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用于纹理探测的磁致伸缩触觉传感器

更新时间：2020-01-03 08:49:48 大小：2M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：触觉传感器 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

为了实现对不同物体表面微观结构的检测,并判断出不同物体的粗糙度和细密度,利用铁镓合金材料(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计并制作了一种高精度和高响应的纹理探测触觉传感器。基于欧拉-伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律建立了纹理表面微观结构与输出电压之间的关系。实验结果表明:在粗糙度大于6.5的范围内,传感器可以精确识别物体的粗糙度;在细密度大于6的范围内,提取谐波频率的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度;在细密度小于6的范围内,提取功率谱重心的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度。因此,利用传感器获得的信号,通过特征值提取可以表征物体的粗糙-光滑、稀疏-细密属性。


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用于纹理探测的磁致伸缩触觉传感器.pdf 2M

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第
卷
第
期
１２  
光学 精密工程  
ꢀ
２６  
ꢀ
Ｖｏｌ．２６ Ｎｏ．１２  
ꢀ
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ꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ  
Ｏ ｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎ  
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ｇ
年
２０１８ １２  
月
ꢀ ꢀ  
Ｄｅｃ．２０１８  
ꢀ
（ ）  
１００４９２４Ｘ２０１８１２２９９１０７  
－
文章编号  
ꢀ
－
－
用于纹理探测的磁致伸缩触觉传感器  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
１２  
＊
，
王晓东  
，
李云开  
，
万丽丽  
，
郑文栋  
，
魏佳琪  
王博文  
（ ，  
河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室 天津  
１．  
；
３００１３０  
，
河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室 天津  
２．  
）
３００１３０  
： ， ，  
摘要 为了实现对不同物体表面微观结构的检测 并判断出不同物体的粗糙度和细密度 利用铁镓合金材料  
（ ）  
的
Ｇａｌｆｅｎｏｌ  
。 、  
逆磁致伸缩效应设计并制作了一种高精度和高响应的纹理探测触觉传感器 基于欧拉－伯努利梁结构动力学理论 磁致  
。 ：  
伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律建立了纹理表面微观结构与输出电压之间的关系 实验结果表明 在粗  
， ； ，  
的范围内 传感器可以精确识别物体的粗糙度 在细密度大于 的范围内 提取谐波频率的方法对细密度  
６
糙度大于  
６．５  
。
的识别具有较高的灵敏度 在细密度小于 的范围内 提取功率谱重心的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度 因  
；
，
６
， ， 、  
此 利用传感器获得的信号 通过特征值提取可以表征物体的粗糙－光滑 稀疏－细密属性  
。
： ； ； ； ；  
词 铁镓合金 磁致伸缩逆效应 纹理探测 粗糙度 细密度  
ꢀ
关
键
ꢀ
：
：
文献标识码  
Ａ
：
／
中图分类号  
ＴＰ２１２．１  
ꢀꢀ  
ｄｏｉ１０．３７８８ Ｏ ＰＥ ．２０１８２６１２ ．２９９１  
ꢀꢀ  
Ｍａｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒｆｏｒｔｅｘｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  
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ｇ
，
１２  
，
１２  
，
１２  
＊
，
，
，
ＬＩＹｕｎｋａｉ  
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ＷＡＮＧＢｏｗｅｎ  
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ＷＡＮＧＸｉａｏｄｏｎ  
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ｇ
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－
，
１２  
，
１２  
，
１２  
，
ＷＡＮＬｉｌｉ ＺＨＥＮＧ Ｗｅｎｄｏｎ  
ꢀ
，
ＷＥＩＪｉａ ｉ  
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－
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ｇ
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（
，
１．ＳｔａｔｅＫｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔ ａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｅｎｃｅｏ ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥ ｕｉ ｍｅｎｔ  
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，
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，
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ｊ
；
ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ  
ꢀ
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２．Ｌａｂｏｒａｔｏｒ ｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａ ｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＡ ａｒａｔｕｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔ ｏ  
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ＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅ ＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔ ｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ  
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，
