CN114354025B - 一种测力装置及末端执行器 - Google Patents

Abstract

一种测力装置及末端执行器，其中，测力装置包括力传感器，力传感器包括弹性体、置于弹性体内并位于第一预设平面的磁性件及置于弹性体内并位于第二预设平面的感应件；第一预设平面与第二预设平面平行间隔设置，弹性体能够受外力作用而变形，使磁性件与感应件相互靠近或相互远离，改变感应件所处的磁场位置；感应件用于检测磁场并输出感应电信号。采用磁性件与感应件相互配合的方式，利用弹性体受外力作用能够发生弹性变形的特点，无需借助任何中间转接器件即可测得外力信息；由于传感器具有质地柔顺、耐受性强等特性，有效地提升了传感器的可交互性和环境适应性，使其适用于如触觉传感、机器人皮肤、人机交互等需要匹配复杂外形环境或脆弱环境。

Description

一种测力装置及末端执行器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种测力装置及末端执行器。

背景技术

力传感器是一种将力的量值转换为相应电信号输出的传感器件。目前，市面上的力传感器大多为刚性结构，如应变片式力传感器等；尽管该类结构的传感器具有测量精度高、测量范围广、频响特性好等优点，并且在工业生产等领域占用重要地位。但由于其交互性和适应性较差，在应用于触觉传感、机器人皮肤、人机交互等需要匹配复杂的外形环境或者脆弱环境中时并不占优优势。

发明内容

本发明提供一种力传感器以及应用了该力传感器的测力装置和末端执行器，用以解决现有力传感器所存在的交互性及适应性差的问题。

根据第一方面，一种实施例中提供一种力传感器，包括弹性体、磁性件和感应件；其中：

所述磁性件设置于弹性体内并位于第一预设平面，所述磁性件用于形成磁场；

所述感应件设置于弹性体内并位于第二预设平面，所述感应件用于检测磁场，以输出感应电信号；所述第一预设平面与第二预设平面平行间隔设置；

所述弹性体用于承受和传递外力，所述弹性体能够受外力作用而变形，以使得所述磁性件与感应件相互靠近或相互远离，从而改变所述感应件所处的磁场位置。

一个实施例中，包括两个感应件，两个所述感应件间隔排布于第二预设平面，且两个所述感应件在第一预设平面上的投影对称地分布于磁性件的两侧。

一个实施例中，包括一个感应件，所述感应件与磁性件间隔正对设置。

一个实施例中，所述感应件采用霍尔传感器。

一个实施例中，所述弹性体由软质弹性材料一体浇注成型或一体注塑成型，以能够将所述磁性件和感应件包裹固定于弹性体内。

一个实施例中，所述弹性体采用硅胶材料制成。

一个实施例中，所述磁性件采用永磁合金体或永磁铁氧体。

一个实施例中，所述弹性体具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面用于接收和传递外力，所述第二表面用于弹性体固定于预设位置，所述磁性件设置于弹性体内并邻近第一表面，所述感应件设置于弹性体内并邻近第二表面。

根据第二方面，一种实施例中提供一种测力装置，包括：

力传感器，采用第一方面所述的力传感器；以及

控制模块，与所述感应件连接，所述控制模块用于获取感应件输出的感应电信号，并对获取的感应电信号进行解析计算，以得到作用于所述弹性体的外力信息。

根据第三方面，一种实施例中提供一种末端执行器，包括本体和第二方面所述的测力装置，所述弹性体固定设置于本体的表面。

依据上述实施例的力传感器，包括弹性体、置于弹性体内并位于第一预设平面的磁性件以及置于弹性体内并位于第二预设平面的感应件；第一预设平面与第二预设平面平行间隔设置，弹性体能够受外力作用而变形，使得磁性件与感应件相互靠近或相互远离，从而改变感应件所处的磁场位置；感应件用于检测磁场并输出感应电信号。采用磁性件与感应件相互配合的方式，利用弹性体受外力作用能够发生弹性变形的特点，使得感应件能够通过检测磁场的感应输出相应的电信号，从而无需借助任何中间转接器件即可测得并获取外力信息；同时，由于传感器具有质地柔顺、耐受性强等特性，有效地提升了传感器的可交互性和环境适应性，使其能够适用于如触觉传感、机器人皮肤、人机交互等需要匹配复杂外形环境或脆弱环境。

