CN111993446A - 基于磁场的柔性触觉传感器 - Google Patents

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周全
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Abstract

本发明公开了一种基于磁场的柔性触觉传感器，该传感器包括带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层，并采用层状叠加或层状包裹的方式组装一起。当带磁柔性层不承受压力时，带磁柔性层中的钕铁硼磁铁粉在霍尔传感阵列层产生一定的磁场分布，当带磁柔性层承受均匀或不均匀压力时，带磁柔性层相应位置发生形变，钕铁硼磁铁粉发生位移，在霍尔传感阵列层产生新的磁场分布，霍尔传感阵列层能够感受到磁场分布的磁信号，并转变为电信号进行输出，输出信号随带磁柔性层所受到的压力分布变化而变化，信号处理电路层结合机器学习模型可以得到触觉信息。

Description

基于磁场的柔性触觉传感器
技术领域
本发明涉及触觉传感器领域，具体是一种基于磁场的柔性触觉传感器，通过磁场分布的变化获得触摸接触面的压力分布、表面形状和表面特性等触觉信息。
背景技术
近些年来，智能机器人领域发展迅猛，触觉传感器是机器人不可或缺的一种传感器。通过触觉反馈能够优化机械臂的抓取过程，例如能够获取压力分布信息，或者具有识别表面的功能。
然而，目前空间分辨率较高的触觉传感器通常工艺复杂，成本较高，而工艺简单的触觉传感器空间分辨率较低。
发明内容
本发明的目的是为了解决的技术问题是，提供一种基于磁场的柔性触觉传感器，结构简单且空间分辨率高。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于磁场的柔性触觉传感器，包括带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层，霍尔传感阵列层位于带磁柔性层和信号处理电路层之间，霍尔传感阵列层与带磁柔性层具有磁感应，霍尔传感阵列层与信号处理电路层电性连接；带磁柔性层用于根据受到的外部接触压力产生对应的磁场分布；霍尔传感阵列层用于将从带磁柔性层感应到的磁信号转变为电信号并传给信号处理电路层；信号处理电路层包含一机器学习模型，用于处理所述电信号并生成触觉信息。
进一步地，带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层采用层状叠加或层状包裹的方式组装一起；其中，层状叠加是指带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层为平面层叠加；层状包裹是指层状叠加是指带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层为圆柱面层，采用同心的方式一层层包裹，带磁柔性层位于最外层。
进一步地，带磁柔性层中带有固定于带磁柔性层上的钕铁硼磁铁粉，且磁化方向一致。
进一步地，霍尔传感阵列层含有阵列化的多个霍尔传感器，能测量空间多点的磁场大小。
进一步地，带磁柔性层的厚度为0.5mm～2mm。
进一步地，钕铁硼磁铁粉的尺寸为(20～100)μm×(20～100)μm×(20～100)μm，钕铁硼磁铁粉的总体积占带磁柔性层体积的10％～15％。
进一步地，钕铁硼磁铁粉的磁化强度为(0.9～1.032)×106A/m。
进一步地，霍尔传感器的芯片型号采用AS5510-DWLT，并采用I2C总线输出。
进一步地，信号处理电路层使用单片机或专用芯片控制霍尔传感阵列层并进行信号处理。
进一步地，机器学习模型为已经预先训练好的模型，可以直接用来处理电信号。
进一步地，触觉信息包括压力分布、表面形状特征数据。
本发明的有益效果在于，当带磁柔性层不承受压力时，带磁柔性层中的钕铁硼磁铁粉在霍尔传感阵列层产生一定的磁场分布，当带磁柔性层承受均匀或不均匀压力时，带磁柔性层相应位置发生形变，钕铁硼磁铁粉发生位移，在霍尔传感阵列层产生新的磁场分布，即霍尔传感阵列层输出信号随带磁柔性层所受到的压力分布变化而变化，结合预先训练好的机器学习模型可以获得触摸接触面的压力分布、表面形状特性等触觉信息。本发明结构、工艺简单，具有较高的空间分辨率与灵敏度，可以根据具体需求调整带磁柔性层的力学参数，磁粉数量、半径与分布，霍尔传感芯片的数量与排列方式。
附图说明
图1为本发明的层次叠加结构示意图；
图2为本发明的层状包裹结构示意图；
图3为本发明中的带磁柔性层钕铁硼磁铁粉分布方式示意图；
图4为本发明中的霍尔传感器排列方式示意图。
图5为实施例中的不同压强下的磁场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步描述。
图1所示为一种层状叠加的基于磁场的柔性触觉传感器，包含带磁柔性层1，霍尔传感阵列层2和信号处理电路层3，霍尔传感阵列层2位于带磁柔性层1和信号处理电路层3之间，带磁柔性层1、霍尔传感阵列层2和信号处理电路层3为平面层叠加。
图2所示为一种层状包裹的基于磁场的柔性触觉传感器，其带磁柔性层1、霍尔传感阵列层2和信号处理电路层3为圆柱面层，采用同心的方式一层层包裹，带磁柔性层1位于最外层。
图3所示为带磁柔性层1中的钕铁硼磁铁粉5分布方式，大量钕铁硼磁铁粉5随机分布于带磁柔性层1中，磁化方向一致垂直于带磁柔性层1，能够根据外部施加的接触压力产生位移，从而改变磁场分布。
