CN106225961A - 一种用于机器人的触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于机器人的触觉传感器，该传感器的主体部分包括传感器外壳、橡胶触头、固定器、传动棒、检测线圈、FeGa材料、弹簧、左永磁体、右永磁体、导磁体；其中，橡胶触头呈半球形，固定在传感器外壳上表面的右侧；传动棒上端嵌在橡胶触头内部，下端竖直依次穿过固定器、传感器外壳，与FeGa材料相连；FeGa材料的左端固定在传感器外壳的左端内壁上，右端的上表面与传动棒和弹簧上端相连，中部套有检测线圈；传感器外壳内底铺设有导磁体，导磁体的左端和右端分别固定有左永磁体和右永磁体，两个永磁体的极头交错放置。本发明能够满足机器人手指对触觉力测量的精度。
Description
技术领域
本发明将磁致伸缩FeGa材料应用于触觉传感器领域，设计了一种基于FeGa材料的新型磁致伸缩触觉传感器，可应用于机器人手指，实现对触觉力的精确感知。该触觉传感器的核心部分为压力传送装置、磁场调节装置、FeGa材料和信号测量装置。其特点是结构简单、精度高、适应性强和寿命长。
技术背景
随着现代信息技术的发展，触觉传感器的应用范围日益广泛。特别是智能机器人的快速发展，需要实现对触觉力的精确感知。在触觉力测量方面，利用不同的原理实现的压力传感器种类繁多，如电阻应变式压力传感器、压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电感式压力传感器，电容式压力传感器等。虽然这些压力传感器有一部分已经应用于机器人触觉力测量，但是他们的缺点也是相当明显。其中，电阻应变式压力传感器虽然价格低廉，因其精度达不到要求，无法满足机器人对触觉力的精确感知；压阻式压力传感器具有结构简单、可微型化等特点，但受外界环境影响大，线性度较差且制作工艺复杂；压电式压力传感器是应用最广泛的一类传感器，能适应恶劣环境且精度高，但对温度比较敏感，且一旦损坏维修比较困难；电感式压力传感器虽然精度较高，但需要额外的转换电路。可见以上几种传感器都存在一定的不足，在机器人手指对触觉力测量过程存在较多问题。
发明内容：
本发明的目的为针对现有触觉传感器存在的问题，为了实现机器人对触觉的精确测量，设计了一种新型磁致伸缩式触觉传感器。该触觉传感器采用新型磁致伸缩FeGa材料作为核心部件；采用弹性较好的硅橡胶和“工”型传动棒作为外力传送装置，可将压力时时传送给FeGa材料；为了使FeGa材料主体部分工作在均匀的偏置磁场中，提高检测信号的质量，采用双永磁体“回”型磁场调节结构，这种结构可以使FeGa材料轴向磁场更加均匀；采用矩形线圈检测输出信号，矩形线圈与FeGa材料间留有气隙，在传感器工作时线圈保持相对静止，以提高测量精度；采用弹簧和铝片衬底对FeGa材料进行有效保护。本发明装置中，将FeGa材料做成类悬臂梁结构，利用磁致伸缩逆效应，将输入的压力信号转换为电压信号输出，完成了信号转换，实现了对力的精确测量。测试结果表明，能够满足机器人手指对触觉力测量的精度。
本发明的技术方案是：
一种用于机器人的触觉传感器，该传感器的主体部分包括传感器外壳、橡胶触头、固定器、传动棒、检测线圈、FeGa材料、弹簧、左永磁体、右永磁体、导磁体；
