CN114136526B - 一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，包括触头、小型永磁体、内磁场检测元件、外磁场检测元件、磁致伸缩金属、传感器底座和偏置磁场永磁体；触头用于接收压力；磁致伸缩金属的一端与触头活动连接，另一端与传感器底座固定连接，并与外磁场检测元件接触；偏置磁场永磁体用于向磁致伸缩金属的固定端提供偏置磁场；小型永磁体与触头的底部固定连接，用于向磁致伸缩金属的活动端提供偏置磁场，及跟随触头运动改变触头底部空间磁场；内磁场检测元件用于通过检测小型永磁体引起的磁场变化来检测触头的受力方向；外磁场检测元件用于通过检测磁致伸缩金属的内部磁场变化来检测触头的受力大小。本申请制作工艺及装配流程简单，价格低廉。
Description
技术领域
本申请属于触觉传感器技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器。
背景技术
三维力触觉传感器对于高端机电设备例如机器人、高精度机床等的精确化、智能化起到了至关重要的作用。目前的触觉传感器按照传感原理主要分为电阻式、电容式和压电式等，但是电容式通常需要额外的信号放大和处理电路。压阻式传感器测量分辨率较低。压电传感器不能保持输出电压的稳定，不能测量静态力。并且上述传感器制备工艺复杂，价格昂贵，装配难度高。
发明内容
本申请提出了一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，传感器受到的压力造成磁致伸缩材料产生形变，导致材料内部磁场发生变化，通过霍尔元件检测磁场的变化，将磁场变化转化为电压信号输出，建立力-电压的转化关系，实现传感器精度高、能够测量动静态力、结构简单等优点。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，包括触头、小型永磁体、内磁场检测元件、外磁场检测元件、磁致伸缩金属、传感器底座和偏置磁场永磁体；
所述触头用于接收压力；
所述磁致伸缩金属的一端与所述触头活动连接，所述磁致伸缩金属的另一端与所述传感器底座固定连接，并与所述外磁场检测元件接触；
所述偏置磁场永磁体用于向所述磁致伸缩金属的固定端提供偏置磁场；
所述小型永磁体与所述触头的底部固定连接，所述小型永磁体用于向所述磁致伸缩金属的活动端提供偏置磁场，所述小型永磁体还用于跟随所述触头的运动而改变所述触头底部的空间磁场；
所述内磁场检测元件用于通过检测所述触头底部的所述空间磁场的变化来检测所述触头的运动方向；
所述外磁场检测元件用于通过检测所述磁致伸缩金属的内部磁场变化来检测所述触头的受力大小；
所述小型永磁体和所述内磁场检测元件位于所述触头内部；
所述外磁场检测元件所述和偏置磁场永磁体与所述传感器底座固定连接。
可选的，所述内磁场检测元件和所述外磁场检测元件均为霍尔元件。
可选的，所述触头的侧面在相互垂直的四个方向上各有一个通孔；
所述磁致伸缩金属的活动端通过所述通孔与所述触头活动连接。
可选的，所述磁致伸缩金属为铁镓丝。
可选的，所述铁镓丝共有四根；
四根所述铁镓丝分别通过一个所述通孔与所述触头活动连接，且四根所述铁镓丝相互垂直。
可选的，所述三维力触觉传感器采用极坐标标定。
可选的，所述内磁场检测元件和所述外磁场检测元件均将检测到的磁场变化转变为电压信号。
可选的，通过数据采集卡或示波器将所述电压信号传递至计算机中，得到所述触头收到的三维力的大小和方向。
本申请的有益效果为：
本申请公开了一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，该传感器能够将受到的压力转化为电压信号，通过不同通道输出电压的不同来检测接触力的大小和方向，以实现检测接触三维力的目的，具有良好的精度，能够分辨的最小力可达0.01N；制作工艺及装配流程简单，相比于需要光刻的和超净环境制备的传感器，制作条件和制作工艺简单，只要有现成的铁镓丝，甚至可以手工制作；价格低廉，本技术方案可采用3D打印的底座和价格低廉的霍尔芯片以及铷磁铁，大幅降低制作成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面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是本申请的一些实施例，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为本申请实施例一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器结构示意图；
图2为本申请实施例一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器结构拆解示意图；
