一种基于L形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列

一种基于l形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列
技术领域
1.本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种基于l形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列。


背景技术：

2.智能机械手在工业生产与装配领域的应用愈加广泛，为了能够更好地提高生产与装配效率，赋予机械手与人类相仿触觉成为了目前的研究热点。现有磁致伸缩触觉传感阵列大部分都以悬臂梁式铁镓丝作为感知部分，当铁镓丝首端受到压力时，其内部会产生磁感应强度的变化，利用霍尔元件检测铁镓丝尾端产生的磁场变化可以实现力-磁-电信号之间的转换。这种类型的触觉传感阵列具有响应速度快、成本低，可同时检测静态力与动态力的优点。但目前的磁致伸缩触觉传感器阵列的最大测力范围仅为0-4n，这是由于悬臂梁式铁镓丝在承受较大压力时无法恢复到初始状态，从而彻底破坏触觉传感器的性能，因此为了增强触觉传感器的可靠性，只能限定其在较小的压力范围内工作。由于悬臂式铁镓丝只能沿水平方向排布，整个触觉传感器只有前半部分能够检测外部压力，这会影响触觉传感器与物体之间的接触从而造成检测结果的不准确。
3.l形铁镓丝是一种具有良好抗压性能的结构，当压力施加在l形铁镓丝的横梁上时，由于弯矩的作用会使竖梁弯曲，从而在其内侧产生磁感应强度的变化，但这种漏磁场很微弱，利用霍尔元件难以检测。
4.tmr(隧道磁阻传感器)元件作为一种新型的磁传感器，具有灵敏度高、体积小、便于集成等优点；目前tmr元件已广泛用于弱磁场检测领域，如：汽车定位，电流传感器等。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有触觉传感器阵列测力范围较小，触觉传感单元与物体间接触不良，安装在机械手上无法抓取质量大的物体等问题，提供的一种基于l形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列，该阵列由9个触觉传感单元组成，触觉传感单元的感知部分选用在低磁场下具有显著逆磁致伸缩效应的l形铁镓合金丝(fe
83
ga
17
)，以tmr元件作为测量部分进行磁与电信号之间的转换；在中心镂空底座的第二容纳槽内分别安置圆柱永磁体为l形铁镓丝提供偏置磁场。当触头受到压力时，l形铁镓丝的横梁向下弯曲，并为竖梁提供一个顺时针弯矩，竖梁在弯矩作用下其内侧磁畴会产生偏转，从而引起磁感应强度发生改变，嵌入在底座中心镂空区域的tmr元件检测x轴正方向磁场的微弱变化，内部磁阻改变，并由电桥电路将磁阻的变化转化为电压信号。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于l形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列，包括集成板和触觉传感阵列，所述触觉传感阵列包括若干均匀分布的触觉传感单元；
7.所述触觉传感单元包括底座，所述底座底端与所述集成板顶端固定连接，所述底座顶端中心固定设置有传感元件，所述底座顶端固定设置有铁镓丝和永磁体，所述铁镓丝
为l形，所述铁镓丝一端与所述底座顶端固定连接，所述铁镓丝另一端固定连接有触头，所述触头与所述传感元件上下对应设置；
8.所述集成板顶端与所述底座底端固定连接，所述集成板底端设置有输出端排线。
9.优选的，所述底座顶端一侧开设有第一容纳槽和第二容纳槽，所述第二容纳槽位于所述第一容纳槽两侧，所述第一容纳槽内固定设置有所述铁镓丝一端，所述第二容纳槽内固定设置有所述永磁体。
10.优选的，所述铁镓丝的数量为3根，所述铁镓丝经800℃高温退火后定型，所述铁镓丝的横梁和竖梁截面均为圆形，所述横梁和所述竖梁之间的夹角为90
°
，所述横梁远离所述竖梁的一端与所述触头固定连接，所述竖梁底端固定设置在所述第一容纳槽内，所述第一容纳槽的数量与所述铁镓丝的数量相对应。
