CN112556729B - 一种主动式仿生触须传感器及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式仿生触须传感器及装置，涉及触须传感器技术领域，包括触须、轴承结构、上支撑盖、电磁铁安装座、电磁铁、摆锤和下支撑盖；上支撑盖的下端部与下支撑盖的上端部通过电磁铁安装座连接在一起；轴承结构嵌套在上支撑盖的上端部，电磁铁的一端安装在电磁铁安装座的底部，电磁铁的另一端悬空；摆锤位于电磁铁安装座之上，且触须的一端穿过轴承结构与摆锤的一端连接在一起，摆锤的另一端布置有多个永久磁铁。本发明通过电磁驱动仿生触须的方式实现物体尺寸、形状、方位、纹理与位置的主动式检测。

Description

一种主动式仿生触须传感器及装置

技术领域

本发明涉及触须传感器技术领域，特别是涉及一种主动式仿生触须传感器及装置。

背景技术

触须传感器是通过模拟老鼠、海狮等动物的触须工作原理，进行人工仿生制造的传感器，实现复杂环境中物体尺寸、形状、方位、纹理以及位置的检测。目前，已有的触须传感器主要有电阻式、电容式、电磁式、压电式(PZT)、光电式(Positionsensitivedetector，PSD)以及纳米摩擦发电机(TENG)的方式。传统的电阻式触须传感器体积可以做到很小，但是很难实现主动式的检测，限制了传感器的检测能力与应用；电容式触须传感器由于电容式的工作原理，极易受到周围环境的影响，输出的检测信号的稳定性较差；电磁式触须传感器可以实现较好信号的输出，同样很难实现主动式的检测，限制了传感器的检测能力与应用；压电式触须传感器借助本身的工作原理，可以在实现主动驱动触须的同时，实现位移的检测，并且该传感器可以高度集成，但是受到PZT小变形能力、电信号存在迟滞特性的影响，使压电式触须传感器多用来检测小变形、粗糙度的检测，很难模拟生物的真实检测行为；基于光电式的触须传感器目前研究处于被动的方式，且主要用于物体形状的检测；纳米摩擦发电机方式的触须传感器通过触须摆动过程中对周围材料的挤压，导致材料中电荷的重分布，形成电信号的输出，此传感器由于检测过程极易受到周围环境中电荷分布的影响(例如，人体中的静电)，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种主动式仿生触须传感器及装置，通过电磁驱动仿生触须的方式实现物体尺寸、形状、方位、纹理与位置的主动式检测。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种主动式仿生触须传感器，包括触须、轴承结构、上支撑盖、电磁铁安装座、电磁铁、摆锤和下支撑盖；

所述上支撑盖的下端部与所述下支撑盖的上端部通过电磁铁安装座连接在一起；所述轴承结构嵌套在所述上支撑盖的上端部，所述电磁铁的一端安装在所述电磁铁安装座的底部，所述电磁铁的另一端悬空；所述摆锤位于所述电磁铁安装座之上，且所述触须的一端穿过所述轴承结构与所述摆锤的一端连接在一起，所述摆锤的另一端上布置有多个永久磁铁。

可选的，所述轴承结构包括球轴承和球轴承座；所述球轴承的外表面上安装有导电弹性铜片，所述球轴承座的内表面上涂覆有碳电阻膜。

可选的，所述碳电阻膜的材料为碳硅脂。

可选的，所述电磁铁包括第一挡片、绕有电磁线圈的硅钢柱以及第二挡片；所述硅钢柱的一端与所述第一挡片连接，所述硅钢柱的另一端与所述第二挡片连接，且所述第一挡片还与所述电磁铁安装座的底部连接。

可选的，所述电磁铁包括中心电磁铁和边缘电磁铁；所述中心电磁铁安装在所述电磁铁安装座底部的中心处，所述边缘电磁铁按照圆形轨迹布置在所述电磁铁安装座的底部；所述圆形轨迹的圆心为所述电磁铁安装座的中心。

