CN115790911A - 仿生触须传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生触须传感器，该仿生触须传感器包括固定支架、磁致伸缩件以及感应线圈；磁致伸缩件的一端设置于固定支架上，磁致伸缩件用于在仿生触须传感器触碰到物体时产生形变而形成磁场变化；感应线圈对应磁致伸缩件缠绕于固定支架上，感应线圈用于感应磁致伸缩件的磁场变化而生成电信号。本发明通过磁致伸缩件在受到外力作用产生形变时，其周围磁场会发生变化，变化的磁场在感应线圈中产生感应电动势，如此仿生触须传感器可以实现将“触须”的触碰动作转化为电信号输出，从而可以实现对于物体的感知，基于磁致伸缩效应的仿生触须传感器具有结构简单、成本低廉、无需外接电源的优点。

Description

仿生触须传感器

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，特别涉及一种仿生触须传感器。

背景技术

仿生触须传感器主要是模仿啮齿类动物胡须的特征或功能，有的也模仿其他动物的触须功能，例如龙虾，因为龙虾触须在复杂水域中在跟踪运动目标、安全导航等方面具有明显的优势，还有的模仿蟑螂的触角。

随着计算机、微电子、信息技术的发展，机器人智能化程度越来越高。要求机器人能够利用各种传感技术更加准准确、快速地感知外部环境信息。机器人触觉作为其他感知系统的补充，可以拓展移动机器人的应用领域。为此，许多国家的科研人员设计了不同类型的仿生触须传感器，并对仿生触须传感器的工作机理进行了深入研究。

国内研究机构多从事模拟人手感知功能的触觉传感器研究，对仿生触须传感器的研究还处于探索阶段。现有的仿生触须传感器由于结构复杂、制作成本高、难度大，从而难以推广。

发明内容

本发明实施方式的在于提供一种仿生触须传感器，旨在解决现有的仿生触须传感器由于结构复杂、制作成本高、难度大，从而难以推广的问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种仿生触须传感器，包括：

固定支架；

磁致伸缩件，所述磁致伸缩件的一端设置于所述固定支架上，所述磁致伸缩件用于在所述仿生触须传感器触碰到物体时产生形变而形成磁场变化；以及，

感应线圈，所述感应线圈对应所述磁致伸缩件缠绕于所述固定支架上，所述感应线圈用于感应所述磁致伸缩件的磁场变化而生成电信号。

本发明通过磁致伸缩件在受到外力作用产生形变时，其周围磁场会发生变化，变化的磁场在感应线圈中产生感应电动势，如此仿生触须传感器可以实现将“触须”的触碰动作转化为电信号输出，从而可以实现对于物体的感知，基于磁致伸缩效应的仿生触须传感器具有结构简单、成本低廉、无需外接电源的优点。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述仿生触须传感器还包括弹性基底件，所述磁致伸缩件贴附于所述弹性基底件上；

所述弹性基底件远离所述磁致伸缩件与所述固定支架连接位置的一端为触碰端，所述触碰端在远离所述磁致伸缩件与所述固定支架连接位置的方向上超出所述固定支架、所述磁致伸缩件，以让所述仿生触须传感器通过所述触碰端触碰物体。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述磁致伸缩件粘接贴附于所述弹性基底件上。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述弹性基底件靠近所述磁致伸缩件与所述固定支架连接位置的一端设置于所述固定支架上。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述弹性基底件为铍青铜件。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述磁致伸缩件远离与所述固定支架连接位置的一端伸入所述感应线圈的内侧。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述固定支架设置有安装腔，所述安装腔的腔口与腔底壁在所述磁致伸缩件的延伸方向上相对，所述磁致伸缩件的一端伸入所述安装腔中且与所述安装腔的腔底壁连接，所述感应线圈缠绕于所述安装腔的腔侧壁的外表面上。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述固定支架上对应所述磁致伸缩件设置有磁体。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述磁体为永磁体。