11.优选的，所述底座为长方体结构，所述底座顶端中心为镂空设置，所述传感元件固定设置在所述镂空内，所述第一容纳槽、第二容纳槽均为圆形。
12.优选的，所述触头为正方体，所述触头侧面开设有第三容纳槽，所述第三容纳槽为圆形，所述第三容纳槽的数量与所述铁镓丝的数量相对应，所述横梁远离所述竖梁的一端固定设置在所述第三容纳槽内。
13.优选的，3根所述铁镓丝的长度相同，两所述铁镓丝之间的间距相同。
14.优选的，所述永磁体为圆柱形，所述永磁体的n极方向为所述触觉传感单元的z轴正方向。
15.优选的，所述传感元件为tmr元件。
16.优选的，所述集成板为柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板的基底为聚酰亚胺材质，所述柔性印刷电路板的底端分布有电路，所述电路表面喷涂有聚酰亚胺膜。
17.优选的，所述触觉传感单元的数量为9个，9个所述触觉传感单元以3
×
3的形式均匀排布在所述柔性印刷电路板顶端。
18.本发明的实质性特点为：
19.本发明的一种基于l形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列由l形铁镓丝、底座、tmr元件、触头、柔性印刷电路板、永磁体六部分组成，具有良好的静态力与动态力性能，可与物体良好接触。触觉传感阵列由9个触觉传感单元焊接在柔性印刷电路板上。永磁体用于给l形铁镓丝施加偏置磁场，使l形铁镓丝内部有一定的预加磁场，内部磁畴沿铁镓丝轴向排布，提高磁敏性能。对触头施加压力时，l形铁镓丝的横梁受力下压，由于弯矩的作用使l形铁镓丝的竖梁弯曲，从而改变l形铁镓丝内侧的磁畴分布，其磁感应强度在逆磁致伸缩效应的作用下发生变化；与l形铁镓丝竖梁内侧靠近的tmr元件将这种微弱的漏磁变化通过隧道磁阻效应先转化磁阻的改变，再由推挽式电桥电路将其转换为电信号，通过数据采集卡将触觉传感单元的电信号接收并处理，在计算机中进行数据可视化；永磁体用于为l形铁镓丝提供偏置磁场，使l形铁镓丝内部磁畴沿丝的拉伸方向偏转，并保证其逆磁致伸缩效应及tmr元件的输出信号均处于线性区间；底座用于固定铁镓丝、tmr元件及永磁体，为了降低触觉传感单元的厚度，将tmr元件安置在l形铁镓丝的横梁正下方；本发明测力范围大，尺寸小，与物体有良好的接触性，磁场间相互干扰弱，具备较大的柔性，可以实现对静态力与动态力的准确感测，可以使触觉传感阵列安装在机械手上对体积小、质量大的物体进行精准抓取与识别。
20.本发明具有如下技术效果：
21.1.利用抗压强度高、磁敏性能好的l形铁镓丝作为感知部分，并选用tmr元件作为测量部分，形成具有较大测力范围的触觉传感单元，将施加到触觉传感单元上的压力信号转换成电压信号，实现对压力的准确感测。
22.2.将触觉传感单元焊接在柔性印刷电路板表面，使触觉传感阵列具备较高的柔性，整个触觉传感阵列可向不同方向弯曲，最大弯曲角度可达120
°
。
23.3.tmr元件采用嵌入式固定方式，在起到保护作用的同时使l形铁镓丝的竖梁与tmr元件更好地靠近，能够提高测力灵敏度，有效减小触觉传感单元的厚度。
24.4.触觉传感单元的底座与触头均采用垂直投影为正方形的结构，使触觉传感单元整体为垂直柱状结构，可使物体与触觉传感单元接触良好，提高了检测准确性。
25.5.触觉传感单元的底座采用中心镂空结构，可为tmr元件的固定提供充足的空间，在保证稳定性的同时减小了触觉传感单元厚度。
26.6.将触觉传感单元集成在柔性印刷电路板上，出线端集中在下侧，减少了输出信号间干扰与触觉传感阵列尺寸，便于触觉传感阵列在机械手指尖表面的安装。
附图说明
27.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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本发明触觉传感单元结构图；
29.图2为本发明触觉传感单元的触头结构图；
30.图3为本发明触觉传感单元的底座结构图；
31.图4为本发明触觉传感单元的铁镓丝结构图；
