CN106017746B - 基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
基于铁磁微丝的人工汗毛‑皮肤传感器及其应用，本发明属于传感器领域，它要解决现有应用于机器人领域的人工皮肤传感器普遍结构复杂,可探测的应力范围狭窄,而且在实际的使用过程极易损坏的问题。该人工汗毛‑皮肤传感器包括多根铁磁微丝、两个线圈、基质和电路板，多根铁磁微丝分别平行间隔排列形成两个铁磁微丝阵列，第一铁磁微丝阵列的一端与第二铁磁微丝阵列的一端相互交叉排布，在两个铁磁微丝阵列的另一端上分别缠绕有线圈，在相互交叉排布的铁磁微丝的下部垫有基质，凸起的交叉自由端以下的两个铁磁微丝阵列以及两个线圈包覆在基质中。本发明基于铁磁微丝的人工汗毛‑皮肤传感器的结构简单，可实现高灵敏度、超大量程的应力检测。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种人工皮肤传感器以及在接触感应中的应用。
背景技术
人工皮肤传感器在机器人领域中有许多实际应用，机器手抓取物体时需要较为灵敏并且响应快的传感器来控制机械手的行为，目前各种应用于机械手的传感器普遍灵敏度很高，可以实现超高的灵敏度，但是其结构复杂并且脆弱，在机械臂实际应用的环境中，应力范围的跨度很大，传感器较低的应力工作范围会限制机械臂的实际应用效果。现有的应用于机械臂的传感器基本上都是基于电阻变化或者电容变化，都是基于电信号与外力信号之间的转换，电信号的传播需要导电介质，当传感器受到破损时，电信号的传播会受到阻碍，传感器就会失效并无法正常工作，频繁的更换传感器会影响机械臂实际的工作效率，所以需要一种耐用、不易损坏并且在损坏后可以轻易修复的人工皮肤传感器。
对于汗毛传感器和人工皮肤传感器，前期有大量的研究成果。
2014年，Matthew在《先进材料》上发表文章，他利用碳纳米管制备了一种汗毛传感器，可以对风速进行灵敏的测试，但是其测试范围有限，只能测试气体的流速。
2015年，斯坦福大学的工程师在《科学》杂志上发表文章，研制出了一种塑料“皮肤”，它能够检测出被施加了多大的压力，并产生一种电信号来将这种感官输入信号直接传递给大脑细胞，但其测试范围较窄。
2016年，美国康奈尔大学的研究人员在《科学》杂志上报告说，他们模仿可拉伸与变色的章鱼皮肤，研制出了这种人造皮肤。整体器材制作采用了3D打印等技术，所需成本较低。选用了高强度易拉伸的材料，它可单向拉伸延展至近6倍于其原始长度，并且拉伸不影响其发光性能，但是其对于外力的测试敏感度较低。
现有的对于汗毛传感器和人工皮肤传感器的研究，都是单独基于汗毛传感器或者基于人工皮肤传感器，可以实现高灵敏度，但不能实现高灵敏度到大量程应力探测范围的过渡。
发明内容
本发明的目的是要解决现有应用于机器人领域的人工皮肤传感器普遍结构复杂,可探测的应力范围狭窄,而且在实际的使用过程极易损坏的问题，而提供一种基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器及其应用。
本发明基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器包括多根铁磁微丝、两个线圈、基质和电路板，多根铁磁微丝分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列和第二铁磁微丝阵列，第一铁磁微丝阵列的一端与第二铁磁微丝阵列的一端相互交叉排布，在第一铁磁微丝阵列的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端，在第二铁磁微丝阵列的另一端上缠绕有线圈作为检测端，激发端和检测端固定在电路板上，在相互交叉排布的铁磁微丝的下部垫有基质形成凸起的交叉自由端，凸起的交叉自由端以下的第一铁磁微丝阵列和第二铁磁微丝阵列以及激发端和检测端包覆在基质中。
本发明基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器作为接触感应元件应用作为智能机器人的人工皮肤传感器。
本发明基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器可广泛应用于机器人领域，作为机械手的传感器，实现机器手抓取或者操作的控制，应用潜力巨大。
本发明基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，同时包括汗毛传感器和皮肤传感器，发挥基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器和皮肤传感器的协同作用，可以实现高灵敏度、超大量程的应力检测，并且其量程可以通过简单的改变传感器结构而灵活调节。
本发明基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器与现有技术相比，其优越性体现在：