附图说明

图1为一种实施例的力传感器的结构透视图。

图2为一种实施例的力传感器中两个感应件之间的位置关系示意图。

图3为一种实施例的力传感器中感应件与磁性件之间的位置关系示意图。

图4为一种实施例的力传感器仅受正压力作用时的结构状态示意图。

图5为一种实施例的力传感器受正压力和剪切力作用时的结构状态示意图。

图6为一种实施例的力传感器中正压力与霍尔电压的实验拟合关系图。

图7为一种实施例的力传感器中正压力与电压和的实验拟合关系图。

图8为一种实施例的力传感器中剪切力与霍尔电压的实验拟合关系图。

图9为一种实施例的力传感器中剪切力与电压和的实验拟合关系图。

图10为一种实施例的力传感器中剪切力与电压差的实验拟合关系图。

图11为一种实施例的力传感器中正压力与比例系数的剪切力关系图。

图12为一种实施例的力传感器的截面结构示意图。

图13为一种实施例的测力装置的控制原理框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

本申请实施例提供的力传感器，以弹性体作为传感器的***主体，通过将磁性件和感应件进行包裹封装形成传感器的整体结构构造。其一，采用磁性件与感应件相互配合的方式，利用弹性体受外力作用能够发生弹性变形的特点，使得感应件能够通过检测磁场的变化（包括但不限于磁场的强度变化），感应并输出相应的电信号，通过对电信号的分析计算，可最终得到外力的信息，如外力的方向、大小等信息；从而无需借助任何中间转接器件即可测得并获取外力信息。其二，利用弹性体弹性变形的特点，使得传感器本身具有柔顺、结构简单小巧、质地轻盈等特性，形成软体或柔性传感器，从而有效地提升了传感器的可交互性和环境适应性，使其能够适用于如触觉传感、机器人皮肤、人机交互等需要匹配复杂外形环境或脆弱环境。其三，通过对弹性体的材料类型的选择配置，如采用硅胶、橡胶等材料，可利用该类材料所具有的良好耐温性、耐湿性、耐腐蚀性以及成型后反应惰性低等特点，使得传感器能够适应如海底、水下等恶劣应用环境。

实施例一

请参阅图1至图3，本实施例一提供了一种力传感器，例如一种二维测力传感器。该力传感器包括弹性体10、磁性件20和两个感应件（为便于描述，将其中一个感应件定义为第一感应件并标记为31、将另一个感应件定义为第二感应件并标记为32）；下面分别说明。

请参阅图1至图3，弹性体10作为传感器整体的***主体部分，一方面起到对磁性件20、第一感应件31和第二感应件32进行对位配合的作用；另一方面起到接收和传递外力的作用。该弹性体10大致为一具有一定厚度的板状或块状结构，可外轮廓形状可根据实际情况（如末端执行器的感知部位的面域形状尺寸等）采用如矩形、圆形、曲面形等规则或不规则的几何形状，使得该弹性体10能够自然形成或具有相对分布的两个表面，为便于描述，将其中一个表面定义为第一表面、将与第一表面相对的另一个表面定义为第二表面；其中，第一表面主要用于接收和传递外力，以使得弹性体10在外力作用下朝第二表面所在方向发生相应的变形；第二表面主要用于传感器整体的安装固定，如以粘接、卡接等方式贴附地固定于末端执行器的表面。

一个实施例中，弹性体10采用硅胶材料，以利用硅胶材料所具有的防滑减震、受力可变形、耐受性强等特点，使得传感器整体具备质地轻盈柔顺、结构简单小巧等特性。其他实施例中，弹性体10也可采用如橡胶等软质弹性材料或者可注模成型的软质材料。

请参阅图1至图3，磁性件20设置于弹性体10内，主要起到在弹性体10的内部或者两个感应件的附近形成磁场的作用；在弹性体10处于自然状态（亦可理解为初始状态，或者不存在外力的状态）下，磁性件20位于第一预设平面，该第一预设平面邻近弹性体10的第一表面设置。具体实施时，磁性件20可根据实际情况（如磁性大小等）采用永磁合金、永磁铁氧等具有一定磁性的材料制成。