优选地，在所述仿生触须传感器中，所述磁致伸缩件为铁镓合金件。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明实施例中仿生触须传感器的结构示意图；

图2为图1中仿生触须传感器的剖视图；

图3为图1中仿生触须传感器的工作原理框图。

本发明附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种仿生触须传感器，该仿生触须传感器可以模拟动物的触须对外部物体进行有效感知，仿生触须传感器可以用于机器人物体感知领域，图1和图2示出了本发明提供的仿生触须传感器的一较佳实施例。

请参阅图1和图2，在本实施例中，仿生触须传感器100包括固定支架1、磁致伸缩件2以及感应线圈3；磁致伸缩件2的一端设置于固定支架1上，磁致伸缩件2用于在仿生触须传感器100触碰到物体时产生形变而形成磁场变化；感应线圈3对应磁致伸缩件2缠绕于固定支架1上，感应线圈3用于感应磁致伸缩件2的磁场变化而生成电信号。

具体而言，磁致伸缩件2为磁致伸缩材料制成，磁致伸缩材料是一种新兴智能材料，比其他的智能材料有性能上的优势，具有机械能和磁能相互转化的特点，磁致伸缩材料具有磁致伸缩效应和维拉利效应。

可选地，在本实施例中，磁致伸缩件2为超磁致伸缩材料制成。超磁致伸缩材料还有能量密度大，响应速度快，能量转化效率高的优点。近年来，超磁致伸缩材料广泛应用于振动控制、超声换能、微驱动器、传感器、超精密加工、振动能量采集等领域。例如，磁致伸缩件2可以为铁镓合金件，即磁致伸缩件2的材质为铁镓合金件(Fe-Ga)。

磁致伸缩件2在延伸方向上的一端固定设置于固定支架1上，下面定义磁致伸缩件2固定设置于固定支架1上的一端为磁致伸缩件2的第一端，而与磁致伸缩件2的第一端在延伸方向上相对的一端为磁致伸缩件2的第二端。磁致伸缩件2的第二端为自由端，在磁致伸缩件2受到外力作用的情况下，磁致伸缩件2的第二端能够相对固定支架1移动，而磁致伸缩件2的第一端不能相对固定支架1移动，如此使得磁致伸缩件2产生形变。

在仿生触须传感器100的触须(触须为仿生触须传感器100用于触碰外部物体的部位)触碰到物体时，磁致伸缩件2会产生形变，由于磁致伸缩逆效应，磁致伸缩件2周围磁场会发生变化，变化的磁场在感应线圈3中产生感应电动势，如此仿生触须传感器100可以实现将“触须”的触碰动作转化为电信号输出，从而可以实现对于物体的感知。

现有的仿生触须传感器有利用霍尔元件进行感知的，而仿生触须传感器100利用感应线圈3来感应变化的磁场，相对利用霍尔元件的方案，仿生触须传感器100无需外接电源，使得仿生触须传感器100具有结构简单、成本低廉、无源的优点。

本发明通过磁致伸缩件2在受到外力作用产生形变时，其周围磁场会发生变化，变化的磁场在感应线圈3中产生感应电动势，如此仿生触须传感器100可以实现将“触须”的触碰动作转化为电信号输出，从而可以实现对于物体的感知，基于磁致伸缩效应的仿生触须传感器100具有结构简单、成本低廉、无需外接电源的优点。

磁致伸缩件2的具体形状可以不做特殊限定，例如，磁致伸缩件2可以为片状、棒状、条状等形状设置，可选地，请参阅图2，在本实施例中，磁致伸缩件2呈片状设置，片状的磁致伸缩件2的弹性相对较好。

磁致伸缩件2的具体尺寸通常是根据实际情况来进行设定的，例如，在本实施例中，磁致伸缩件2的厚度尺寸为0.4mm-0.6mm，磁致伸缩件2的宽度尺寸为8mm-10mm，磁致伸缩件2的长度尺寸为40mm-45mm。