其中，橡胶触头呈半球形，固定在传感器外壳上表面的右侧；传动棒上端嵌在橡胶触头内部，下端竖直依次穿过固定器、传感器外壳与FeGa材料相连，固定器也镶嵌在橡胶触头内，并固定在传感器外壳上；FeGa材料为长条状，其左端水平固定在传感器外壳的左端内壁上，并由上铝片衬底和下铝片衬底夹持；FeGa材料的右端的上表面与传动棒下端固连；FeGa材料的右端的下表面与弹簧上端相连；FeGa材料的中部套有检测线圈；传感器外壳内底铺设有导磁体，导磁体的左端和右端分别固定有左永磁体和右永磁体，左永磁体和右永磁体极头的极性相异；弹簧的下端垂直固定在导磁体上。
所述的检测线圈的组成包括线圈骨架、线圈和导线；线圈骨架套在FeGa材料中部，线圈缠绕在线圈骨架上，经导线引出与示波器相连；检测线圈的宽度与传感器外壳内部的宽度匹配，并由传感器外壳的前、后壁夹持固定；FeGa材料不与检测线圈接触，距离线圈骨架的上下边2-3mm，左右边0.3-0.6mm。
所述的传动棒呈“工”型，由三个圆柱体固连而成，上下端水平，中间的圆柱体垂直，均为铜质。
所述的线圈绕线为直径0.15mm的漆包铜导线，分四层紧密绕制，共绕制600匝。
所述的传感器外壳为铝合金材料，整体呈矩形壳体结构；所述的导磁体为硅钢片。
所述FeGa材料组成为Fe83Ga17，左永磁体和右永磁体均为N35型的钕铁硼材料。
本发明的实质性特点为：
该触觉传感器由外壳、压力传送装置、磁场调节装置、FeGa材料、信号测量装置和保护装置六部分构成，能够在不同偏置磁场条件下对压力进行精确测量。传感器外壳由不导磁的铝合金材料构成，用于固定和保护内部元件；由橡胶触头和传动棒组成的压力传送装置，将外力时时传送给FeGa材料；在一定偏置磁场作用下，FeGa材料内部磁畴发生变化，由磁致伸缩逆效应将压力信号转换为电压信号；信号检测装置采用线圈检测方式，成本低廉且方便绕制，固定的矩形线圈能对电压信号进行精确测量；铝片衬底和弹簧组成的保护装置很好地保护了FeGa材料，并能使外力撤销后FeGa材料恢复原位置，提高了重复性和使用寿命。
本发明的有益效果具体体现为：
1、采用新型磁致伸缩FeGa材料做成类悬臂梁结构。FeGa材料具有磁致伸缩系数适中、饱和磁场低、逆磁致伸缩效应明显、磁导率高等特点，如图3所示。与其他磁致伸缩材料相比(例如超磁致伸缩材料Terfenol-D)FeGa材料机械性能突出，能够承受更大的应力和转矩，从而提高了力的测量范围。
2、利用FeGa材料较为明显的磁致伸缩逆效应，将难以测量的压力信号转变为容易测量的电压信号，实现对压力的精确测量。在不同偏置磁场下压力幅值F0与输出电压V峰值呈很好的线性关系如实施例1中的图4所示，当偏置磁场为4.8kA/m、压力幅值为6N时，输出电压峰值达16mV，如实施例3中的图6所示。实验结果表明，该传感器能够满足机器人对触觉力的测量精度。
3、本发明对压力传送装置进行创新性设计，用具有弹性的硅橡胶模拟手指的触感，将传动棒设计为“工”型，一端欠在橡胶触头内，一端与FeGa材料相连，可以实现力的精准传递。
4、本发明利用双永磁体施加偏置磁场，下方导磁体和上方FeGa材料形成“回”型通路，改善了FeGa材料轴向方向磁场的均匀性。
5、检测线圈为矩形结构，以铝片作为线圈骨架，矩形线圈与铁镓材料间留有气隙，在传感器工作时线圈保持相对静止，提高了测量精度。
附图说明
图1磁致伸缩触觉传感器结构剖面图。其中，1-传感器外壳、2-橡胶触头、3-固定器、4-传动棒、5-上铝片衬底、6-下铝片衬底、7-检测线圈、8-FeGa材料、9-弹簧、10-左永磁体、11-右永磁体、12-导磁体。
图2检测装置结构示意图。8-FeGa材料、13-线圈骨架、14-线圈、15-导线。
图3所用FeGa材料静态λ-H曲线。
