CN109443606A - 一种用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列。该传感器阵列包括传感器阵列外壳、圆环形永磁体、圆柱底座、4个磁致伸缩传感单元；FeGa丝垂直分布，下端穿过外壳的底部，与外壳底部下面的霍尔元件接触；FeGa丝上端与水平的带触头的传动棒相连；所述的4个霍尔元件位于一个等腰梯形的四个顶点，所述的等腰梯形的下底位于外壳底部的靠近后壁处，等腰梯形的上底的两个顶点到下底中点的距离均等于下底长的一半；等腰梯形下底中点上，固定有圆柱形底座，圆柱形底座顶端固定有圆环形永磁体。本发明能够满足智能机械手对触觉力的测量精度。
Description
技术领域
本发明将磁致伸缩FeGa材料应用于智能机械手的传感器阵列领域，主要涉及基于FaGa丝状材料的新型磁致伸缩触觉传感器阵列，可应用于机械手指端，实现对触觉的精确感知。该触觉传感器阵列的核心部分为磁致伸缩丝状材料，并含有圆环形永磁体，带触头的传动棒，外壳，霍尔元件。其特点是结构简单，体积小，响应速度快，稳定性好。根据FeGa丝状材料体积小的优点，设计了多触点传感器阵列，并将其安装在智能机械手上。
技术背景
随着现代工业化的不断发展，智能机械手在工业中应用日益广泛，其中对智能机械手在抓取时的精度要求日渐提高。在触觉传感器方面，利用不同原理研制的传感器主要有压阻式触觉传感器、压电式触觉传感器和电容式触觉传感器。压阻式触觉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；压电式触觉传感器能适应恶劣环境，但对温度比较敏感，且一旦损坏维修比较困难；电容式触觉传感器可以组成阵列，但信号易受干扰，测试的量程偏小。可见以上触觉传感器或传感器阵列都存在一定的不足，如分辨率易受干扰、精度达不到要求，难于实用化等，不能满足智能机械手对触觉力的精确测量和辨识的要求。
发明内容：
本发明针对触觉传感器存在的测试精度低和难以制成传感器阵列的问题，为实现智能机械手对触觉力的精确测量和识别，设计了一种新型磁致伸缩触觉传感器阵列。该触觉传感器阵列采用四根磁致伸缩FeGa(成分为Fe81Ga19)丝作为核心部件，FeGa丝的一端固定在传感器阵列外壳的底部并与霍尔元件接触，另一端与带有触头的传动棒连接，四根FeGa丝位于一个截面为等腰梯形的四个顶点上，截面的四个顶点到永磁体的距离相等，使FeGa丝主体部分工作在均匀的偏置磁场中，提高检测信号的质量；此外，采用圆环形永磁体产生偏置磁场，其位于四根FeGa丝的中间位置，使四根FeGa丝的轴向磁场更加均匀；最后，采用霍尔元件检测输出信号，霍尔元件固定于底部外侧，并与FeGa丝的下端保持相对静止，可增加检测信号的灵敏度，提高了测量精度。在本发明装置中，将FeGa丝做成悬臂梁结构，当带触头的传动棒接受到外部压力时引起悬臂梁发生形变，由于逆磁致伸缩效应，FeGa丝的磁化状态会发生改变，使霍尔元件的输出电压发生变化，实现对力的精确测量。将传感器阵列安装在机械手上，测试结果表明，压力为2N时，输出电压达96mV，灵敏度为48mV/N，能够满足机械手的触觉力测量精度。
本发明的技术方案是：
一种用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，该传感器阵列包括传感器阵列外壳、圆环形永磁体、圆柱底座、4个磁致伸缩传感单元；
所述的磁致伸缩传感单元包括带触头的传动棒、FeGa丝和霍尔元件；其中，FeGa丝垂直分布，下端穿过外壳的底部，与外壳底部下面的霍尔元件接触；FeGa丝上端与水平分布的带触头的传动棒相连，带触头的传动棒垂直穿过外壳的前壁，触头位于外壳之外；
所述的4个磁致伸缩传感单元的带触头的传动棒相互平行，触头伸出外壳前壁的距离相等，触头表面到前壁表面的距离为2～3mm；
所述的磁致伸缩传感阵列中的霍尔元件在外壳底部外侧的分布为：所述的4个霍尔元件位于一个等腰梯形的四个顶点，所述的等腰梯形的下底位于外壳底部的靠近后壁处，等腰梯形的上底的两个顶点到下底中点的距离均等于下底长的一半；等腰梯形下底中点上，固定有圆柱底座，圆柱底座顶端固定有圆环形永磁体；
所述传感器阵列外壳为树脂材料，为矩形封闭壳体结构；
所述的磁致伸缩传感阵列中FeGa丝成分为Fe81Ga19；所述的带触头的传动棒由树脂制成，所述的圆环形永磁体的材质为Nd2Fe14B。
