CN111872958A

CN111872958A - 一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列

Info

Publication number: CN111872958A
Application number: CN202010722402.8A
Authority: CN
Inventors: 翁玲; 高绍阳; 王博文; 刘莎莎; 赵轩
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2020-11-03
Anticipated expiration: 2040-07-24
Also published as: CN111872958B

Abstract

本发明为一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列。所述的传感器阵列由9个传感单元以3×3形式排列在柔性印刷电路板上；所述的传感单元包括触头、铁镓丝、壳体、条形永磁体和霍尔元件；其中，壳体两侧各设置有一个堆栈，后部固定有霍尔元件；三条铁镓丝的一端从触头的下侧穿入其内，三条铁镓丝平行，均匀间隔分布；铁镓丝以倾斜角度15°～40°穿过壳体的上表面，另一端与霍尔元件接触；每个堆栈由2～4个条形永磁体罗列而成。本发明具有结构简单，体积小，响应速度快，稳定性好的优点，可以实现对力的精确测量。

Description

一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列

技术领域

本发明将磁致伸缩铁镓材料应用于智能机械手的传感器领域。产品是基于逆磁致伸缩效应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。

背景技术

随着机器人技术、识别和感知技术的快速发展，用于生产实践的机械手需要满足智能化的需求。首要目标是需要机械手能够通过抓取来感知物体的物理属性，并以此为依据实现精确抓取，触觉信息的获取是实现机械手智能抓取的重要前提。现有的触觉传感器可分为电容型、压阻型、压电型和光纤型。电容型、压阻型、压电型传感器大部分都是以夹层结构为基础，来填充不同的敏感材料(PVDF，PDMS，石墨烯等)或者是改变夹层的形状(金字塔形、柱形、球形等)实现感知，其中，电容式触觉传感器的体积微小，其输出电容较小，信噪比低，容易受到寄生电容的干扰。压阻式触觉传感器具有灵敏度高、制造工艺简单、价格低廉等优点，是目前应用最广泛的触觉传感器，但其测量分辨率不如电容式传感器。压电触觉传感器具有良好的动态性能，但其自供电结构使得传感器不能保持输出电压的稳定，静态性能较差。光纤触觉传感器主要以条带状结构为基础，利用电磁波导的几何变化与波的调制相耦合来实现感知，虽然精度高，但其制造过程复杂且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的为针对目前触觉传感器体积大且不具有柔性的问题，提供一种柔性磁致伸缩触觉传感器阵列。该阵列由6个或9个传感单元组成，每个传感单元采用3根磁致伸缩铁镓丝(成分为Fe₈₃Ga₁₇)作为传导部件，铁镓丝以悬臂梁结构的倾斜姿态一端固定在壳体中，另一端连接触头；此外，采用条形永磁体产生偏置磁场，采用霍尔元件检测铁镓丝受力形变而引起的磁感应强度的变化而产生输出信号。本发明具有结构简单，体积小，响应速度快，稳定性好的优点，可以实现对力的精确测量，当压力为3N时，输出电压达到71.58mV，灵敏度为23.86mV/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柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，所述的传感器阵列由6或9个传感单元，以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷电路板上；

所述的传感单元包括触头、铁镓丝、壳体、条形永磁体和霍尔元件；

其中，壳体两侧各放置一组永磁体，后部固定有霍尔元件；三条铁镓丝的一端从触头的下侧穿入其内，三条铁镓丝平行，间距均匀分布；铁镓丝以倾斜角度15°～30°穿过壳体的上表面，另一端与霍尔元件接触；每一组永磁体由2～4个条形永磁体堆叠而成；触头为圆台状，水平分布；

所述的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列中，6或9个传感单元以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷电路板上，每个传感单元的霍尔传感器的3个引脚插入柔性印刷电路板上对应的焊盘；传感单元之间，行间距为6～8mm；

所述的磁致伸缩触觉传感器阵列结构由硅胶封装，仅露出传感单元触头与引线端。

所述的电路板中，基板的顶端和底端各设置有一排引线端出线焊盘；焊盘的总数为传感单元的数量+4；顶端一排焊盘中，两侧的焊盘分别为电路板的副VCC端和电路板的主GND端；

底端的一盘焊盘中，两侧的焊盘分别为电路板的主VCC端和电路板的副GND端；

其余的焊盘分别和各个传感单元霍尔元件的SIGNAL端相连；

电路板上还设置有三排过孔，第一排为3个GND属性的过孔；其余两排为5个VCC属性的过孔；

每个传感单元的下部，各有一组端口，分别为焊盘VCC端、焊盘GND端、焊盘SIGNAL端，分别和传感单元中霍尔元件的3个引脚对应相连；各个传感单元的GND端依次串联，并由电路接至主GND焊盘；同理，各个传感单元的VCC端也是如此；传感单元的SIGNAL端通过电路直接与各个对应的SIGNAL焊盘连接。