32.图5为本发明触觉传感阵列结构图；
33.图6为本发明柔性印刷电路板电路图；
34.图7为本发明触觉传感单元静态力测试曲线图；
35.图8为本发明触觉传感单元动态力灵敏度曲线图；
36.图9为普通悬臂式传感单元的结构图；
37.图10为将本发明中触觉传感阵列与普通悬臂式传感阵列抓取铜实心圆柱体时各自的输出电压平均值曲线。
38.其中，1、触头；2、铁镓丝；3、底座；4、传感元件；5、永磁体；6、柔性印刷电路板。
具体实施方式
39.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。
40.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。
41.参照图1-6，本发明公开一种基于l形铁镓丝的大测力范围柔性触觉传感阵列，包括集成板和触觉传感阵列，触觉传感阵列包括若干均匀分布的触觉传感单元；
42.触觉传感单元包括底座3，底座3底端与集成板顶端固定连接，底座3顶端中心固定设置有传感元件4，底座3顶端固定设置有铁镓丝2和永磁体5，铁镓丝2为l形，铁镓丝2一端与底座3顶端固定连接，铁镓丝2另一端固定连接有触头1，触头1与传感元件4上下对应设置；
43.集成板顶端与底座3底端固定连接，集成板底端设置有输出端排线。
44.触觉传感阵列的长度为22-30mm，宽度为18-22mm，高度为3.2-4.2mm。
45.进一步优化方案，底座3顶端一侧开设有第一容纳槽和第二容纳槽，第二容纳槽位于第一容纳槽两侧，第一容纳槽内固定设置有铁镓丝2一端，第二容纳槽内固定设置有永磁体5。
46.进一步优化方案，铁镓丝2的数量为3根，铁镓丝2经800℃高温退火后定型，铁镓丝2的横梁和竖梁截面均为圆形，横梁和竖梁之间的夹角为90
°
，横梁远离竖梁的一端与触头1固定连接，竖梁底端固定设置在第一容纳槽内，第一容纳槽的数量与铁镓丝2的数量相对应。
47.铁镓丝2的横梁长度为3.2-4mm，竖梁长度为2.2-3mm，直径为0.4-0.7mm。
48.进一步优化方案，底座3为长方体结构，底座3顶端中心为镂空设置，传感元件4固定设置在镂空内，第一容纳槽、第二容纳槽均为圆形。
49.底座3的材质为环氧树脂，底座3的厚度为1.4-1.6mm，垂直投影为正方形，边长为4.2-5.8mm，中心镂空区域的垂直投影为正方形，边长为2.8-3.2mm。
50.进一步优化方案，触头1为正方体，触头1侧面开设有第三容纳槽，第三容纳槽为圆形，第三容纳槽的数量与铁镓丝2的数量相对应，横梁远离竖梁的一端固定设置在第三容纳槽内。
51.进一步优化方案，3根铁镓丝2的长度相同，两铁镓丝2之间的间距相同。
52.触头1的材质为环氧树脂，厚度为0.8-2.5mm，边长为3.6-4.4mm。
53.进一步优化方案，永磁体5为圆柱形，永磁体5的n极方向为触觉传感单元的z轴正方向。
54.永磁体5的材质为钕铁硼。
55.进一步优化方案，传感元件4为tmr元件。
56.进一步优化方案，集成板为柔性印刷电路板6，柔性印刷电路板6的基底为聚酰亚胺材质，柔性印刷电路板6的底端分布有电路，电路表面喷涂有聚酰亚胺膜。
57.进一步优化方案，触觉传感单元的数量为9个，9个触觉传感单元以3
×
3的形式均匀排布在柔性印刷电路板6顶端。
58.本实施例的各项优选数据如下：
59.触头1的厚度为1mm，垂直投影边长为4mm，第三容纳槽的直径为0.5mm，第三容纳槽的中心间距为1mm，第三容纳槽中心与触头1底面的距离为0.55mm；
60.底座3的垂直投影正方形边长为5.5mm，中心镂空区域垂直投影正方形的边长为3.2mm，底座3厚度为1.5mm，第二容纳槽的直径为1mm，第一容纳槽的直径为0.5mm；
61.铁镓丝2的横梁与竖梁的横截面直径为0.5mm，横梁长度为4mm，竖梁长度为3mm，横梁与竖梁之间的夹角为90
°
，竖梁内侧为磁感应强度变化最明显的区域，偏置磁场大小为1.673ka/m；
62.永磁体5的型号为n52，直径为1mm，高度为1.5mm，tmr元件长度为3mm，宽度为3mm，高度为1.45mm，可以完整的嵌入到底座3的中心镂空区域内；