可选的，所述摆锤的另一端上开设有多个永久磁铁安装孔；所述永久磁铁安装孔的布设轨迹为圆形轨迹；所述圆形轨迹的圆心为所述摆锤的的另一端的中心。

可选的，每个所述永久磁铁安装孔均安装有永久磁铁，所述永久磁铁为永久铷磁铁。

一种主动式仿生触须传感装置，包括控制驱动器和主动式仿生触须传感器；所述主动式仿生触须传感器的轴承结构包括球轴承和球轴承座；

所述控制驱动器，与电磁铁连接，用于为电磁铁提供电流，并控制电流的大小与方向；

所述控制驱动器，分别与所述球轴承上的导电弹性铜片、所述球轴承座上的碳电阻膜连接，用于为导电弹性铜片和碳电阻膜通电，以使导电弹性铜片、碳电阻膜和控制驱动器形成通电电路。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种主动式仿生触须传感器及装置，通过电磁驱动仿生触须的方式实现物体尺寸、形状、方位、纹理与位置的主动式检测，解决传统触须传感器主动检测能力差、检测效率低、适用范围有限，以及被动检测方式下无法有效模拟生物真实检测行为，无法同时兼顾尺寸、形状、方位、纹理与位置检测的难题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明主动式仿生触须传感器的结构图；

图2为本发明电磁铁安装座的结构图；

图3为本发明球轴承角度检测原理示意图；

图4为本发明电路模型建模原理示意图。

符号说明：触须①、球轴承②、碳电阻膜③、导电弹性铜片④、球轴承座⑤、上支撑盖⑥、电磁铁安装座⑦、永久磁铁安装孔⑧、摆锤⑨、边缘电磁铁⑩、中心电磁铁

和下支撑盖

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种主动式仿生触须传感器及装置，通过电磁驱动仿生触须的方式实现物体尺寸、形状、方位、纹理与位置的主动式检测。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

真实小鼠是弱视，其通过触须可以实现自身位置的定位以及周围环境的检测。小鼠触须的工作原理为：在触须尖端触碰物体时，通过触须根部的力与位移检测的生物结构，实现环境信息的提取。在环境信息的提取过程中，触须是可以通过小鼠控制实现主动运动的，这极大的提高了触须的检测能力，小鼠在检测环境物体(例如老鼠洞口的大小，较窄的缝隙)的时候，就不用通过身体的移动来实现环境的检测，而是通过小鼠触须的转动和摆动实现周围环境物体的检测，用于确定自身是否能够安全通过，较大的提高了检测效率。

由上述分析可知，触须传感器需要具备的特征为：1.可实现触须主动式的检测；2.可实现大范围位移的检测。而目前以电阻式、电容式、电磁式以及TENG方式制备的触须传感器中，还未发现能够实现主动检测的传感器原型被设计和制造。以PZT形式的触须传感器可以实现主动形式的检测，但是可检测的位移较小。

基于现有传感器使用过程中存在的局限性，本发明提供了一种在实现主动检测形式的基础上，兼顾尺寸、形状、纹理、方位以及位置多种信息检测的仿生触须传感器，可用于实现老鼠、海狮等触须的仿生研究，以及推进触须传感器在仿生机器人中的应用。

实施例一

如图1所示，本实施例提供的一种主动式仿生触须传感器，包括触须①、轴承结构、上支撑盖⑥、电磁铁安装座⑦、电磁铁、摆锤⑨和下支撑盖

上支撑盖⑥的下端部与下支撑盖

的上端部通过电磁铁安装座⑦连接在一起；轴承结构嵌套在上支撑盖⑥的上端部，电磁铁的一端安装在电磁铁安装座⑦的底部，电磁铁的另一端悬空；摆锤⑨位于电磁铁安装座⑦之上，且触须①的一端穿过轴承结构与摆锤⑨的一端连接在一起，摆锤⑨的另一端上布置有多个永久磁铁。

作为一个优选的实施方式，本实施例的轴承结构包括球轴承②和球轴承座⑤。

球轴承②的外表面上安装有导电弹性铜片④，球轴承座⑤的内表面上涂覆有碳电阻膜③；球轴承②上有孔，触须①穿过球轴承②后用粘结剂与球轴承②粘结固定，球轴承②与球轴承座⑤构成轴承结构实现触须①绕球轴承②中心120°的摆动。其中，导电弹性铜片④以绕球轴承②的外表面一周的形式布置在球轴承②上。