所述的壳体的投影为拱形门状，材质为环氧树脂。

所述的条形永磁体的Y轴正方向为N极。

所述的铁镓丝的长度为8～12mm，直径为0.3～0.8mm。

所述的条形永磁体在高度方向上堆叠2～4个个永磁体。

所述的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列的长为46.5～50.0mm，宽为26.5～30.0mm，高度为2.5～2.8mm。

本发明的实质特点为：

基于逆磁致伸缩效应的触觉传感单元由壳体、铁镓丝、触头、条形永磁体和霍尔元件构成，能够对某一点位的压力实施精确测量；条形永磁体用于产生偏置磁场，在磁场作用下，铁镓丝内部形成一个初始磁化态。触头接触物体而产生压力时，在铁镓丝内部产生应力而引起铁镓丝可恢复性形变。铁镓丝内部磁畴发生相应变化，由于磁致伸缩逆效应，将压力转换为磁感应强度变化；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；9个传感单元集成在柔性印刷电路板上，并用硅胶软壳封装。将阵列装载至机械手指上用于抓取物体时检测各个抓取位置的压力大小，分析物体的性质。柔性的特性使得传感器阵列能够紧密贴合曲面物体，保证每个触点能够有效接触。

本发明的有益效果具体体现为：

1、以铁镓丝为核心部件做成触觉传感单元，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△U呈很好的对应关系如图7所示，当偏置磁场为2.56kA/m、压力为3N时，输出电压达71.58mV，灵敏度为23.86mV/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、使用柔性印刷电路板将多个传感单元以阵列集成在一起，并用硅胶软壳封装，实现了触觉传感器阵列的柔性化。柔性阵列装载至机械手上时，能够跟随机械手指的弯曲而弯曲，将多个指节用一个阵列连接，而不用分块放置阵列。这减少了线路出线，避免了因机械手指弯曲摆动导致线路接触不良的问题。

3、硅胶软壳和柔性电路板的共同作用使得机械手在抓取物体时，阵列的触点能够紧密的贴合具有曲面或者是复杂表面，进而有效地采集多个接触点的输出电压。通过分析输出电压的特征量来获得物体的物理信息，如物体刚度、凹凸性状、表面形状等。

4、该发明制造工艺简单；不需要复杂的信号处理电路；传感单元响应速度与恢复速度为11ms和10ms，快于人体皮肤的响应速度(30ms～50ms)；传感单元兼具静态力测试性能和动态力测试性能，动态频率在1Hz～4Hz情况下，动态灵敏度与静态灵敏度偏差最大为3.1％。

附图说明

图1是磁致伸缩传感单元结构图；

图2是磁致伸缩传感单元拆解示意图；

图3是磁致伸缩传感单元侧面图；

图4是柔性磁致伸缩触觉传感器阵列结构图；

图5是封装后的磁致伸缩触觉传感器阵列结构图；

图6是柔性印刷电路板电路图；

图7是传感单元在不同幅值的外力作用下的输出电压；

图8是柔性磁致伸缩触觉传感器阵列装载至机械手上后，抓取曲面物体时九个触点的输出电压；

具体实施方式

本实施例的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，该阵列由9个传感单元组成。该传感单元采用3根半径为0.25mm，长为8mm的磁致伸缩铁镓丝(成分为Fe₈₃Ga₁₇)作为传导部件，铁镓丝以倾斜姿态一端固定在壳体中，另一端连接触头。此外，采用条形永磁体产生偏置磁场，放置在壳体尾端的两侧，每侧放置四块条形永磁体，共八块。最后，采用霍尔元件检测铁镓丝受力形变而引起的磁感应强度的变化而产生输出信号。霍尔元件是固定在壳体的后侧，即铁镓丝的固定端一侧，放置在该位置是为了更好的检测磁感应强度变化，使传感器有更大的灵敏度。在本发明中，传感单元的传导部件是基于人体表皮毛发结构设计而成的倾斜悬臂梁结构。铁镓丝类似于皮肤表面弯曲的毛发，当该传感单元接触物体时，由于压力作用，引起铁镓丝发生形变，由于逆磁致伸缩效应，铁镓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。测试结果表明，压力为3N时，输出电压达到71.58mV，灵敏度为23.86mV/N。能够满足机械手的触觉力测量精度。将九个传感单元集成至特制的柔性印刷电路板上，传感单元的霍尔元件与电路板形成电气连接，构造成3×3柔性触觉传感器阵列。