1、提出一种基于人体汗毛、皮肤结构的人工皮肤传感器的设计制造方法，成本低廉，结构简单。
2、本发明的测试机理与以往的人工皮肤传感器有本质上的区别，其原理为利用磁场在铁磁微丝内部的传播，铁磁微丝自由端搭接的面积随着外界压力的施加会实时变化，从而使检测到的磁场信号也随着外力大小实时变化，灵敏度和稳定性高，具有更强的适用性和推广性。
3、本发明所制备的人工皮肤传感器，其感应部分类似于人体的皮肤和汗毛，汗毛负责高灵敏度应力的检测，皮肤部分负责大量程应力的检测，并且皮肤部分可以承受较大的应力冲击，起到保护作用，但是与其他利用仿生结构的传感器的原理不同，该传感器结构不过分依赖传感单元的力学性能，并且测试量程能够灵活调节。
附图说明
图1为本发明基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器的结构示意图；
图2为基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器中凸起的交叉自由端检测电压随外界压力变化曲线图；
图3为基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器中包覆在基质中的铁磁微丝检测电压随外界压力变化曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器包括多根铁磁微丝10、两个线圈、基质11和电路板13，多根铁磁微丝10分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列14和第二铁磁微丝阵列15，第一铁磁微丝阵列14的一端与第二铁磁微丝阵列15的一端相互交叉排布，在第一铁磁微丝阵列14的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端12-1，在第二铁磁微丝阵列15的另一端上缠绕有线圈作为检测端12-2，激发端12-1和检测端12-2固定在电路板13上，在相互交叉排布的铁磁微丝10的下部垫有基质11形成凸起的交叉自由端1，凸起的交叉自由端1以下的第一铁磁微丝阵列14和第二铁磁微丝阵列15以及激发端12-1和检测端12-2包覆在基质11中。
本实施方式第一铁磁微丝阵列和第二铁磁微丝阵列交叉部分的铁磁微丝可以彼此紧密排列，也可以彼此间隔排列。
本实施方式基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器由汗毛传感器和皮肤传感器组成，所述的汗毛传感器是基于铁磁微丝的柔性汗毛传感器，即凸起的交叉自由端1。所述的皮肤传感器包含两列导电纤维、基质、两个线圈，其中导电纤维、线圈为包含物，包含在基质中，线圈以一定匝数缠绕在导电纤维上，一个线圈作为信号激发端，另一个线圈作为信号检测端。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述铁磁微丝10的长度为5～20mm。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述铁磁微丝10的直径为10μm～100μm。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是所述的基质11材料为硅胶或高分子材料。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是高分子材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是所述的铁磁微丝10为软磁合金丝或硬磁合金丝。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述的硬磁合金为铁钴钼硬磁合金、铁钴钨硬磁合金或铁钴硅硼铁磁合金。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述的软磁合金为硅钢、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金或铁硅软磁合金。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是所述的两个线圈为铜漆包线。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是激发端12-1和检测端12-2的线圈自由端连接有电极。
本实施方式电极固定在电路板上。