磁致伸缩件2的第一端固定设置于固定支架1上，磁致伸缩件2的第一端与固定支架1之间的具体固定方式可以不做特殊限定，例如，磁致伸缩件2的第一端可以是通过粘接、镶嵌等方式固定设置于固定支架1上。可选地，在本实施例中，磁致伸缩件2的第一端嵌设于固定支架1上。

固定支架1作为磁致伸缩件2和感应线圈3的载体，仿生触须传感器100也可以通过固定支架1来固定安装在机器人上，固定支架1的具体样式可以不做特殊限定，可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，固定支架1包括相连的固定部13和骨架部14，磁致伸缩件2的一端设置于固定部13上，感应线圈3缠绕于骨架部14上。

固定部13与骨架部14可以是一体成型设置；固定部13与骨架部14也可以是两个独立的部件，固定部13与骨架部14通过粘接等方式固定在一起。

固定部13和骨架部14可以是采用不同的材料制成，固定部13和骨架部14也可以是采用相同的材料制成，可选地，在本实施例中，固定部13和骨架部14均为相同的塑料材料制成，例如，固定部13和骨架部14的材料可以均为聚乙烯塑料。

感应线圈3用于感应磁致伸缩件2的磁场变化，感应线圈3通常会布置在磁致伸缩件2的磁场较强的位置，可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，磁致伸缩件2远离与固定支架1连接位置的一端伸入感应线圈3的内侧。

具体而言，磁致伸缩件2与固定支架1连接位置即磁致伸缩件2的第一端，磁致伸缩件2远离第一端的一端即磁致伸缩件2的第二端。感应线圈3通常会沿着磁致伸缩件2的延伸方向缠绕有多匝，使得多匝缠绕的感应线圈3会形成内部通道(未在图中示出)。磁致伸缩件2的第二端伸入感应线圈3的内侧，即磁致伸缩件2的第二端伸入内部通道中。

而磁致伸缩件2的第二端伸入内部通道中，可以是磁致伸缩件2的第二端完全位于内部通道中，即磁致伸缩件2的第二端在远离磁致伸缩件2的第一端的方向上未超出感应线圈3；也可以是磁致伸缩件2的第二端的一部分位于内部通道中，磁致伸缩件2的第二端的另一部分穿出至内部通道外，即磁致伸缩件2的第二端在远离磁致伸缩件2的第一端的方向上超出感应线圈3。

进一步，请参阅图1和图2，在本实施例中，固定支架1设置有安装腔11，安装腔11的腔口与腔底壁在磁致伸缩件2的延伸方向上相对，磁致伸缩件2的一端伸入安装腔11中且与安装腔11的腔底壁连接，感应线圈3缠绕于安装腔11的腔侧壁的外表面上。

具体而言，安装腔11的形状通常是与磁致伸缩件2的形状相适配的，感应线圈3沿着磁致伸缩件2的延伸方向和磁致伸缩件2的周向缠绕于安装腔11的腔侧壁的外表面上。感应线圈3的匝数通常不低于100匝，例如，在本实施例中，感应线圈3的匝数为500匝。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，安装腔11的腔侧壁的外表面上设置有容线槽12，感应线圈3容置于容线槽12中。将感应线圈3设置于容线槽12中，有利于缩小仿生触须传感器100的体积。

感应线圈3较多采用漆包线，可选地，在本实施例中，感应线圈3的线径不超过0.5mm，这样能够避免仿生触须传感器100的体积过大，例如，在本实施例中，感应线圈3的线径为0.1mm。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，磁致伸缩件2的一端与固定部13的一端面连接，骨架部14呈沿着磁致伸缩件2的延伸方向延伸的筒状设置，固定部13靠近磁致伸缩件2的端面与骨架部14的一端面连接，磁致伸缩件2远离固定部13的一端自骨架部14靠近固定部13的一端伸入骨架部14中。