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。

本发明所述的传感单元结构图如图1所示，由触头1、铁镓丝2、壳体3、条形永磁体4、霍尔元件5组成；

其中，壳体3两侧各设置有一个堆栈，后部固定有霍尔元件；三条铁镓丝的一端从触头1的下侧穿入其内，三条铁镓丝平行，均匀间隔分布；铁镓丝2以倾斜角度20°穿过壳体3的上表面，另一端与霍尔元件5接触；每个堆栈由4个条形永磁体罗列而成；触头1为圆台状，水平分布，材质为环氧树脂；

经实验表明，壳体后侧面处是霍尔元件感受磁感应强度变化最灵敏的位置；将磁通计探头平行在放置后侧面表面，测量条形永磁体在霍尔位置处产生的偏置磁场，数值为2.56kA/m。

所述的传感单元的拆解示意图如图2所示，壳体选择半圆柱与长方体(投影为拱形门状结构)构成的一体化中空结构，其材质为环氧树脂。一方面是为了增加传感单元固定在电路板上的稳定性，另一方面是为了配合柔性板弯。若使用单一长方体，棱角会影响柔性板的弯曲；触头选择圆形一方面是为了美观，另一方面是为了在接触物体时，表面压力尽量均匀；条形永磁体的Y轴正方向为N极。

所述传感单元的侧视图如图3所示，铁镓丝的长度为8mm，直径为0.5mm；壳体的长为7.4mm，宽为4.4mm，高度为2mm。壳体有三条贯穿壳体的上表面与后侧面的孔洞，用来固定铁镓丝。孔洞长度为2.67mm，直径为0.6mm，各孔洞中心距为1mm，两侧的孔洞圆心距离壳体边缘为1.2mm，后侧面孔洞圆心的高度为1.09mm；触头的厚度为1mm，直径为4.4mm，插在其中的铁镓丝长度为2.92mm，因此裸露在外的铁镓丝长度为2.41mm。经过实验测量，在铁镓丝可恢复的外力范围(3N以下)内，触头最大下降0.8mm，因此在可承受力范围内不会压到壳体上。

所述条形永磁体材质为钕铁硼，长为5mm，宽为1mm，高度为0.5mm，在高度方向上堆叠4个永磁体，形成与壳体等高的堆栈。

所述霍尔元件长为4mm，宽为3mm，厚度为1mm。

所述传感单元的向下投影面积为7.4mm×6.4mm，壳体高度为2mm，算及触头的高度，单元总高度为4mm。

所述的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列如图4所示，9个传感单元以3×3形式排列在柔性印刷电路板6上，电路板长为45mm，宽为25mm，厚度为1mm，电路板以聚酰亚胺为基本材料，将铜材料刻蚀在聚酰亚胺薄层上形成传输电信号的电路，然后再用聚酰亚胺薄层作为保护层将电路覆盖；7为相应的刻蚀电路，霍尔传感器的3个引脚插入对应的焊盘；在XC方向上，两排传感单元相距7.5mm；YC方向上，左右相邻的传感单元相距2mm；安装好传感器阵列的柔性电路板向内弯曲最大可弯折75°，满足机械手指关节的弯曲角度范围。

所述的封装后的磁致伸缩触觉传感器阵列结构图如图5所示，封装用的外壳材质硅胶，来模拟人体皮肤；硅胶软壳总体积为46.5mm×26.5mm×2.8mm，硅胶软壳内可容纳的体积为45.5mm×25.5mm×2.3mm，将整个阵列包裹住，仅露出传感单元触头与引线端。

所述的柔性印刷电路板电路图如图6所示，U1-U9代表9个传感单元的所在位置；10-22为电路板引线端出线焊盘，10为电路板的主VCC端；11为U1的SIGNAL端；12为U2的SIGNAL端；13为U3的SIGNAL端；14为U4的SIGNAL端；15为U5的SIGNAL端；16为U6的SIGNAL端；17为电路板的副GND端；18为电路板的副VCC端；19为U7的SIGNAL端；20为U8的SIGNAL端；21为U9的SIGNAL端；22为电路板的主GND端；23为GND属性的过孔，与其电气连接的都是GND属性，过孔的存在是便于电路板线路排布；24为VCC属性的过孔，与其电气连接的都是VCC属性；U1～U9下方都有三个过孔，对应于与传感单元的3个引脚，以U7为例，其霍尔元件的3个引脚分别接入25号焊盘VCC端、26号焊盘GND端、27号焊盘SIGNAL端；设置主、副VCC端和主、副GND端原因是因为9个传感单元的VCC端、GND端是分别接在一起的，相对于各自的SIGNAL焊盘，这两种焊盘容易老化，若主端焊盘损坏可以更换至副端焊盘，增加电路板的使用寿命。