所述的带触头的传动棒的触头部分长为1mm，直径为3mm的圆柱；4个传动棒中位于中间的2个传动棒为长6.5mm，位于两侧的2个传动棒为长13mm，传动棒的直径均为2mm。
所述的圆环形永磁体内径为3mm，外径为7mm，厚度为2mm，材质为Nd2Fe14B。
所述的圆柱底座的高度为9mm，直径为3mm，材质为树脂材料。
霍尔元件长为4mm、宽为3mm、厚为1mm。
所述的外壳长18～22mm，宽13～17mm，高20～24mm；
所述的等腰梯形的上底为7～9mm，下底为14～17mm，高为6～8mm。
所述的传感器阵列外壳的顶部内侧还分布有4个平行的挡板，四个挡板的分布为：位于中间的2个传动棒中，每个传动棒的两侧各分布有一个挡板。
所述的4个挡板长11～15mm，宽1～2mm，高为2～4mm。
本发明的实质性特点为：
该磁致伸缩触觉传感器阵列由外壳、压力传送装置、圆环形永磁体、FeGa丝状材料和信号测量装置五部分构成，能够对不同部位的压力(四个点位压力)进行精确测量。传感器阵列外壳由不导磁的树脂材料构成，矩形壳体用于固定和保护内部元件，壳体的顶部内侧有4个挡板，用于防止FeGa丝向两侧偏移；压力传送装置由带有触头的传动棒构成，将外力实时传递给FeGa丝；圆环形永磁体用于产生偏置磁场，在磁场作用下，FeGa丝内部形成一个初始磁化态；在外加应力作用下，FeGa丝内部磁畴发生相应变化，由于磁致伸缩逆效应，将压力信号转换为电压信号；信号检测装置采用霍尔元件检测磁感应强度变化，并输出电压信号，采集卡采集电压信号并在计算机中显示。
本发明的有益效果具体体现为：
1、利用FeGa丝的磁致伸缩逆效应，将测量的压力信号成功转变为电压信号，实现对压力的精确测量。压力F与输出电压V呈很好的对应关系如实施例1中的图5所示，当偏置磁场为2.5kA/m、压力为2N时，输出电压达96mV，灵敏度为48mV/N。实验结果表明，该传感器能够满足智能机械手对触觉力的测量精度。
2、采用磁致伸缩FeGa丝做成触觉传感器阵列。该磁致伸缩触觉传感器阵列具有4个触头，构成4×1阵列，能够同时测试4个不同部位的触点压力。可以将触觉传感器阵列安装于智能机械手上，通过磁致伸缩传感器阵列的输出信号可以识别抓取物体的尺寸、形状和刚度等信息。
3、本发明利用圆环形永磁体施加偏置磁场，改善了FeGa丝轴向磁场的均匀性。
4、利用霍尔元件的磁电转化特性，将FeGa丝端部的磁场变化转化为电压信号的变化，在传感器阵列工作时，霍尔元件和FeGa丝下端保持相对静止，提高了测量精度。
附图说明
图1磁致伸缩传感器阵列结构图；
图2是磁致伸缩传感器阵列中的挡板结构图；
图3磁致伸缩传感器阵列的传感单元剖面图；
图4磁致伸缩传感器阵列中的霍尔元件在外壳1的底部外侧的分布；
图5长度16mm、直径0.8mm的FeGa丝制作的磁致伸缩传感器阵列的输出电压与施加力之间的关系曲线。
图6压力幅值为1N、频率为2Hz时磁致伸缩传感器阵列的输出电压与时间的关系曲线。
其中，1-传感器阵列外壳、2-带触头的传动棒、3-挡板、4-FeGa丝、5-圆环形永磁体、6-圆柱底座、7-霍尔元件。
具体实施方式
以下结合图对发明做进一步详述。本实施例仅为对发明的具体说明，不视为对保护范围的限定。
本发明所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列如图1所示，该传感器阵列的主体部分包括传感器阵列外壳1、圆环形永磁体5、圆柱底座6、4个磁致伸缩传感单元；
所述的磁致伸缩传感单元的结构如图3所示，包括带触头的传动棒2、FeGa丝4和霍尔元件7；其中，FeGa丝4垂直分布，下端穿过外壳1的底部，与外壳1底部下面的霍尔元件7接触；FeGa丝4上端与水平的带触头的传动棒2相连，带触头的传动棒2垂直穿过外壳1的前壁，触头位于外壳1之外；
所述的4个磁致伸缩传感单元的带触头的传动棒2相互平行，触头伸出外壳1前壁的距离相等，触头表面到前壁表面的距离均为3mm；
所述的磁致伸缩传感器阵列中的霍尔元件在外壳1的底部外侧的分布如图4所示，所述的4个霍尔元件位于一个等腰梯形的四个顶点，所述的等腰梯形的下底位于外壳底部的靠近后壁处，等腰梯形的上底的两个顶点到下底中点的距离均等于下底长的一半；等腰梯形下底中点上，固定有圆柱底座6，圆柱底座6顶端固定有圆环形永磁体5(位于壳体1的内部)；