具体而言，骨架部14的两端敞口，骨架部14远离固定部13的一端的敞口形成安装腔11的腔口，固定部13靠近磁致伸缩件2的端面闭合骨架部14靠近固定部13的一端的敞口，从而形成安装腔11的腔底壁。

在仿生触须传感器100的触须触碰到物体时，磁致伸缩件2会产生形变，可以是磁致伸缩件2的第二端形成仿生触须传感器100的触须，即仿生触须传感器100直接通过磁致伸缩件2触碰外部物体；也可是仿生触须传感器100上的其他部件形成仿生触须传感器100的触须，即通过仿生触须传感器100上的其他部件触碰外部物体，并通过仿生触须传感器100上的其他部件将外力传导至磁致伸缩件2，从而使得磁致伸缩件2产生形变。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，仿生触须传感器100还包括弹性基底件4，磁致伸缩件2贴附于弹性基底件4上；弹性基底件4远离磁致伸缩件2与固定支架1连接位置的一端为触碰端41，触碰端41在远离磁致伸缩件2与固定支架1连接位置的方向上超出固定支架1、磁致伸缩件2，以让仿生触须传感器100通过触碰端41触碰物体。

具有而言，弹性基底件4与磁致伸缩件2通常为同向延伸设置，弹性基底件4在延伸方向上远离磁致伸缩件2的第一端的一端为弹性基底件4的触碰端41，并且触碰端41在远离磁致伸缩件2的第一端的方向上超出固定支架1、磁致伸缩件2，从而让触碰端41形成了仿生触须传感器100的触须，生触须传感器100可以通过触碰端41来触碰外部物体。

弹性基底件4具有弹性，在弹性基底件4的触碰端41触碰到物体时会产生形变，而贴附于弹性基底件4上的磁致伸缩件2也会随之产生形变。使用弹性基底件4来作为仿生触须传感器100的触须，可以延长敏感材料制成的磁致伸缩件2的使用寿命。

弹性基底件4的具体材质可以不做特殊限定，例如，弹性基底件4的材质可以是金属材质等材质。可选地，在本实施例中，弹性基底件4为铍青铜件，利用铍青铜材料制成的弹性基底件4的弹性会较好。

弹性基底件4的具体形状可以不做特殊限定，例如，弹性基底件4可以为片状、棒状、条状等形状设置，弹性基底件4通常会制成与磁致伸缩件2相同的形状。可选地，在本实施例中，弹性基底件4呈片状设置，片状的弹性基底件4的弹性相对较好。

磁致伸缩件2通常是粘接贴附于弹性基底件4上，可选地，在本实施例中，磁致伸缩件2可以是通过环氧树脂等胶水粘接贴附于弹性基底件4上，此种磁致伸缩件2与弹性基底件4的固定方式相对较为简单。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，弹性基底件4靠近磁致伸缩件2与固定支架1连接位置的一端设置于固定支架1上。

具体而言，弹性基底件4在延伸方向上远离触碰端41的一端为弹性基底件4的固定端(未在图中示出)，弹性基底件4的固定端与磁致伸缩件2的第一端相互靠近。弹性基底件4的固定端可以是通过粘接、镶嵌等方式固定设置于固定支架1上，可选地，在本实施例中，弹性基底件4的固定端嵌设于固定支架1上。

弹性基底件4的固定端伸入安装腔11中且与安装腔11的腔底壁连接，弹性基底件4的触碰端41自安装腔11的腔口处伸出至安装腔11外。具体地，弹性基底件4的触碰端41和磁致伸缩件2的第一端均固定设置于固定部13靠近骨架部14的端面上。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，弹性基底件4的固定端与磁致伸缩件2的第一端齐平，这样能够实现弹性基底件4与磁致伸缩件2之间在延伸方向上的安装定位。

可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，固定支架1上对应磁致伸缩件2设置有磁体5。磁体5能够为磁致伸缩件2提供偏置磁场，使得磁致伸缩件2的磁场分布能够较为规律。其中，磁体5可以是通过粘接、镶嵌等方式固定设置于固定支架1上。