实施例：本实施例基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器包括多根铁磁微丝10、两个线圈、硅胶基质11和电路板13，每7根铁磁微丝10分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列14和第二铁磁微丝阵列15，第一铁磁微丝阵列14的一端与第二铁磁微丝阵列15的一端相互交叉排布，在第一铁磁微丝阵列14的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端12-1，在第二铁磁微丝阵列15的另一端上缠绕有线圈作为检测端12-2，激发端12-1和检测端12-2固定在电路板13上，在相互交叉排布的铁磁微丝10的下部垫有硅胶基质11并使第一铁磁微丝阵列14的自由端和第二铁磁微丝阵列15的自由端形成凸起的交叉自由端1，凸起的交叉自由端1以下的第一铁磁微丝阵列14和第二铁磁微丝阵列15以及激发端12-1和检测端12-2包覆在硅胶基质11中。
本实施例的铁磁微丝的长度为20mm，铁磁微丝的金属芯采用铁钴钨硬磁合金。铁磁微丝阵列中各铁磁微丝的间距为1mm。此铁磁微丝商购自西班牙TAMAG公司。该基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器可探测的应力量程的范围为0.15mN～25N。
本实施例电路板上的四个电极负责传感器的激发和信号的导出，激发端接入信号发生器，信号发生器产生一个频率为20KHz的正弦信号，传入铁磁微丝传感器。检测端接入示波器，将检测到的信号以可视的方式显现出来。
本实施例当物体接近传感器时，会首先接触汗毛传感器的铁磁微丝，在外力的作用下，铁磁微丝交叉阵列会向着重合的趋势移动，这就会加强两个交叉阵列之间的磁耦合作用，会使检测线圈检测到的信号增强，其信号强度随外力的变化趋势如图2所示。其中外力由一个精确步进电机来施加，步进电机前端接入压力传感器，来标定加载在传感器上的压力。
当物体进一步的接触到皮肤时，人工硅胶会产生变形，使交叉阵列的重合面积增加，会加强两个交叉阵列之间的磁耦合作用，使检测线圈检测到的信号进一步的增强，其信号强度随外力的变化趋势如图3所示。
Claims (10)
1.基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于该基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器包括多根铁磁微丝(10)、两个线圈、基质(11)和电路板(13)，多根铁磁微丝(10)分别平行间隔排列形成第一铁磁微丝阵列(14)和第二铁磁微丝阵列(15)，第一铁磁微丝阵列(14)的一端与第二铁磁微丝阵列(15)的一端相互交叉排布，第一铁磁微丝阵列(14)和第二铁磁微丝阵列(15)交叉部分的铁磁微丝(10)彼此紧密排列或彼此间隔排列，在第一铁磁微丝阵列(14)的另一端上缠绕有通有交流电信号的线圈作为激发端(12-1)，在第二铁磁微丝阵列(15)的另一端上缠绕有线圈作为检测端(12-2)，激发端(12-1)和检测端(12-2)固定在电路板(13)上，在相互交叉排布的铁磁微丝(10)的下部垫有基质(11)形成凸起的交叉自由端(1)，凸起的交叉自由端(1)以下的第一铁磁微丝阵列(14)和第二铁磁微丝阵列(15)以及激发端(12-1)和检测端(12-2)包覆在基质(11)中。
2.根据权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述铁磁微丝(10)的长度为5～20mm。
3.根据权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述铁磁微丝(10)的直径为10μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述的基质(11)材料为硅胶或高分子材料。
5.根据权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述的铁磁微丝(10)为软磁合金丝或硬磁合金丝。
6.根据权利要求5所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述的硬磁合金为铁钴钼硬磁合金、铁钴钨硬磁合金或铁钴硅硼铁磁合金。
7.根据权利要求5所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述的软磁合金为硅钢、镍铁软磁合金、铁钴软磁合金或铁硅软磁合金。
8.根据权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于所述的两个线圈为铜漆包线。
9.根据权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器，其特征在于激发端(12-1)和检测端(12-2)的线圈自由端连接有电极。
10.如权利要求1所述的基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器的应用，其特征在于该基于铁磁微丝的人工汗毛-皮肤传感器作为接触感应元件应用作为智能机器人的人工皮肤传感器。
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