图4不同偏置磁场下压力幅值F0与输出电压V峰值的关系。
图5施加不同压力时偏置磁场H与输出电压峰值V的关系。
图6偏置磁场定为4.8kA/m、施加不同的压力下输出电压u(t)与时间t的关系曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详述。本实施例仅为对本发明的具体说明，不视为对保护范围的限定。
图1为磁致伸缩触觉传感器结构剖面图。
该传感器的主体部分包括传感器外壳1、橡胶触头2、固定器3、传动棒4、检测线圈7、FeGa材料8、弹簧9、左永磁体10、右永磁体11、导磁体12；
其中，橡胶触头2呈半球形，固定在传感器外壳1上表面的右侧；传动棒4上端嵌在橡胶触头2内部，下端竖直依次穿过固定器3、传感器外壳1，与FeGa材料8相连，固定器3也镶嵌在橡胶触头2内，并固定在传感器外壳1上；FeGa材料8的左端水平固定在传感器外壳1的左端内壁上，并由上铝片衬底5和下铝片衬底6夹持；FeGa材料8的右端的上表面与传动棒4下端固连；FeGa材料8的右端的下表面与弹簧9上端相连；FeGa材料8的中部套有检测线圈7；传感器外壳1内底铺设有导磁体12，导磁体12的左端和右端分别固定有左永磁体10和右永磁体11，左永磁体10和右永磁体11极头的极性相异；弹簧9的下端也垂直固定在导磁体12上；
所述的检测线圈7的组成包括线圈骨架13、线圈14和导线15；线圈骨架13套在FeGa材料8中部，线圈14缠绕在线圈骨架13上，经导线15引出与示波器相连；检测线圈7的宽度与传感器外壳内部的宽度匹配，并由传感器外壳1的前、后壁夹持固定；FeGa材料8不与检测线圈7接触，距离线圈骨架13的上下边2.5mm，左右边0.5mm；
所述的传动棒4呈“工”型，由三个圆柱体固连而成，上下端水平，中间的圆柱体垂直；
所述的橡胶触头2由硅橡胶制成，呈半球形，球半径6mm，固定在传感器外壳上，具有很好的弹性和恢复性；传动棒4呈“工”型，由三个圆柱体组成，材质均为铜质，上端圆柱半径2mm，高1mm，中间圆柱半径1mm，高10mm，下端圆柱半径3mm，高1mm，上端嵌在橡胶触头内部，下端依次穿过固定器3、传感器外壳1与FeGa材料8相连，其作用是将外力传送给FeGa材料；FeGa材料8水平固定在外壳1的左端竖板，距离上端顶部4mm，呈条状，长40mm，宽8mm，高1mm；检测线圈7套在FeGa材料8外侧，位于FeGa材料7.5mm至32.5mm处；检测线圈为矩形结构，长25mm，宽11mm，高8mm；弹簧9在FeGa材料8右端与导磁体12之间，弹簧丝直径为0.5mm，线圈数为5圈，自然长度为10mm，弹性系数0.1N/mm；左永磁体10，右永磁体11分别位于导磁体12两端，永磁体采用性能牌号为N35型的钕铁硼材料，形状为圆柱体，半径2.5mm，高2.5mm；导磁体12位于传感器低部，为矩形硅钢片结构，长50mm，宽10mm，高2mm；两永磁体极头极性相异放置，与导磁体12、FeGa材料8形成“回”型磁路，为FeGa材料提供稳定、均匀的偏置磁场；
所述FeGa材料组成为Fe83Ga17，是磁致伸缩触觉传感器的核心部件，放在检测线圈7内，两者之间留有气隙，FeGa材料呈条状，一端固定在传感器外壳上，另一端与压力传送装置相连。FeGa材料在偏置磁场80kA/m、温度150℃条件下热处理30min，以增强其磁致伸缩系数；
所述传感器外壳1为铝合金材料，为矩形壳体结构，长55mm，宽14mm，高20mm，上下壁与前后壁厚度相同为1.5mm，左右壁略厚为2mm，以支撑、固定悬臂梁；
