[發明專利]基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺傳感器

有效

• 申請號: 202110311847.1
• 申請日: 2021-03-24
• 公開（公告）號: CN113155345B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 韓海軍;伍星;李華峰;胡東平;王小龍;王遠;程發斌;張佳偉
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院總體工程研究所
• 主分類號: G01L5/22
• 分類號: G01L5/22;G01L1/12;G01L1/18
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 許馳

本發明公開了一種基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺傳感器，包括彈性體、永磁鐵、柔性壓阻陣列、導電線圈陣列；永磁鐵安裝在彈性體內部；彈性體的底部與柔性壓阻陣列的作用端連接；導電線圈陣列置于柔性壓阻陣列的下方；本申請通過彈性體、永磁鐵、柔性壓阻陣列、導電線圈陣列的設置及其連接，有效的將柔性壓阻單元陣列和磁鐵線圈陣列兩種敏感單元有機結合，基于壓阻效應和電磁感應原理，能夠實現柔性接觸面上的三維力(即正壓力和二維摩擦力)和滑動的檢測，可以分辨滑動的二維方向，兼顧力與滑動檢測的靜態性能和動態性能，并且具有制作成本低的特點。

技術領域

本發明涉及觸覺傳感器技術領域，尤其涉及一種基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺傳感器。

背景技術

物體抓取是許多機器人或靈巧機械手的基本功能。為了能夠安全可靠地抓取物體，機器人或靈巧機械手通常需要觸覺傳感器來感知物體的狀態。在物體抓取過程中，觸覺傳感器與物體直接接觸，這種接觸按雙方材料性質可分為剛性接觸和柔性接觸。對于抓取質地柔軟或易碎的物體(如雞蛋、水果、蔬菜等)，為降低沖擊/碰撞對物體的損傷，柔性接觸更為理想，因此需要觸覺傳感器具備一定的柔性。柔性接觸時，其接觸面上的力和滑動檢測對于物體抓取效率具有極其重要的意義，因此柔性觸覺傳感器的力和滑動檢測性能直接影響著機器人或靈巧手的抓取效率。

目前，柔性觸覺傳感器主要基于光波導效應、壓阻效應、壓電效應或者電磁感應等原理來實現接觸面力或滑動的檢測。其中，基于光波導效應的觸覺傳感器主要由具有凸起觸頭陣列的柔性層、光釬、電荷耦合器件(CCD)相機、支承結構等組成，具有靈敏度比較高的特點。采用壓阻效應的觸覺傳感器主要基于微型機電系統(MEMS)工藝硅基壓阻單元、壓敏導電橡膠等敏感元件，將其以獨立單元或陣列形式嵌入橡膠材質的柔性基體中，以實現表面柔性或整體柔性。采用壓電效應的觸覺傳感器主要基于聚偏氟乙稀(PVDF)敏感單元，也是采用以獨立單元或陣列形式嵌入柔性基體的方式實現表面柔性或整體柔性。采用電磁感應原理的觸覺傳感器主要基于磁鐵-線圈陣列結構單元，即把永磁鐵嵌入橡膠材質的彈性體中，利用彈性體受力變形帶動其內部永磁鐵在線圈陣列上方產生切割磁感線運動的方式來實現接觸面力或滑動的檢測。

上述傳統技術的缺點是：采用光波導效應的觸覺傳感器靈敏度比較高，但是體積通常較大，而且需要復雜的圖像處理，應用范圍受限。采用壓阻效應的觸覺傳感器主要基于MEMS工藝硅基壓阻單元、壓敏導電橡膠等敏感元件，其中MEMS工藝硅基壓阻單元力檢測精度較高，動態性能良好，但制作成本高昂，而且硅基傳感器質地較脆，將顯著降低觸覺傳感器的承載能力和抗沖擊能力；而壓敏導電橡膠力檢測精度較低，動態性能較差，適合于對檢測精度和動態性能要求不高的應用場合。采用壓電效應的觸覺傳感器主要基于PVDF敏感單元，其動態檢測性能較好，但靜態力檢測精度較差。采用電磁感應原理的觸覺傳感器主要基于磁鐵-線圈結構單元，具有較好的動態檢測性能，但同樣存在靜態力檢測精度差的問題。此外，目前的柔性觸覺傳感器普遍采用單一原理進行接觸面力或滑動的檢測，無法同時兼顧力與滑動檢測的靜態性能和動態性能。

因此需要研發出基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺傳感器來解決上述問題。

發明內容

本發明的目的就在于為了解決上述問題設計了一種基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺傳感器。

本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

基于柔性壓阻陣列和磁鐵線圈陣列的柔性觸覺傳感器，包括：

用于柔性接觸的彈性體；

永磁鐵；永磁鐵安裝在彈性體內部；

柔性壓阻陣列；彈性體的底部與柔性壓阻陣列的作用端連接；

導電線圈陣列；導電線圈陣列置于柔性壓阻陣列的下方，彈性體在水平摩擦力作用下將發生變形，進而帶動內部永磁鐵在導電線圈陣列上方產生切割磁感線運動。