所述传感器阵列外壳1为树脂材料，为矩形封闭壳体结构，长20mm，宽15mm，高22mm，顶部厚度为2mm，底部厚度为4mm，左壁厚度为1.4mm，右壁厚度为1.4mm，前壁厚度为1mm，后壁厚度为1mm，其中前壁可以拆卸以便于安装；
霍尔元件7长4mm、宽3mm、高1mm；霍尔元件固定在传感器阵列外壳的底部外侧，并与FeGa丝下端接触，保证在传感器阵列工作时能够准确测量磁感应强度的变化。
所述的磁致伸缩传感阵列中FeGa丝成分为Fe81Ga19，下端固定在传感器阵列的外壳底部，上端与带触头的传动棒相连；霍尔元件固定于FeGa丝下端，构成信号测量装置；圆环形永磁铁提供偏置磁场，与FeGa丝状材料形成“回”型通路。
其中，带触头的传动棒2由树脂制成，触头部分为长1mm，直径为3mm的实心圆柱。4个传动棒中位于中间的2个传动棒(图1)为长6.5mm，位于两侧的2个传动棒(图1)为长13mm，直径为2mm的实心圆柱。触头和传动棒为一体，均为树脂制成，传动棒通过2.5mm小孔穿过外壳前壁，此小孔中心距离外壳顶部外表面3.25mm，距离传动棒底部1mm处有直径0.9mm小孔，FeGa丝穿过此小孔，带触头的传动棒2将压力传递到FeGa丝4上。FeGa丝下端固定在传感器阵列外壳1底部，构成悬臂梁结构。
所述的传感器阵列外壳的顶部内侧有4个挡板，挡板的分布如图2所示，位于中间的2个传动棒中，每个传动棒的两侧各分布有一个挡板；4个挡板位于外壳的顶部内侧，平行排列，前端和后端分别与前壁和后壁接触，起到限位的作用，用于防止FeGa丝向两侧偏移；
所述的4个挡板到左壁水平方向中心距离分别为3.65mm，7.1mm，11.5mm，14.95mm，挡板长13mm，4个挡板中位于中间的2个宽1mm，位于两侧的2个宽1.5mm，高均为2mm。
所述FeGa丝是磁致伸缩触觉传感器阵列的核心部件，FeGa丝上端与带触头的传动棒固定，下端与传感器阵列的外壳底部固定，在底部外侧正对着霍尔元件的中心，并与霍尔元件接触，以便能实时准确检测压力。所用FeGa丝通过磁场热处理增强其磁致伸缩效应，提高了输出信号强度。
由于FeGa丝一端固定在传感器外壳底部并与霍尔元件接触，形成悬臂梁结构，另一端与带有触头的传动棒的远离触头端相连，接受外力作用。当带有触头的传动棒接受到外部压力会引起FeGa丝形变，由于逆磁致伸缩效应，FeGa丝状材料的磁感应强度发生改变，从而使霍尔元件的输出电压变化，实现对力的精确测量。所用的FeGa丝通过磁场热处理增强其磁致伸缩效应，并优化软磁性能，提高其输出信号强度及灵敏度。
所述的偏置磁场由一块圆环形永磁体提供。永磁体内径为3mm，外径为7mm，厚度为2mm。将永磁体固定在高度为9mm，直径为3mm的圆柱底座上。永磁体的材质为Nd2Fe14B。
实施例1：长度16mm，直径0.8mm的FeGa丝在0-2N范围内的施加力与输出电压之间的关系。本实施例主要目的是研究传感器阵列的输入输出关系、灵敏度和线性度。
实验平台搭建：按照图1所示传感器阵列结构安装各部件，并将安装好的传感器阵列固定在实验台上，分别用垂直压力施加装置和直线电机为传感器提供已知静态力和动态力信号，霍尔元件输出电压信号由DH-8303型数据采集卡采集并传送至计算机显示。
本发明涉及的软件或协议均为公知技术。
实验过程与结果：分别将传感器阵列的输出端连接到数据采集卡上，采集卡与计算机连接，通过计算机读取数据。采用压力施加装置为触觉传感器阵列提供0-2N的力。压力传送装置将压力传递到带有触头的传动棒，引起FeGa丝形变。圆环形永磁体提供偏置磁场H，在2.5kA/m的偏置磁场强度下，对于长度为16mm、直径0.8mm的FeGa丝制作的传感器阵列，输出电压与施加力之间的关系曲线如图5所示，图5表示实验结果与计算结果基本重合。结果表明传感器阵列的输出电压随着施加力F的增加而增加，当力增加到1N时，输出电压达到56mV，灵敏度为56mV/N；当力增加到2N时，输出电压达到96mV，灵敏度为48mV/N。
实施例2：采用直线电机施加一个动态的压力，模拟手抓取物体时的压力，测试磁致伸缩触觉传感器阵列的动态输出特性。实验平台由信号发生器，功率放大器，直线电机，直流稳压电源，数据采集卡和PC计算机组成。实验过程中，分别将传感器阵列的输出端连接到数据采集卡上，采集卡与计算机连接，通过计算机读取测试数据。将信号发生器，功率放大器和直线电机连接用于提供具有不同频率和幅值的正弦变化的力。直流稳压电源与霍尔元件连接为其提供稳定的电压。