其余的焊盘分别和各个传感单元霍尔元件的SIGNAL端相连；

实施例1：长度8mm，直径0.5mm的铁镓丝在0～3N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单元的输入输出关系和灵敏度。

实验平台搭建：按照图2和图5所示，按照传感单元结构将部件安装并形成阵列，并将安装好的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列固定在实验台上；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；选取任意一个传感单元作为实验对象，分别用信号发生器、功率放大器和直线电机为传感单元提供已知静态力和动态力信号，直流稳压电源为霍尔元件提供初始电压，霍尔元件产生的输出电压信号由数据采集卡采集并传送至PC计算机显示。

实验过程与结果：将柔性磁致伸缩触觉传感器阵列的信号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柔性磁致伸缩触觉传感器阵列提供0-3N的力。压力施加装置通过传动杆按压触头1，引起铁镓丝2形变。条形永磁体4提供偏置磁场，在2.56kA/m的偏置磁场强度下，作为悬臂梁结构的铁稼丝2由于形变会导致其周围磁感应强度发生变化，霍尔元件5将该变化转为电压信号输出。传感单元在不同幅值的外力作用下的输出电压如图7所示，图7表示实验结果与模型计算结果基本重合。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3N时，输出电压达到71.58mV，灵敏度为23.86mV/N，高于现有的商用石英压力传感器灵敏度(约为16mV/N)，性能稳定优良。

本发明涉及的软件或协议均为公知技术。

实施例2：将柔性磁致伸缩触觉传感器阵列装载至可控轨迹二指机械手指(COHAND201，武汉库伯特科技有限公司)上，通过软件控制机械手抓取表面带有等腰三角形的曲面圆柱形物体，采集九个触点的输出电压大小。本实验目的是研究传感器阵列在机械手抓取时的工作性能。

实验平台搭建：由可控轨迹二指机械手，直流稳压电源，数据采集卡，PC计算机构成；将带有硅胶软壳的磁致伸缩触觉传感器阵列安装在机械手指凹槽内，调整至合适位置；由PC端控制机械手的抓握过程；抓握曲面带有三角形的圆柱。

实验过程与结果：设置机械手合适的抓取位置与抓取速度，使得机械手在抓取圆柱的过程中，柔性传感器阵列的所有触点全部接触圆柱曲面，九个触点的输出电压如图8所示。图8的输出电压结果反映了与物体接触点压力的大小，也反映出了曲面物体的表面形状。

通过以上内容可以看到，本发明为柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，该阵列由9个传感单元、柔性印刷电路板、硅胶外壳组成。传感单元的核心部件为磁致伸缩铁镓合金丝，磁致伸缩材料可将应力信息转化为磁感应强度变化信息，即逆磁致伸缩效应。再通过霍尔元件转化为电压信息。该传感单元完成了力-磁-电的转化，将应力信息转化为电压信息。以磁致伸缩合金材料作为传导部件的传感器是以磁场为依托传递信息，耗能极低，能够兼具静态、动态测量，不需要信号处理电路，造价低，相比目前商用触觉传感器有很大优势。9个传感单元形成的传感器阵列使得机械手采集的抓取力信息量大大增加。柔性印刷电路板使得传感器阵列在机械手抓取带有曲面的物体时，所有的触点能够紧密地贴合物体以至于能够采集有效地应力信息。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims

1.一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，所述的传感器阵列由6或9个传感单元，以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷电路板上；

所述的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列中，传感单元以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷电路板上，每个传感单元的霍尔传感器的3个引脚插入柔性印刷电路板上对应的焊盘；传感单元之间，行间距为6～8mm；

2.如权利要求1所述的用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的电路板中，基板的顶端和底端各设置有一排引线端出线焊盘；焊盘的总数为传感单元的数量+4；顶端一排焊盘中，两侧的焊盘分别为电路板的副VCC端和电路板的主GND端；

其余的焊盘分别和各个传感单元霍尔元件的SIGNAL端相连；

电路板上还设置有三排过孔，第一排为3个GND属性的过孔，其余两排为5个VCC属性的过孔；

3.如权利要求1所述的用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的壳体的投影为拱形门状，材质为环氧树脂。

4.如权利要求1所述的用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的条形永磁体的Y轴正方向为N极。

5.如权利要求1所述的用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的铁镓丝的长度为8～12mm，直径为0.3～0.8mm。

6.如权利要求1所述的用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述地条形永磁体在高度方向上堆叠2～4个永磁体。

7.如权利要求1所述的用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，其特征为所述的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列的长为46.5～50.0mm，宽为26.5～30.0mm，高度为2.5～2.8mm。