请参阅图1至图3，第一感应件31和第二感应件32设置于弹性体10内，主要用于检测磁场并能够输出感应电信号，以为后续通过计算分析两者所输出的电信号来最终测得或获取外力信息提供信息支持；在弹性体10处于自然状态下，第一感应件31与第二感应件32按第一预设距离d1间隔排布在第二预设平面，该第二预设平面邻近弹性体10的第二表面设置，并且该第二预设平面与第一预设平面按第二预设距离d2平行间隔设置，而第一感应件31和第二感应件32在第一预设平面上的投影则对称地分布在磁性件20的两侧，从而使得第一感应件31、第二感应件32和磁性件20两两之间均呈现间隔排布的特点，并且磁性件20与第一感应件31和第二感应件32之间的间隔距离是相同的。

一个实施例中，第一感应件31和第二感应件32采用相同的霍尔传感器，以利用霍尔传感器对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等特点，提升传感器整体对外力的敏感性以及测量的准确性和即时性。其他实施例中，第一感应件31和第二感应件32也可采用其他能够对磁场进行检测感应的功能器件，如磁阻敏感器、薄膜磁致电阻传感器等。

需要说明的是，本实施例中引入了对第一预设平面和第二预设平面的描述，该第一预设平面和第二预设平面是虚拟且自定义的平面，仅仅为了清楚明了地说明在弹性体10处于自然状态时，磁性件20、第一感应件31和第二感应件32之间相对位置关系，并不代表第一预设平面和第二预设平面真实地存在于弹性体10或者传感器整体上。

基于此，当弹性体10的第一表面接收到外部施加的外力时，弹性体10的第一表面上的受力区域即会在外力作用下向其第二表面所在方向发生变形，从而促使磁性件20靠近第一感应件31和/或第二感应件32，在磁性件20靠近的过程中，会导致弹性体10内部（或者两个感应件附近）的磁场发生变化（如感应件所感应的磁场强度、感应件所处的磁场位置等），受磁场变化的影响，第一感应件31和第二感应件32即会输出相应的感应电信号，而通过对感应件所输出的电信号进行计算分析，即可最终测量得到该外力的相关信息，如外力的大小和方向信息等。

下面以弹性体10的硬度、磁性件20的磁性等参数已精确确定，第一感应件31和第二感应件32均采用霍尔传感器，并且霍尔传感器的输出电压范围为0-5V为例，对该力传感器的感测原理进行分析；需要说明的是，该分析过程所涉及的方法，可在该力传感器具体应用时，由与霍尔传感器（即：第一感应件31和第二感应件32）连接的控制模块来执行，所述及的控制模块可以是具有数据处理能力的处理器、计算机或者相关功能器件所组成的***。

请参阅图4、图6和图7，该力传感器所受到的外力为正压力Fz（即：外力沿Z轴方向正对磁性件20施加于弹性体10的第一表面），弹性体10发生弹性变形时，会致使磁性件20朝靠近第一感应件31和第二感应件32的方向移动，并且磁性件20仅在Z轴方向上存在位移；所以磁性件20与第一感应件31和第二感应件32之间的距离是相同的，换而言之，第一感应件31和第二感应件32所实时检测到的磁场也是相同的；因此，随着正压力F1的增加，第一感应件31感应输出的电压U1和第二感应件32感应输出电压U2呈线性增加并保持重合（具体请参阅图6，需要说明的是，该图6中的虚线和实线并行排布仅是为了区分电压U1和电压U2）。

此时，转换成正压力Fz与霍尔传感器的电压和（即：第一感应件31和第二感应件32所输出的电压之和）的关系（具体请参阅图7），可建立公式一：

依据公式一，即可最终测量并获取正压力Fz的大小信息；其中，公式一中的47.325和311.221均为实验曲线的拟合结果，亦可理解为是在配置该力传感器时，通过实验测量所得到的经验值。