所述的信号检测线圈7的结构如图2所示，由线圈骨架13、线圈14和导线15组成。线圈骨架为矩形，由厚度为0.5mm的铝片制作而成，检测线圈总体长25mm，宽11mm，高8mm，由线径0.15mm的漆包铜导线分四层绕制，总共绕制600圈。检测线圈7由外壳前后壁夹持固定，FeGa材料8中部穿过线圈骨架13，线圈与FeGa材料不直接接触，中间留有气隙，FeGa材料距离线圈骨架上下边2.5mm，左右边0.5mm，保证FeGa材料上下震动时不碰触线圈；
图3为触觉传感器所用FeGa材料的静态λ-H曲线。如图3所示，FeGa材料的饱和磁致伸缩系数约220ppm，表明具有较好的逆磁致伸缩特性；具有较低的饱和磁场，在磁场为12kA/m时磁致伸缩系数已经达到饱和状态；在不饱和区域，具有很好的线性段，表明由FeGa材料制作的器件具有较好的线性关系和较高的精度。
实施例1：不同偏置磁场下压力幅值F0与输出电压V峰值关系测试。本实施例主要目的是研究传感器输入输出关系，并讨论偏置磁场对输入输出关系的影响。
实验平台搭建：按照图1所示传感器结构安装各部件，将传感器固定在试验台上。压力施加装置选用DC-300-3型震动试验系统，示波器选用DPO 3014型数字示波器。
实验过程与结果：对传感器橡胶触头施加外力为F(t)＝F0sinωt，模拟机器人手臂以一定的频率抓取物体，对悬臂梁压力传感器施加频率一定的压力(f＝2.5Hz)。外力直接作用于弹性触头上，通过压力传送装置将压力传送至FeGa材料自由端。改变震动试验系统参数可以改变外力的幅值F0和频率f，通过磁场调节装置可改变偏置磁场H。首先使偏置磁场保持不变，改变外力的幅值，由DPO 3014型数字示波器读取感应电压峰值。然后改变偏置磁场并重复以上操作，本实施例共有9组实验。将实验结果绘制成图，可得出不同偏置磁场H条件下的压力幅值F0与输出电压峰值V的关系，如图4所示。可见，施加的压力幅值F0与输出电压峰值V呈很好的线性关系。同时，偏置磁场对于传感器的输出电压峰值具有重要影响，当偏置磁场为4.8kA/m时，不同压力下传感器输出电压峰值最大。
实施例2：不同压力下偏置磁场H与输出电压峰值V关系测试。本实施例主要目的是研究传感器输出与偏置磁场之间的关系，并讨论压力对输出与偏置磁场关系的影响。
实验平台搭建同实施例1。
实验过程与结果：对传感器橡胶触头施加的外力与实施例1相同，首先使外力的幅值保持不变，改变偏置磁场H，并由DPO 3014型数字示波器读取感应电压峰值。然后改变外力的幅值并重复以上操作，本实施例共有6组实验。将实验结果绘制成图，可得不同压力下偏置磁场H与输出电压峰值V的关系，如图5所示。可见，当偏置磁场从0增加到4.8kA/m，输出电压峰值随偏置磁场的增加快速增加；偏置磁场在4.8kA/m到16kA/m之间，输出电压峰值随偏置磁场的增加逐渐降低；当偏置磁场大于16kA/m，输出电压峰值随偏置磁场的增加缓慢降低。偏置磁场达4.8kA/m时，输出电压峰值达到最大值。当偏置磁场一定时，施加的压力增大，传感器的输出电压峰值增大。当偏置磁场达4.8kA/m、压力幅值为6N时，输出电压峰值为16mV。
实施例3：偏置磁场定为4.8kA/m、施加不同的压力下输出电压u(t)与时间t的关系测试实验。由实施例1和实施例2可知，当偏置磁场为4.8kA/m时，输出电压峰值取值最大，输出信号最明显，所以将偏置磁场定为4.8kA/m较为合适。