磁体5可以为电磁体，磁体5也可以为永磁体，可选地，在本实施例中，磁体5的材料采用钕铁硼N35。

磁体5的具体形状可以不做特殊限定，例如，磁体5可以为柱状、方块状等形状设置。可选地，在本实施例中，磁体5为方块状设置。

磁体5靠近磁致伸缩件2设置，可选地，请参阅图1和图2，在本实施例中，磁体5设置于固定部13上，并且磁体5靠近磁致伸缩件2的第一端，这样磁体5不易对磁致伸缩件2的形变产生干涉。

进一步地，请参阅图1和图2，在本实施例中，磁体5位于磁致伸缩件2在延伸方向上靠近第一端的一侧，磁体5设置于固定部13在垂直于磁致伸缩件2的延伸方向的方向上的一端面上，固定部13靠近磁体5的端面上凸设有凸台15，凸台15位于磁体5靠近骨架部14的一侧，磁致伸缩件2的第一端固定设置于凸台15靠近骨架部14的端面上。

具体而言，固定部13的截面形状为L形，磁体5与凸台15抵接，如此能够实现磁体5在固定部13上的安装定位。

更进一步地，请参阅图1和图2，在本实施例中，磁致伸缩件2的第一端贯穿凸台15，磁致伸缩件2的第一端的端面与磁体5抵接。

下面将结合仿生触须传感器100的一种具体结构介绍其工作原理，请参阅图3，仿生触须传感器100的工作原理可以如下：

第一步、触须(铍青铜片)触碰到物体；

第二步、贴于铍青铜片上的铁镓合金片产生形变；

第三步、由于磁致伸缩逆效应，形变使铁镓合金片周围产生磁场的变化；

第四步、由于电磁感应现象，变化的磁场在感应线圈中产生感应电动势；

第五步、感应线圈输出电信号。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿生触须传感器，其特征在于，包括：

固定支架；

磁致伸缩件，所述磁致伸缩件的一端设置于所述固定支架上，所述磁致伸缩件用于在所述仿生触须传感器触碰到物体时产生形变而形成磁场变化；以及，

感应线圈，所述感应线圈对应所述磁致伸缩件缠绕于所述固定支架上，所述感应线圈用于感应所述磁致伸缩件的磁场变化而生成电信号。

2.如权利要求1所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述仿生触须传感器还包括弹性基底件，所述磁致伸缩件贴附于所述弹性基底件上；

所述弹性基底件远离所述磁致伸缩件与所述固定支架连接位置的一端为触碰端，所述触碰端在远离所述磁致伸缩件与所述固定支架连接位置的方向上超出所述固定支架、所述磁致伸缩件，以让所述仿生触须传感器通过所述触碰端触碰物体。

3.如权利要求2所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述磁致伸缩件粘接贴附于所述弹性基底件上。

4.如权利要求2所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述弹性基底件靠近所述磁致伸缩件与所述固定支架连接位置的一端设置于所述固定支架上。

5.如权利要求2所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述弹性基底件为铍青铜件。

6.如权利要求1-5任意一项所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述磁致伸缩件远离与所述固定支架连接位置的一端伸入所述感应线圈的内侧。

7.如权利要求6所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述固定支架设置有安装腔，所述安装腔的腔口与腔底壁在所述磁致伸缩件的延伸方向上相对，所述磁致伸缩件的一端伸入所述安装腔中且与所述安装腔的腔底壁连接，所述感应线圈缠绕于所述安装腔的腔侧壁的外表面上。

8.如权利要求1-5任意一项所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述固定支架上对应所述磁致伸缩件设置有磁体。

9.如权利要求8所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述磁体为永磁体。

10.如权利要求1-5任意一项所述的仿生触须传感器，其特征在于，所述磁致伸缩件为铁镓合金件。

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