图3为本申请实施例一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器工作原理示意图；
图4为本申请实施例中的实验1中当θ＝0°，时施加不同力时的传感器输出特性示意图；
图5为本申请实施例中的实验2中当r＝1.5N,θ＝50°不同时传感器的输出特性示意图；
图6为本申请实施例中的实验2中r＝1.5N,θ＝50°不同时外层霍尔元件的输出电压示意图；
图7为本申请实施例中的实验2中1Hz下外层霍尔元件的动态特性曲线示意图。
附图标记说明
1、触头；2、小型永磁体；3、内层霍尔元件；4、铁镓丝；5、传感器底座；6、偏置磁场永磁体；7、外层霍尔元件。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、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申请作进一步详细的说明。
如图1-3所示，本申请实施例一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器包括触头1、小型永磁体2、内磁场检测元件、外磁场检测元件、磁致伸缩金属、传感器底座5和偏置磁场永磁体6。
其中，触头1用于接收压力。触头1的侧面在相互垂直的四个方向上各有一个通孔。
在本实施例中，为了保证更高的精度，磁致伸缩金属采用铁镓丝4，对应触头侧面的四个通孔，共使用了四根铁镓丝4，铁镓丝4的一端***通孔中与触头活动连接，另一端与传感器底座5固定连接，并与固定在传感器底座5外壁的外磁场检测元件接触；
偏置磁场永磁体6与传感器底座5固定连接，用于向铁镓丝4的固定端提供均匀的偏置磁场。
小型永磁体2与触头1的底部固定连接，其上端极性与偏置磁场永磁体6内侧的极性相同，与偏置磁场永磁体6相配合为铁镓丝4提供更加均匀的偏置磁场。当触头1受力时，小型永磁体2也随之移动，随着小型永磁体2的运动，触头1底部的空间磁场也会发生变化。检测这个空间磁场的变化，可以反映出触头的受力运动方向。
内磁场检测元件固定在传感器底座5下层内壁，用于通过检测小型永磁体2的磁场变化来检测触头1的受力方向；外磁场检测元件用于通过检测铁镓丝4的内部磁场变化来检测触头1的受力大小，可以用胶水固定在传感器底座5上，与铁镓丝4的固定端接触且保持相对静止，增加检测信号的灵敏度。在本实施例中，为了保证更高的精度，内磁场检测元件和外磁场检测元件均为霍尔元件，分别标记为内层霍尔元件3和外层霍尔元件7。
本实施例的三维力触觉传感器工作原理表述如下：
传感器使用极坐标标定，能够受到不同方向不同大小的未知三维力。当触头1受到不同方向不同大小的三维力时，触头1位置的变化带动触头1底部小型永磁体2位置的变化，同时，触头1上的压力传导至铁镓丝4中，四根铁镓丝4发生不同程度的形变，即图3中“力”的部分。
根据力的不同，四根铁镓丝4产生的形变程度不同，由于逆磁致伸缩效应，在偏置磁场下的铁镓丝4内部磁场发生不同的变化，与此同时，由于触头1底部的小型永磁体2由于位置发生变化，导致触头1底部空间磁场发生变化，即图3中“磁”的部分。
霍尔元件检测磁场的变化，其输出电压也跟着变化，其中，内层霍尔元件3检测触头1底部空间的磁场的变化，输出对应的电压信号，表征着力的方向；外层霍尔元件7检测铁镓丝4内部磁场的变化，输出对应的电压信号，表征着力的大小，即图3中“电”的部分。
到此完成了“力-磁-电”的转化过程。通过示波器或者数据采集卡将8个电压信号采集到计算机中，根据对应的算法求解出触头1受到的三维力的大小和方向。
为了验证本实施例中三维力触觉传感器的性能，下面通过三个具体实验予以验证。
实验1：传感器在0～2N的垂直静态力作用下实际输出电压曲线，主要目的是研究传感器对垂直方向上力的灵敏度以及确定传感器解耦算法中每个外层霍尔元件的修正系数。
实验平台搭建：将如图1-2所示的封装好的传感器固定在角度台上，采用载荷机对传感单元施加压力，通过直流稳压电源给传感器提供初始电压，通过数据采集卡采集传感器的输出电压并在计算机中显示。
实验过程与结果：传感器组装好后固定在角度台上，角度台调整角度θ＝0°，将传感器的8个输出端口连接到DH-8303型数据采集卡上，采集卡与计算机连接，通过计算机读取数据。传感器VCC和GND端口与直流稳压电源连接，VCC端口接3V直流电压，GND端口接地。采用载荷机给传感单元施加力，记录计算机中显示的电压信号，结果如图4所示，可见传感器线性度较好，能够测量0-2N的静态力，修正系数分别为0.42，0.31，0.11，0.16。
本发明涉及的软件或协议均为公知技术。
实验2：传感器在r＝1.5N，θ＝50°，不同时的静态力作用下实际输出电压曲线，主要目的是研究传感器对水平方向力的线性度。
实验平台搭建：将如图1-2所示的封装好的传感器固定在角度台上，采用载荷机对传感单元施加压力，通过直流稳压电源给传感器提供初始电压，通过数据采集卡采集传感器的输出电压并在计算机中显示。