在压力幅值为1N、频率为2Hz时得到的传感器阵列的输出电压与时间的关系如图6所示。输出电压与时间的关系为正弦波，在压力幅值为1N、频率为2Hz时，输出电压幅值为55mV。测试结果还表明，在压力幅值为2N、频率为4Hz时，输出电压幅值为95mV。实验结果证明磁致伸缩触觉传感器阵列在测量动态力时具有较高的测试精度，可以应用磁致伸缩触觉传感器阵列进行动态抓取物体的检测。
通过上面的内容可以看到，本发明的触觉传感器阵列采用四根磁致伸缩FeGa丝作为核心部件，FeGa丝的一端固定在传感器阵列外壳底部并与霍尔元件接触，另一端与带有触头的传动棒连接，四根FeGa丝位于一个截面为等腰梯形的四个顶点上，截面的四个顶点到永磁体的距离相等，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；此外，采用圆环形永磁体产生偏置磁场，其位于FeGa丝的中间位置，使四根FeGa丝的轴向磁场更加均匀；最后，采用霍尔元件检测输出信号，霍尔元件固定在传感器阵列外壳底部外侧与FeGa丝的下端接触，并与FeGa丝材料下端保持相对静止，可增加检测信号的灵敏度，提高了测量精度。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (9)
1.一种用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为该传感器阵列包括传感器阵列外壳、圆环形永磁体、圆柱底座、4个磁致伸缩传感单元；
所述的磁致伸缩传感单元包括带触头的传动棒、FeGa丝和霍尔元件；其中，FeGa丝垂直分布，下端穿过外壳的底部，与外壳底部下面的霍尔元件接触；FeGa丝上端与水平分布的带触头的传动棒相连，带触头的传动棒垂直穿过外壳的前壁，触头位于外壳之外；
所述的4个磁致伸缩传感单元的带触头的传动棒相互平行，触头伸出外壳前壁的距离相等，触头表面到前壁表面的距离为2~3mm；
所述的磁致伸缩传感阵列中的霍尔元件在外壳底部外侧的分布为：所述的4个霍尔元件位于一个等腰梯形的四个顶点，所述的等腰梯形的下底位于外壳底部的靠近后壁处，等腰梯形的上底的两个顶点到下底中点的距离均等于下底长的一半；等腰梯形下底中点上，固定有圆柱底座，圆柱底座顶端固定有圆环形永磁体。
2.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述传感器阵列外壳为树脂材料，为矩形封闭壳体结构。
3.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的磁致伸缩传感阵列中FeGa丝成分为Fe81Ga19；所述的带触头的传动棒由树脂制成。
4.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的圆环形永磁体的材质为Nd2Fe14B。
5.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的带触头的传动棒的触头部分长为1mm，直径为3mm的圆柱；4个传动棒中位于中间的2个传动棒为长6.5mm，位于两侧的2个传动棒为长13mm，传动棒的直径均为2mm。
6.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的圆环形永磁体内径为3mm，外径为7mm，厚度为2mm，材质为Nd2Fe14B；
所述的圆柱底座的高度为9mm，直径为3mm，材质为树脂材料；
所述的霍尔元件长为4mm、宽为3mm、厚为1mm。
7.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的外壳长18~22mm，宽13~17mm，高20~24mm；
所述的等腰梯形的上底为7~9mm，下底为14~17mm，高为6~8mm。
8.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的传感器阵列外壳的顶部内侧还分布有4个平行的挡板，四个挡板的分布为：位于中间的2个传动棒中，每个传动棒的两侧各分布有一个挡板。
9.如权利要求1所述的用于智能机械手的磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的4个挡板长11~15mm，宽1~2mm，高为2~4mm。
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