为保证3D打印后的球轴承座⑤能够顺利实现与球轴承②的组装，将球轴承座⑤分成对称的两部分进行3D打印，然后通过上支撑盖⑥将球轴承座⑤两部分连接在一起。

作为一个优选的实施方式，本实施例的碳电阻膜③的材料为碳硅脂。

作为一个优选的实施方式，电磁铁包括第一挡片、绕有电磁线圈的硅钢柱以及第二挡片；硅钢柱的一端与第一挡片连接，硅钢柱的另一端与第二挡片连接，且第一挡片还与电磁铁安装座⑦的底部连接。

作为一个优选的实施方式，本实施例的电磁铁包括结构相同的中心电磁铁

和边缘电磁铁⑩；中心电磁铁

安装在电磁铁安装座⑦底部的中心处，边缘电磁铁⑩按照圆形轨迹布置在电磁铁安装座⑦的底部；圆形轨迹的圆心为电磁铁安装座⑦的中心。

如图2所示，A-I，每个位置均安装一个电磁铁。

作为一个优选的实施方式，本实施例的摆锤⑨的另一端上开设有多个永久磁铁安装孔⑧；永久磁铁安装孔⑧的布设轨迹为圆形轨迹；该圆形轨迹的圆心为摆锤⑨的中心。

作为一个优选的实施方式，本实施例的每个永久磁铁安装孔⑧均安装有永久磁铁，该永久磁铁为永久铷磁铁。将永久铷磁铁涂抹粘结剂后安装在永久磁铁安装孔⑧中，并将摆锤⑨通过中心孔与触须①配合后用粘结剂连接。

作为一个优选的实施方式，本实施例的上支撑盖⑥与电磁铁安装座⑦通过接触面上涂敷粘结剂实现连接。

为实现主动式仿生触须传感器的摆动和圆周转动两种运动形式，主要通过在电磁铁上加载一定顺序大小和方向的电流来构成变化的电磁场，借助磁铁同极相斥，异极相吸的原理来驱动摆锤上固定的永久铷磁铁形成相应摆动和圆周运动。

实施例二

本实施例提供了一种主动式仿生触须传感装置，包括控制驱动器和实施例一所述的主动式仿生触须传感器。

控制驱动器，与电磁铁连接，用于为电磁铁提供电流。

控制驱动器，分别与球轴承上的导电弹性铜片、球轴承座上的碳电阻膜连接，用于为导电弹性铜片和碳电阻膜通电，以使导电弹性铜片、碳电阻膜和控制驱动器形成通电电路。

下面详细介绍下主动式仿生触须传感装置的工作原理

若要实现触须①的摆动运动，则需要在对应的电磁铁上依次加载指定大小和方向的电流，例如：在A，I，E对应电磁铁的方向实现摆动，假设摆锤⑨指向中心电磁铁

的方向为S极，则只需要依次将电磁铁通电实现边缘电磁铁⑩和中心电磁铁

与电磁铁安装座⑦接触面位置处的磁场依次出现N极即可，此运动磁场通过外部驱动和编写控制器程序较容易实现，本实施例通过控制驱动器实现。圆周运动的形式与摆动运动的驱动方式类似，不同之处在于仅通过边缘电磁铁⑩进行旋转电磁场的生成。

在触须①运动的过程中，为了能够实现其在工作范围内任意一点的定位，理论上需要在电磁铁安装座⑦上布置尽可能多的电磁铁来实现，这是不容易实现的。为此，为了能使摆锤⑨停留在电磁铁之间的位置上，本实施例通过磁场的细分技术实现。例如，为了使摆锤⑨停留在电磁铁A和电磁铁B之间，那么，当电磁铁A与电磁铁B上加载相同大小的电流时，在电磁铁A与电磁铁B的中间位置会形成磁场的叠加，构成最强的电磁场，在不考虑重力以及摩擦力影响的前提下，摆锤⑨在磁场作用力下会定位在电磁铁A与电磁铁B的中间，实现在不增加电磁铁数目的情况下使摆锤⑨能够在更多的位置实现定位。进一步的，通过定量的减弱电磁铁A中的磁场和增加电磁铁B中的磁场，最强的磁场位置会从电磁铁A与电磁铁B的中间向电磁铁B位置处移动。因此，可以通过控制驱动器控制相邻电磁铁间磁场的强弱，实现摆锤⑨在工作范围内任意位置处的定位。