63.触觉传感单元垂直投影面积为5.5
×
5.5mm，触觉传感单元高度为触头1顶端到底座3底端的距离3.5mm；
64.柔性印刷电路板6上的各个触觉传感单元的间距为2mm，触觉传感阵列的出线端为梯形和长方形组成，梯形部分高度为3mm，上底长度为24.5mm，下底长度为11.5mm，长方形部分长度为13mm，宽度为11.5mm，触觉传感阵列长度为40.5mm，宽度为24.5mm，高度为3.5mm；
65.柔性印刷电路板6表面的u1-u9表示9个触觉传感单元的焊接位置；7-26为柔性印刷电路板的输出端排线，出线端总数为20，从上到下的第10个和第11个出线端分别为vcc端和gnd端；vcc端与gnd端两侧排列的出线端分别与各传感单元的tmr元件v 端和v-端相连；柔性印刷电路板6还设置13个过孔，分别对应部分tmr元件的vcc端与gnd端；每个触觉传感单元中tmr元件位置下方各设置一组焊盘，分别为vcc端焊盘、预留空脚焊盘、v 端焊盘、v-端焊盘、gnd焊盘；7为u1的v 端；8为u2的v 端；9为u3的v 端；10为u3的v-端；11为u2的v-端；12为u1的v-端；13为u4的v 端；14为u5的v 端；15为u6的v 端；16为vcc端；17为gnd端；18为u6的v-端；19为u5的v-端；20为u4的v-端；21为u7的v 端；22为u8的v 端；23为u9的v 端；24为u9的v-端；25为u8的v-端；26为u7的v-端；28为u3下的vcc过孔；29为u3下的gnd过孔；30为u2下的gnd过孔；tmr元件共有五个引脚，分别对应五个焊盘，以u1为例，31为tmr元件的vcc焊盘，32为tmr元件的空脚焊盘,，33为tmr元件的v 焊盘，34为tmr元件的gnd焊盘，35为tmr元件的v-焊盘；36为u1下的gnd过孔；37为u6下的gnd过孔；38为u5下的gnd过孔；39为u4下的gnd过孔；40为u6下的vcc过孔；41为gnd过孔；42为u7下的gnd过孔；43为u8下的gnd过孔；44为u9下的gnd过孔；45为u9下的vcc过孔；各个触觉传感单元之间的电气连接方式为并联；
66.本实施例的工作过程如下：
67.触觉传感单元的感知部分选用3根直径为0.5mm，横梁长4mm，竖梁长3mm的l形铁镓丝2(fe
83
ga
17
)，测量部分选用tmr2003元件(sot23-5)，尺寸为3mm
×
3mm
×
1.45mm。三根l形铁镓丝2的横梁处于水平状态，丝间距相同，l形铁镓丝2的竖梁与横梁垂直并插入到底座3的三个第一容纳槽中，横梁插入触头1侧面的第三容纳槽中，横梁与竖梁间夹角为90
°
，形成直角梁结构。tmr元件半固定在底座3的中心镂空区域内，与三根l形铁镓丝2的竖梁内侧相互靠近从而提高触觉传感单元的测力灵敏度。永磁体5嵌入底座3的第二容纳槽中。当外加的压力施加在触头1表面时，l形铁镓丝2的横梁受力下压，竖梁由于弯矩作用产生弯曲形变，使l形铁镓丝2的内部磁畴排布发生偏转，引起磁感应强度的微弱变化，再由tmr元件检测其磁敏方向上的磁场变化，将力信号输出为电压信号，从而精准感知外加压力的大小。
68.实验例一
69.参照图7，本实验例主要目的是研究触觉传感单元的输入输出对应关系以及静态力灵敏度。触觉传感单元以横梁长度为4mm，竖梁长度为3mm，直径为0.5mm的l形铁镓丝2作为感知部分，tmr元件作为测量部分，圆柱永磁体5提供偏置磁场，测试其在0-16n范围内外加压力与输出电压的关系。将触觉传感单元按照设计结构组装完成后形成3
×
3触觉传感阵
列；本实验平台由可调压力机、2v稳压直流电源、dh-8303动态数据采集卡、计算机组成；将设计好的触觉传感阵列固定在可调压力机的底座上，调整压力机的铝传动杆位置使其正对触觉传感阵列的任意一个单元；设置压力机的输出模式使其能够对触觉传感阵列施加稳定的静态力，2v稳压直流电源为触觉传感阵列提供输入电压，触觉传感单元输出端连接动态数据采集卡，电压信号经动态数据采集卡处理后在计算机上进行显示。
