[發(fā)明專利]一種用于智能機械手的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列

有效

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• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111872958B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發(fā)明（設計）人: 翁玲;高紹陽;王博文;劉莎莎;趙軒
• 申請（專利權）人: 河北工業(yè)大學
• 主分類號: B25J13/08
• 分類號: B25J13/08;B25J15/08
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 趙鳳英

本發(fā)明為一種用于智能機械手的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列。所述的傳感器陣列由9個傳感單元以3×3形式排列在柔性印刷電路板上；所述的傳感單元包括觸頭、鐵鎵絲、殼體、條形永磁體和霍爾元件；其中，殼體兩側各設置有一個堆棧，后部固定有霍爾元件；三條鐵鎵絲的一端從觸頭的下側穿入其內，三條鐵鎵絲平行，均勻間隔分布；鐵鎵絲以傾斜角度15°～40°穿過殼體的上表面，另一端與霍爾元件接觸；每個堆棧由2～4個條形永磁體羅列而成。本發(fā)明具有結構簡單，體積小，響應速度快，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可以實現(xiàn)對力的精確測量。

技術領域

本發(fā)明將磁致伸縮鐵鎵材料應用于智能機械手的傳感器領域。產品是基于逆磁致伸縮效應的新型磁致伸縮觸覺傳感器陣列，可應用于機械手指端，實現(xiàn)對觸覺的精確感知。

背景技術

隨著機器人技術、識別和感知技術的快速發(fā)展，用于生產實踐的機械手需要滿足智能化的需求。首要目標是需要機械手能夠通過抓取來感知物體的物理屬性，并以此為依據實現(xiàn)精確抓取，觸覺信息的獲取是實現(xiàn)機械手智能抓取的重要前提。現(xiàn)有的觸覺傳感器可分為電容型、壓阻型、壓電型和光纖型。電容型、壓阻型、壓電型傳感器大部分都是以夾層結構為基礎，來填充不同的敏感材料(PVDF，PDMS，石墨烯等)或者是改變夾層的形狀(金字塔形、柱形、球形等)實現(xiàn)感知，其中，電容式觸覺傳感器的體積微小，其輸出電容較小，信噪比低，容易受到寄生電容的干擾。壓阻式觸覺傳感器具有靈敏度高、制造工藝簡單、價格低廉等優(yōu)點，是目前應用最廣泛的觸覺傳感器，但其測量分辨率不如電容式傳感器。壓電觸覺傳感器具有良好的動態(tài)性能，但其自供電結構使得傳感器不能保持輸出電壓的穩(wěn)定，靜態(tài)性能較差。光纖觸覺傳感器主要以條帶狀結構為基礎，利用電磁波導的幾何變化與波的調制相耦合來實現(xiàn)感知，雖然精度高，但其制造過程復雜且價格昂貴。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的為針對目前觸覺傳感器體積大且不具有柔性的問題，提供一種柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列。該陣列由6個或9個傳感單元組成，每個傳感單元采用3根磁致伸縮鐵鎵絲(成分為Fe₈₃Ga₁₇)作為傳導部件，鐵鎵絲以懸臂梁結構的傾斜姿態(tài)一端固定在殼體中，另一端連接觸頭；此外，采用條形永磁體產生偏置磁場，采用霍爾元件檢測鐵鎵絲受力形變而引起的磁感應強度的變化而產生輸出信號。本發(fā)明具有結構簡單，體積小，響應速度快，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，可以實現(xiàn)對力的精確測量，當壓力為3N時，輸出電壓達到71.58mV，靈敏度為23.86mV/N，能夠滿足機械手的觸覺力測量精度。

本發(fā)明的技術方案是：

一種用于智能機械手的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列，所述的傳感器陣列由6或9個傳感單元，以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷電路板上；

所述的傳感單元包括觸頭、鐵鎵絲、殼體、條形永磁體和霍爾元件；

其中，殼體兩側各放置一組永磁體，后部固定有霍爾元件；三條鐵鎵絲的一端從觸頭的下側穿入其內，三條鐵鎵絲平行，間距均勻分布；鐵鎵絲以傾斜角度15°～30°穿過殼體的上表面，另一端與霍爾元件接觸；每一組永磁體由2～4個條形永磁體堆疊而成；觸頭為圓臺狀，水平分布；

所述的柔性磁致伸縮觸覺傳感器陣列中，6或9個傳感單元以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷電路板上，每個傳感單元的霍爾傳感器的3個引腳插入柔性印刷電路板上對應的焊盤；傳感單元之間，行間距為6～8mm；

所述的磁致伸縮觸覺傳感器陣列結構由硅膠封裝，僅露出傳感單元觸頭與引線端。

所述的電路板中，基板的頂端和底端各設置有一排引線端出線焊盤；焊盤的總數(shù)為傳感單元的數(shù)量+4；頂端一排焊盤中，兩側的焊盤分別為電路板的副VCC端和電路板的主GND端；

底端的一盤焊盤中，兩側的焊盤分別為電路板的主VCC端和電路板的副GND端；

其余的焊盤分別和各個傳感單元霍爾元件的SIGNAL端相連；