实验平台搭建同实施例1。
实验过程与结果：调节磁场调节装置将偏置磁场定为4.8kA/m，只改变外力的幅值，并由数字示波器读取输出电压，本实施例共有6组实验。在不同压力下输出电压u(t)与时间t的关系曲线如图6所示。输出电压u(t)与时间t的关系接近按正弦规律变化，符合机器人手抓取物体过程中压力的变化。当时间小于0.05秒时，施加的压力变化率处于增加阶段，此时，磁致伸缩材料的逆效应引起材料的磁感应强度B的变化率增加，因而输出电压随着时间的增加而增加。当时间处于0.05-0.1秒之间时，施加的压力变化率处于减小阶段，磁致伸缩材料的逆效应引起材料的磁感应强度B的变化率降低，使传感器的输出电压随着时间的增加而减小。随着施加压力的增加，传感器输出电压逐渐增加，输出电压u(t)与时间t的关系仍按正弦规律变化。
实验结果表明，本发明所述的触觉传感器在不同偏置磁场下，外力幅值F0与输出电压峰值V呈很好的线性关系，在偏置磁场为4.8KA/m时输出效果最好；偏置磁场定为4.8kA/m时，输出电压u(t)与时间t的关系接近按正弦规律变化，符合机器人手抓取物体过程中压力的变化。研制的触觉传感器具有结构简单、精度高、适应性强和寿命长等特点，可以满足机器人手指间对触觉力的测量。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (7)
1.一种用于机器人的触觉传感器，其特征为该传感器的主体部分包括传感器外壳、橡胶触头、固定器、传动棒、检测线圈、FeGa材料、弹簧、左永磁体、右永磁体、导磁体；
其中，橡胶触头呈半球形，固定在传感器外壳上表面的右侧；传动棒上端嵌在橡胶触头内部，下端竖直依次穿过固定器、传感器外壳，与FeGa材料相连，固定器也镶嵌在橡胶触头内，并固定在传感器外壳上；FeGa材料为长条状，其左端水平固定在传感器外壳的左端内壁上，并由上铝片衬底和下铝片衬底夹持；FeGa材料的右端的上表面与传动棒下端固连；FeGa材料的右端的下表面与弹簧上端相连；FeGa材料的中部套有检测线圈；传感器外壳内底铺设有导磁体，导磁体的左端和右端分别固定有左永磁体和右永磁体，左永磁体和右永磁体极头的极性相异；弹簧的下端也垂直固定在导磁体上。
2.如权利要求1所述的用于机器人的触觉传感器，其特征为所述的检测线圈的组成包括线圈骨架、线圈和导线；线圈骨架套在FeGa材料中部，线圈缠绕在线圈骨架上，经导线引出与示波器相连；检测线圈的宽度与传感器外壳内部的宽度匹配，并由传感器外壳的前、后壁夹持固定；FeGa材料距离线圈骨架的上下边2-3mm，左右边0.3-0.6mm。
3.如权利要求2所述的用于机器人的触觉传感器，其特征为FeGa材料距离线圈骨架的距离为上下边2.5mm，左右边0.5mm。
4.如权利要求1所述的用于机器人的触觉传感器，其特征为所述的传动棒呈“工”型，由三个圆柱体固连而成，上下端水平，中间的圆柱体垂直，均为铜质。
5.如权利要求1所述的用于机器人的触觉传感器，其特征为所述的线圈为绕线为直径0.15mm的漆包铜导线，分四层紧密绕制，共绕制600匝。
6.如权利要求1所述的用于机器人的触觉传感器，其特征为所述的传感器外壳为铝合金材料，整体呈矩形壳体结构；所述的导磁体为硅钢片。
7.如权利要求1所述的用于机器人的触觉传感器，其特征为所述的FeGa材料组成为Fe83Ga17，左永磁体和右永磁体均为N35型的钕铁硼材料。
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