70.利用可调压力机的传动杆为触觉传感阵列施加0-16n的压力。传动杆挤压触觉传感单元上的触头1，使与之相连的l形铁镓丝2的横梁向下变形，带动竖梁弯曲。两侧的圆柱永磁体5对l形铁镓丝2施加强度为1.673ka/m的偏置磁场，产生形变的l形铁镓丝2的竖梁内侧磁感应强度发生改变，与其靠近的tmr元件检测到周围漏磁的变化，内部磁阻变化，从而输出电压信号。受力传感单元在0-16n静态压力下的输出电压如图7所示，实验结果表明在0-16n静态压力下，l形铁镓丝2在撤去外加压力后可恢复初始位置，触觉传感单元具有良好重复性和稳定性，当压力为16n时触觉传感单元输出电压最大值为1060mv，在0-10n范围内其灵敏度为85.5mv/n，10-16n范围内其灵敏度为28.4mv/n，较现有磁致伸缩触觉传感阵列的测力范围(0-4n)提升了4倍。
71.实验例二
72.参照图8，本实验例主要目的是研究触觉传感单元在频率为10hz的正弦力下的动态特性。触觉传感单元以横梁长度为4mm，竖梁长度为3mm，直径为0.5mm的l形铁镓丝2作为感知部分，tmr元件作为测量部分，圆柱永磁体5提供偏置磁场，将触觉传感单元按照设计结构组装完成后形成3
×
3触觉传感阵列；本实验平台由功率放大器、信号发生器、激振器、2v稳压直流电源、dh-8303动态数据采集卡、计算机组成；将设计好的触觉传感阵列固定在稳定的桌面上，设置信号发生器的输出波形为10hz正弦波，调节功率放大器放大倍数，使与信号发生器相连的激振器能够输出1.5n的正弦力。调整激振器传动杆位置使其正对触觉传感阵列的任意一个单元；2v稳压直流电源为传感阵列提供输入电压，触觉传感单元输出端连接动态数据采集卡，电压信号经动态数据采集卡处理后在计算机上进行显示。
73.实验结果如图8所示，经过计算得知在10hz动态力作用下触觉传感单元的输出电压变化幅度不超过3.24％，具有较好的动态力特性。
74.实验例三
75.参照图9-10，本实验例的目的主要是突出本发明中的触觉传感阵列与普通悬臂式磁致伸缩触觉传感阵列在抓取质量较大的物体时的优势，将本发明中的触觉传感阵列(图10中编号为传感阵列1)安装在机械手(righthand：reflex2)的关节内侧，使机械手在抓取物体时传感阵列能与物体良好接触。被抓取的样品为直径40mm，高度60mm的实心铜圆柱体，该样品被放置在一个长方体空心铝架上，铝架的尺寸为长90mm，宽60mm，高70mm。触觉传感阵列由2v稳压直流电源供电，输出端与数据采集卡相连，输出电压在计算机上进行显示。调整机械手的抓取位移，使机械手能够抓紧铜圆柱体，保证在撤去铝架后圆柱体不会掉落。抓取结束后将铝架放回原处，机械手松开圆柱体，至此抓取实验结束。
76.如图9所示为灵敏度为23.86mv/n，测力范围为0-3n的普通悬臂式磁致伸缩触觉传感阵列，将实验例三中本发明的触觉传感阵列替换为普通悬臂式磁致伸缩触觉传感阵列(图10中编号为传感阵列2)，除了供电电源改为5v稳压直流电源外，其他实验条件与过程与上述实验相同。由于传感阵列均与圆柱体样品充分接触，因此各单元输出电压曲线基本一
致，如图10所示为抓取实验中传感阵列1和传感阵列2的单元触点输出电压平均值曲线。
77.通过对比两种阵列的输出电压平均值曲线可知，传感阵列1的输出电压在实验过程中始终保持线性增长，抓取稳定时传感阵列1的输出电压平均值为554.3mv,处于有效测力范围内，经过计算可知用6.4n的力可将铜实心圆柱体抓紧，而传感阵列2在受力超过3.5n后进入非线性区，抓取稳定时传感阵列2的输出电压平均值为97.7mv，输出电压达到饱和，无法准确地检测机械手施加在圆柱体上的力，并且机械手松开圆柱体后，传感阵列1可恢复到初始状态，可重复抓取，而传感阵列2无法恢复到初始电压值，无法再次使用。可以看出，本发明中的触觉传感阵列较普通悬臂式磁致伸缩触觉传感阵列在灵敏度方面提高了3.6倍、测力范围提高了4倍，具有更强的可靠性。
78.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
79.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。