实验过程与结果：传感器组装好后固定在角度台上，角度台调整角度θ＝50°，将传感器的8个输出端口连接到DH-8303型数据采集卡上，采集卡与计算机连接，通过计算机读取数据。传感器VCC和GND端口与直流稳压电源连接，VCC端口接3V直流电压，GND端口接地。采用载荷机给传感单元施加固定1.5N的力，调整φ的角度，每10°记录一次数据，记录计算机中显示的电压信号，结果如图5，图6所示，可以明显看出正弦曲线的形状，可见传感器对水平力线性度较好。
本发明涉及的软件或协议均为公知技术。
实验3：传感器1Hz垂直动态力作用下实际输出电压曲线，主要目的是研究传感器的动态测量性能。
实验平台搭建：实验平台包括激振器，信号发生器，功率放大器，直流稳压电源，数据采集卡和计算机。使用功率放大器将信号发生器输出的1Hz正弦信号放大，传递给激振器，使其产生幅值1N，频率为1Hz的动态力，直流稳压电源给传感器供电，传感器的输出信号通过数据采集卡传递给计算机显示。
实验过程与结果：传感器组装好后固定在角度台上，角度台调整角度θ＝0°，φ＝0°。将传感器的外层霍尔元件1的输出端口连接到DH-8303型数据采集卡上，采集卡与计算机连接，通过计算机读取数据。传感器VCC和GND端口与直流稳压电源连接，VCC端口接3V直流电压，GND端口接地。使用功率放大器将信号发生器输出的1Hz正弦信号放大，传递给激振器，激振器给传感器施加1Hz、幅值为1N的动态力，记录计算机中显示的电压信号，结果如图7所示，实验结果证明传感器具有良好的动态特性。
本发明涉及的软件或协议均为公知技术。
通过上述内容可得，本发明具有结构简单、制造和装配工艺简单，测量精度高，能够测量动态力和静态力的特点。单通道灵敏度高达40mV/N，在垂直方向和水平方向都具有良好的线性度，在1Hz的动态力下具有良好的输出特性。装配在机械手上，能够赋予机械手三维力感知的能力，可完成形状识别，刚度检测，纹理识别等简单任务，还可以进行握持位姿检测，物体重心检测，判断最优抓取姿势等复杂任务，给予机械手更加智能化的触觉感知能力。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，包括触头、小型永磁体、内磁场检测元件、外磁场检测元件、磁致伸缩金属、传感器底座和偏置磁场永磁体；
所述触头用于接收压力；
所述磁致伸缩金属的一端与所述触头活动连接，所述磁致伸缩金属的另一端与所述传感器底座固定连接，并与所述外磁场检测元件接触；
所述偏置磁场永磁体用于向所述磁致伸缩金属的固定端提供偏置磁场；
所述小型永磁体与所述触头的底部固定连接，所述小型永磁体用于向所述磁致伸缩金属的活动端提供偏置磁场，所述小型永磁体还用于跟随所述触头的运动而改变所述触头底部的空间磁场；
所述内磁场检测元件用于通过检测所述触头底部的所述空间磁场的变化来检测所述触头的运动方向；
所述外磁场检测元件用于通过检测所述磁致伸缩金属的内部磁场变化来检测所述触头的受力大小；
所述小型永磁体和所述内磁场检测元件位于所述触头内部；
所述外磁场检测元件所述和偏置磁场永磁体与所述传感器底座固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，所述内磁场检测元件和所述外磁场检测元件均为霍尔元件。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，所述触头的侧面在相互垂直的四个方向上各有一个通孔；
所述磁致伸缩金属的活动端通过所述通孔与所述触头活动连接。
4.根据权利要求3所述的基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，所述磁致伸缩金属为铁镓丝。
5.根据权利要求4所述的基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，所述铁镓丝共有四根；
四根所述铁镓丝分别通过一个所述通孔与所述触头活动连接，且四根所述铁镓丝相互垂直。
6.根据权利要求1-5任一项所述基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，所述三维力触觉传感器采用极坐标标定。
7.根据权利要求6所述基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，所述内磁场检测元件和所述外磁场检测元件均将检测到的磁场变化转变为电压信号。
8.根据权利要求7所述基于磁致伸缩逆效应的三维力触觉传感器，其特征在于，通过数据采集卡或示波器将所述电压信号传递至计算机中，得到所述触头收到的三维力的大小和方向。
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