质，从而提高机器对环境的运动自主适应性。[0063]本技术实施例中，压感电阻15为力敏电阻。[0064]需要说明的是，力敏电阻能够将机械力转换为电信号，即力敏电阻可以的阻值可以随接受的外力大小而改变。[0065]可以理解的是，力敏电阻的阻值可以接触件12因为形变而施加至力敏电阻的压力而进行改变，这样可以提高力反馈装置反馈至处理器的电信号的精确度，并提高力反馈装置对接触物接受的外力的敏感度。[0066]本技术实施例还提供一种机器人，机器人包括如本技术提供的力反馈装置。[0067]可以理解的是，上述机器人的运动过程中不同地形接触到的接触物进行精确的感知和测量；根据测量结果，还可以确定接触物的硬度和材质，从而提高机器人对环境的运动自主适应性。[0068]应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”或“一些实施例”或“另一些实施例”或“例如”或“又如”等等意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本技术的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”或“在一些实施例中”或“例如”或“又如”等等未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本技术的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。上文对各个实施例的描述倾向于强调各个实施例之间的不同之处，其相同或相似之处可以互相参考，为了简洁，本文不再赘述。[0069]本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如对象a和/或对象b，可以表示：单独存在对象a，同时存在对象a和对象b，单独存在对象b这三种情况。[0070]需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。[0071]在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，多个模块或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。[0072]本技术所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。[0073]本技术所提供的几个设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的设备实施例。[0074]以上，仅为本技术的实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。









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