请参阅图5以及图8至图11并结合图4、图6和图7，该力传感器所受到的外力为正压力Fz和剪切力Fx的复合作用力时（亦可理解为倾斜地向弹性体10的第一表面施加作用力时，该作用力可分解为沿Z轴方向的正压力Fz和位于XY轴平面内的剪切力Fx）；或者将正压力Fz和剪切力Fx分开施加于弹性体10上时，即：先向弹性体10施加正压力Fz，然后保持正压力Fz为一定值不变，再后从零开始逐渐增加施加于弹性体10上的剪切力Fx，该过程中，剪切力Fx的存在会致使磁性件20向靠近第一感应件31、远离第二感应件32的方向移动，从而使得第一感应件31的输出电压线性增加、与此同时第二感应件32的输出电压则线性减小（具体请参阅图8）。

由于在正压力Fz保持不变的情况下，第一感应件31和第二感应件32所输出电压之和（即：霍尔电压和）保持不变，故剪切力Fx的变化并不会影响霍尔电压和，电压和仅与正压力Fz有关（具体请参阅图9）；同时，剪切力Fx与霍尔电压差（即：第一感应件31输出的电压U1减去第二感应件32输出的电压U2）则呈正比（请参阅图10），可将该比值定义为比例系数k；在具体实施时，可通过向该力传感器施加不同的正压力Fz，如0.5kg、1.0kg、1.5kg、2.0kg等，实验测出不同正压力Fz下时的比例系数k，从而拟合出一条直线（具体请参阅图11），从而建立公式二：

依据公式二即可得到不同正压力Fz下，剪切力Fx与霍尔电压差之间的比例系数k；进一步地，即可建立公式三：

基于公式一、公式二和公式三，即可最终测量并得到外力信息，包括该外力在Z轴和X轴方向的二维复合分力，即：剪切力Fx和正压力Fz。需要说明的是，公式二中的-0.17936和13.3727均为实验曲线的拟合结果，亦可理解为是在配置该力传感器时，通过实验测量所得到的经验值。

通过上述分析可知：通过磁性件20与第一感应件31和第二感应件32的配合，并借助弹性体10的弹性变形特性，该力传感器是能够实现一维测力及二维测力的。

具体实施时，以第一感应件31和第二感应件32均采用霍尔传感器为例，可根据该力传感器的具体应用对弹性体10的硬度、磁性件20的磁性、霍尔传感器的输出电压范围等对第一预设距离d1和第二预设距离d2选择设置，通过对第一预设距离d1和第二预设距离d2的掌控，可实现对该力传感器的敏感性以及所测外力大小的调配，以使其能够适用于不同的应用场景。

具体地，根据上述分析可知，当剪切力Fx由零逐渐增长时，磁性件20会从第一感应件31与第二感应件32之间偏向其中一个移动，使得第一感应件31和第二感应件32所输出的电压呈现出一个增大、一个减小（具体请参阅图8）；因此，第一预设距离d1决定了该力传感器所能够测得的最大剪切力Fx。而第二预设距离d2则决定了感应件输出的电压，通过对第二预设距离d2的设定，可以确定感应件输出电压的范围，进而确定该传感器的量程。通常，弹性体10的硬度越大，该力传感器所能够测得的外力越大；而磁性件20的磁性越强，则磁性件20发生很小的移动距离都会导致感应件输出的电压发生很大的变化，使得该力传感器变得极为敏感。

在弹性体10的硬度不变的情况下，磁性件20的磁性越弱，则第二预设距离d2就不能设置的过大，以免感应件所输出的电压降为零，造成力传感器无法感测外力；反之，磁性件20的磁性越强，则第二预设距离d2就不能设置的过小，以免感应件所输出的电压直接达到最大值。基于相同的原理，在磁性件20的磁性不变的情况下，可采用硬度较小的弹性体10，以实现微小外力的感测。因此，通过对第一预设距离d1、第二预设距离d2、弹性体10的硬度、磁性件20的磁性等参数的选择配置，可有针对性地将该力传感器应用于不同的应用场景。

一个实施例中，弹性体10采用如硅胶、橡胶等软质弹性材料一体浇注成型或者一体注塑成型，以实现将磁性件20、第一感应件31和第二感应件32以包裹的形式一体固定于弹性体10内，从而形成整体封装式的软体或柔性力传感器。具体实施时，以硅胶浇注工艺为例，可预先将第一感应件31和第二感应件32摆放至模具上，并将两者的间距调整至第一预设距离d1；而后将熔融硅胶注入模具并使得硅胶液面满足第二预设距离d2；随后放入磁性件20，使之位于第一感应件31与第二感应件32之间（或者两个感应件对称地分布在磁性件20的两侧）；最后，再次注入熔融硅胶，使其覆盖磁性件20至一定厚度（如1mm）。如此，即可完成磁性件20及两个感应件的封装固定以及该力传感器的成型。

