1.一种自感知自适应的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,该足掌装置包括:固定连接层、摩擦接触层、感知层、信息传输层和控制层;
所述固定连接层在足掌装置中起支撑作用,并与接摩擦接触层和控制层连接,内部嵌入感知层;
所述摩擦接触层在足掌装置中作用于被控对象,受控制层调控;
所述感知层用于感知足掌受力状态,向控制层输入感知到的信号;
所述信息传输层用于将感知层检测到的信号调制转换后传输至控制层;
所述控制层用于控制足掌装置运动,对摩擦接触层进行控制。
2.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述摩擦接触层包括:各向异性磁敏橡胶(901)和硅橡胶弹性体Ⅰ(9)。
3.根据权利要求2所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述固定连接层包括:足掌基体和固定结构;所述足掌基体包括:硅橡胶弹性体Ⅱ(908)、硅橡胶连接体(904);
所述固定结构包括:固定外壳(907)、连接销(906)和盖板Ⅱ(14);
所述硅橡胶弹性体Ⅱ(908)用于粘性连接硅橡胶连接体(904)和各向异性磁敏橡胶(901)或硅橡胶弹性体Ⅰ(9);硅橡胶连接体(904)中间有通孔,通过连接销(906)与固定外壳(907)连接,固定外壳(907)通过直角角码Ⅱ(15)与盖板Ⅱ(14)螺栓连接;硅橡胶连接体(904)与盖板Ⅱ(14)紧密贴在一起;橡胶连接体(904)中间通孔直径比连接销(906)直径大保证在足掌基体受到切向方向的摩擦力时,足掌基体在左右方向无摩擦略微移动。
4.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述感知层包括正压力圆柱体阵列传感部件和摩擦力圆柱体阵列传感部件;所述正压力圆柱体阵列传感部件由多个正压力圆柱体传感器(903)按阵列分布组成,用于感知足掌受到外界的正压力,所述摩擦力圆柱体阵列传感部件由多个摩擦力圆柱体传感器(902)按阵列分布组成,用于足掌受到外界感知摩擦力。
5.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述控制层包括:控制模块(21)、可控电源(22)和磁场发生装置;
所述磁场发生装置包括导线通孔Ⅰ(1)、铁芯(2)、固定柱(3)、励磁线圈(4)、上封盖(5)、直角角码Ⅰ(6)、亚克力垫板(8)、下底板(17)和励磁线圈封装盒(18);励磁线圈(4)由铜线绕固定柱(3)形成,连接可控电源(22);上封盖(5)与励磁线圈封装盒(18)利用直角角码Ⅰ(6)通过螺栓孔Ⅱ(19)进行螺栓连接;固定柱(3)、亚克力垫板(8)和下底板(17)通过螺栓孔Ⅰ(7)进行螺栓连接;
所述控制模块(21)分别与可控电源(22)和信息传输层的信号采集模块(20)连接。
6.根据权利要求5所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述控制模块(21)内部设有自适应控制算法,采用PID算法实现,具体包括:比较压力信号的输入值n(t)与设定值r(t),当输入值与设定值不相等时,得到控制偏差值:e(t)=r(t)‑n(t)
将偏差值e(t)经过比例、积分与微分处理后,并通过线性组合得到控制量u(t),控制规律的表达式为:
其中,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数;
将采样模拟信号离散化,转换为数字PID控制公式:其中,T为采样时间;
得到的控制量uk对可控电源(22)的输出电压进行控制,从而改变磁场发生装置中励磁线圈(4)的电流大小,进而使得磁敏橡胶足掌所处的空间磁场强度发生变化,磁敏橡胶足掌的摩擦力因此发生变化。
7.根据权利要求1所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述信息传输层包括:信号采集处模块(20)、电极和导线;所述电极镀在圆柱体阵列传感部件上、下表面,并与导线连接,所有上、下表面的导线分别汇总在一起,将圆柱体阵列传感部件的电阻信号传输至信号采集模块(20),信号采集模块(20)将电阻信号转换为电压信号,又将电压信号转换为压力信号并传输至控制层的控制模块(21)。
8.根据权利要求2所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,所述摩擦接触层的表面微观结构是平滑型、星点型或正弦波浪型。
9.根据权利要求1~8中任意一项所述的夹层式磁敏橡胶足掌装置,其特征在于,该足掌装置的制作方法具体包括:首先制备由圆柱体阵列传感部件构成的感知层;接着在感知层上下表面镀电极并通过导线连接信号采集模块(20)作为信息传输层;随后制备各向异性磁敏橡胶样品作为摩擦接触层,待各向异性磁敏橡胶基体接近完成固化时,将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物弹性体通过模具阵列放置在各向异性磁敏橡胶表面并导入PDMS混合液制备固定连接层的硅橡胶弹性体Ⅱ(908)、硅橡胶连接体(904),放入保温箱固化成型;以同样的方法将多壁碳纳米管硅橡胶聚合物连接在各向异性磁敏橡胶的左右两侧;将成型的硅橡胶连接体(904)通过销连接固定外壳,并通过螺帽固定;信息传输层将信号调制转换过后传输至控制层,控制层根据信号和设定的数值以及相应设定的控制算法进行控制励磁线圈(4)的电流。