为了能够实时的获取当前触须①的转角，以便用于物体形状、尺寸、方位以及障碍物的检测，本实施例通过如图3所示的结构，实现触须①摆动角度的有效测量。通过在球轴承座⑤的内表面上均匀的涂覆碳硅脂(carbongrease)形成碳电阻膜③，在球轴承②上安装导电弹性铜片④，然后控制驱动器与导电弹性铜片④和碳电阻膜③连接，即可形成角度检测传感器，即将球轴承②的摆动角度以电阻变化的方式输出，如图4所示。m与n之间的碳电阻膜可以等效为图4(b)的电阻，在球轴承②摆动的过程中，电压U₂会发生连续的变化，通过校准电压U₂与球轴承②转动角度的对应关系，即可实现触须①摆动角度的测量。在图3(a)与图3(b)中，尽管触须①摆动方向不同，但是输出的电压U₁＝U₃，都大于处于中心位置处的电压U₂，这样此主动式仿生触须传感器即可实现任意方向摆动角度的测量。由于当前产生磁场的电磁铁的位置已知，这样就可以有效的得到主动式仿生触须传感器在指定方向上的摆动角度，为特定形状、尺寸、方位、纹理与位置处物体的检测提供了有效检测方法。

本发明通过控制电磁铁的通电时序，实现触须位置与摆动方向的主动控制，实现定向位置处物体的主动检测；通过磁场的细分技术，在有限电磁铁的情况下，实现触须在工作范围内任意位置的快速定位；另外，此仿生触须传感器可通过3D打印技术快速制造组装，通过在球轴承座内测涂覆碳电阻膜的形式实现触须位置的准确感知和大范围的测量，显然，本发明提供的主动式仿生触须传感器制造方法简单可靠，制造成本较低。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种主动式仿生触须传感器，其特征在于，包括触须、轴承结构、上支撑盖、电磁铁安装座、电磁铁、摆锤和下支撑盖；

所述上支撑盖的下端部与所述下支撑盖的上端部通过电磁铁安装座连接在一起；所述轴承结构嵌套在所述上支撑盖的上端部，所述电磁铁的一端安装在所述电磁铁安装座的底部，所述电磁铁的另一端悬空；所述摆锤位于所述电磁铁安装座之上，且所述触须的一端穿过所述轴承结构与所述摆锤的一端连接在一起，所述摆锤的另一端上布置有多个永久磁铁；所述轴承结构包括球轴承和球轴承座；所述球轴承的外表面上安装有导电弹性铜片，所述球轴承座的内表面上涂覆有碳电阻膜。

2.根据权利要求1所述的一种主动式仿生触须传感器，其特征在于，所述碳电阻膜的材料为碳硅脂。

3.根据权利要求1所述的一种主动式仿生触须传感器，其特征在于，所述电磁铁包括第一挡片、绕有电磁线圈的硅钢柱以及第二挡片；所述硅钢柱的一端与所述第一挡片连接，所述硅钢柱的另一端与所述第二挡片连接，且所述第一挡片还与所述电磁铁安装座的底部连接。

4.根据权利要求1所述的一种主动式仿生触须传感器，其特征在于，所述电磁铁包括中心电磁铁和边缘电磁铁；所述中心电磁铁安装在所述电磁铁安装座底部的中心处，所述边缘电磁铁按照圆形轨迹布置在所述电磁铁安装座的底部；所述圆形轨迹的圆心为所述电磁铁安装座的中心。

5.根据权利要求1所述的一种主动式仿生触须传感器，其特征在于，所述摆锤的另一端上开设有多个永久磁铁安装孔；所述永久磁铁安装孔的布设轨迹为圆形轨迹；所述圆形轨迹的圆心为所述摆锤的另一端的中心。

6.根据权利要求5所述的一种主动式仿生触须传感器，其特征在于，每个所述永久磁铁安装孔均安装有永久磁铁，所述永久磁铁为永久铷磁铁。

7.一种主动式仿生触须传感装置，其特征在于，包括控制驱动器和权利要求1所述的主动式仿生触须传感器；

所述控制驱动器，与电磁铁连接，用于为电磁铁提供电流，并控制电流的大小与方向；

所述控制驱动器，分别与球轴承上的导电弹性铜片、球轴承座上的碳电阻膜连接，用于为导电弹性铜片和碳电阻膜通电，以使导电弹性铜片、碳电阻膜和控制驱动器形成通电电路。

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