实施例二

请参阅图12并结合图4、图6和图7，本实施例二提供了一种力传感器，例如一种一维测力传感器；该力传感器与实施例一的差别在于：在弹性体10内设置一个感应件（为便于描述，将该感应件定义为第三感应件并标记为33）。

该第三感应件33布置于弹性体10内，并与磁性件20按第二预设距离d2呈间隔正对设置。如此，利用弹性体10的弹性变形的特点，可在磁性件20和第三感应件33的配合下，实现对正压力Fz的感测测量；具体感测原理，可参考实施例一中对正压力Fz的测量分析方法，在此不作赘述。

实施例三

请参阅图13，本实施例三提供了一种测力装置，其包括控制模块A、力传感器B、电源模块C以及其他因应需要而存在的部件；其中，力传感器B采用实施例一或实施例二中的力传感器；控制模块A可采用具有数据分析处理能力的处理器、计算机或相关功能器件组成的***，电源模块C主要用于为感应件供电的电源器件；利用控制模块A来接收（或获取）感应件输出的感应电信号，并对获取的感应电信号进行解析计算，即可获得作用于力传感器（具体为弹性体10）上的外力信息，从而实现一维测力或二维测力。该控制模块A的具体解析计算方法，可参考实施例一中对力传感器的感测原理进行分析时所采用的方法，在此不作赘述。

实施例四

本实施例四提供了一种末端执行器，例如一种机械手指、人机交互装置、机器人骨骼等，该末端执行器包括本体和实施例三中的测力装置；其中，弹性体10的第二表面可采用粘接、卡接等方式固定在本体的表面；一方面，利用力传感器所具有的轻质柔顺、适应性和交互性强等特点，使力传感器能够适应本体的表面形态；另一方面，也可提升末端执行器对外力的感知能力，从而执行相应的功能动作。具体实施时，可将多个力传感器布置在末端执行器的本体上的不同感知位置，借助控制模块A对多个力传感器所输出的感应电信号进行分析计算，从而可在末端执行器上构建出近似于神经网络的感知***。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种测力装置，其特征在于，包括力传感器和控制模块，所述力传感器包括弹性体以及对位配合的一个磁性件和两个感应件；其中：

所述磁性件设置于弹性体内并位于第一预设平面，所述磁性件用于形成磁场；

所述感应件用于检测磁场，以输出感应电信号；两个所述感应件间隔设置于弹性体内并位于第二预设平面，且两个所述感应件在第一预设平面上的投影对称地分布于磁性件的两侧；所述第一预设平面与第二预设平面平行间隔设置；

所述弹性体用于承受和传递外力，所述弹性体能够受外力作用而变形，以使得所述磁性件与感应件相互靠近或相互远离，从而改变所述感应件所处的磁场位置；

所述控制模块分别与两个所述感应件连接，用于获取两个所述感应件分别输出的感应电信号，并对获取的感应电信号进行解析计算，以得到作用于所述弹性体的外力信息，从而实现二维测力；所述外力信息包括所述外力在两个不同方向上的分力信息。

2.如权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述感应件采用霍尔传感器。

3.如权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述弹性体由软质弹性材料一体浇注成型或一体注塑成型，以能够将所述磁性件和感应件包裹固定于弹性体内。

4.如权利要求3所述的测力装置，其特征在于，所述弹性体采用硅胶材料制成。

5.如权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述磁性件采用永磁合金体或永磁铁氧体。

6.如权利要求1所述的测力装置，其特征在于，所述弹性体具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面用于接收和传递外力，所述第二表面用于弹性体固定于预设位置，所述磁性件设置于弹性体内并邻近第一表面，所述感应件设置于弹性体内并邻近第二表面。

7.一种末端执行器，其特征在于，包括本体和如权利要求1-6中任一项所述的测力装置，所述弹性体固定设置于本体的表面。

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