图4所示为霍尔传感阵列层2以5×5阵列排列，能够感应带磁柔性层1的磁场分布，并将感应到的磁信号转变为电信号，然后传输给信号处理电路层3，再由信号处理电路层3的机器学习模型处理生成触觉信息。采用AS5510-DWLT，并采用I2C总线输出。
工作原理是：当带磁柔性层1不承受压力时，带磁柔性层1中的钕铁硼磁铁粉5在霍尔传感阵列层2处产生一定的磁场分布。当带磁柔性层1承受均匀或不均匀压力时，带磁柔性层1相应位置发生形变，钕铁硼磁铁粉5发生位移，在霍尔传感阵列层2处产生新的磁场分布。霍尔传感阵列层2能够感受到磁场分布的磁信号，并转变为电信号进行输出，可见其输出信号随带磁柔性层1所受到的压力分布变化而变化。信号处理电路层3接收电信号，并结合机器学习模型可以测量带磁柔性层1所受压力分布，以及区分不同的表面类型。信号处理电路层3采用单片机或专用芯片的方式控制霍尔传感阵列层2并进行信号处理。
以下列举一应用实例，以图1所示的层状叠加的基于磁场的柔性触觉传感器为实施对象，具体说明如下：
本传感器的参数如下：
带磁柔性层尺寸：10mm×10mm×1mm；
带磁柔性层的柔性薄膜杨氏模量：1Mpa；
钕铁硼磁铁磁粉尺寸：50μm×50μm×50μm；
钕铁硼磁铁磁粉数量：100000；
钕铁硼磁铁磁化强度：M＝1.032×106A/m；
霍尔传感器数量：5×5；
霍尔传感器芯片型号：AS5510-DWLT，I2C总线，1.4mm×1.1mm。
当施以不同大小的均匀压力时，传感器的响应如图5所示，(a)(b)(c)(d)分别代表了本触觉传感器在不受压力、0.1Mpa、0.2Mpa与1Mpa压强下，霍尔传感阵列所测得的磁感应强度分布图(单位mT)，图中每一个网格大小是2mm×2mm，故触觉传感器的分辨率为2mm×2mm。
从图5中可以看出：(1)当传感器不受压力或受均匀压力时，磁场分布呈周围大，中间小的分布特点；(2)随着压力的增大，整体上磁场强度逐渐增大(有些网格会出现减小的情况，但不影响判断)。(3)压强从0到1MPa的变化过程中，四角上的磁感应强度增加约10～15mT，故灵敏度约为10～15mT/MPa。
由上述实施例可知，本发明结构、工艺简单，具有较高的空间分辨率与灵敏度，可以根据具体需求调整带磁柔性层的力学参数，磁铁粉数量、半径与分布，霍尔传感芯片的数量与排列方式。
最后需要强调的是，以上仅是本发明的较佳应用实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上应用实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，包括带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层，霍尔传感阵列层位于带磁柔性层和信号处理电路层之间，霍尔传感阵列层与带磁柔性层具有磁感应，霍尔传感阵列层与信号处理电路层电性连接；带磁柔性层用于根据受到的外部接触压力产生对应的磁场分布；霍尔传感阵列层用于将从带磁柔性层感应到的磁信号转变为电信号并传给信号处理电路层；信号处理电路层包含一机器学习模型，用于处理所述电信号并生成触觉信息。
2.如权利要求1所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层采用层状叠加或层状包裹的方式组装一起；其中，层状叠加是指带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层为平面层叠加；层状包裹是指层状叠加是指带磁柔性层、霍尔传感阵列层和信号处理电路层为圆柱面层，采用同心的方式一层层包裹，带磁柔性层位于最外层。
3.如权利要求1所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，带磁柔性层中带有固定于带磁柔性层上的钕铁硼磁铁粉，钕铁硼磁铁粉的磁化方向一致。
4.如权利要求3所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，钕铁硼磁铁粉的尺寸为(20～100)μm×(20～100)μm×(20～100)μm，钕铁硼磁铁粉的总体积占带磁柔性层体积的10％～15％。
5.如权利要求3所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，钕铁硼磁铁粉的磁化强度为(0.9～1.032)×106A/m。
6.如权利要求1所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，带磁柔性层的厚度为0.5mm～2mm。
7.如权利要求1所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，霍尔传感阵列层含有阵列化的多个霍尔传感器。
8.如权利要求7所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，霍尔传感器的芯片型号采用AS5510-DWLT，并采用I2C总线输出。
9.如权利要求1所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，信号处理电路层使用单片机或芯片控制霍尔传感阵列层并进行信号处理。
10.如权利要求1所述的一种基于磁场的柔性触觉传感器，其特征在于，触觉信息包括压力分布、表面形状特征数据。
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