Ｔｉａｎｉｎ３００１３０ Ｃｈｉｎａ  
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， ：  
Ｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎ ａｕｔｈｏｒ Ｅｍａｉｌ ｂｗｗａｎ ｈｅｂｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ  
＠
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＊
－
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Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｅｘｔｕｒｅｉｓｔｈｅｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔａｃｔｉｌｅｔｅｘｔｕｒｅｉｓａ  
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ꢀ
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ꢀ
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ｃｒｕｃｉａｌｆａｃｔｏｒｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒｆｏｒｉｍ ｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅ ｅｒｃｅｔｉｏｎａｎｄｅｘｅｒｔｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌｏｖｅｒｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  
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ｐ
ｇ
ꢀ
，
ｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄ ａｈｉｈｌ ａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｒｅｓｏｎｓｉｖｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒｗａｓｄｅｓｉｎｅｄａｎｄｆａｂｒｉ  
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ｃａｔｅｄｕｓｉｎ ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅｍａｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔｏｆＧａｌｆｅｎｏｌｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｄｉｆ  
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ｆｅｒｅｎｔｏｂｅｃｔｓａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｉｒｒｏｕｈｎｅｓｓａｎｄｆｉｎｅｄｅｎｓｉｔ ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＥｕｌｅｒＢｅｒｎｏｕｌｌｉｂｅａｍｄ  
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ｎａｍｉｃｓｔｈｅｏｒ ｌｉｎｅａｒｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｕａｔｉｏｎｓｏｆｍａｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄＦａｒａｄａ＇ｓｌａｗｏｆｅｌｅｃ  
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，
ｔｒｏｍａｎｅｔｉｃｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ａｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉ ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｔｅｘｔｕｒｅｄｓｕｒ  
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ｆａｃｅａｎｄｔｈｅｏｕｔｕｔｖｏｌｔａｅ．Ｔｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｅｎｓｏｒｈａｄｈｉｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ ｔｏ  
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，
ｏｂｅｃｔｒｏｕｈｎｅｓｓｒｅｃｏｎｉｔｉｏｎｆｏｒｒｏｕｈｎｅｓｓ ｒｅａｔｅｒｔｈａｎ６．５．Ｆｏｒｆｉｎｅｎｅｓｓ ｒｅａｔｅｒｔｈａｎ６ ｔｈｅｍｅｔｈｏｄ  
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，
ｏｆｅｘｔｒａｃｔｉｎ ｈａｒｍｏｎｉｃｆｒｅｕｅｎｃ ｗａｓｈｉｈｌ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅｉｎｉｄｅｎｔｉｆｉｎ ｆｉｎｅｎｅｓｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ ｗｈｅｎｔｈｅ  
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；
：
修订日期  
２０１８０３０２．  
收稿日期  
２０１８０１１９  
－ －  
ꢀꢀ  
ꢀꢀ  
－
－
：
基金项目 河北省自然科学基金项目资助  
（ ，  
Ｎｏ ．Ｅ２０１７２０２０３５ Ｎｏ ．Ｅ２０１６２０２０３４  
）
光学 精密工程  
ꢀ
第
卷
ꢀ
２６  
２９９２  
ꢀꢀꢀꢀꢀ  
ꢀꢀꢀꢀꢀ  
，
ｆｉｎｅｎｅｓｓｗａｓｌｅｓｓｔｈａｎ６ ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｅｘｔｒａｃｔｉｎ ｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆ ｒａｖｉｔ ｏｆｔｈｅ ｏｗｅｒｓｅｃｔｒｕｍ ｈａｄ  
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ｈｉｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ ｆｏｒｔｈｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｎｅｎｅｓｓ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｉｎａｌｏｂｔａｉｎｅｄｂ ｔｈｅ  
ｇꢀ ｙ  
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ꢀ
ꢀ
ｓｅｎｓｏｒｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｔｈｅｒｏｕｈｓｍｏｏｔｈａｎｄｓａｒｓｅｆｉｎｅａｔｔｒｉｂｕｔｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｂｅｃｔｓｂ  
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；
；
Ｋｅ ｗｏｒｄｓ Ｇａｌｆｅｎｏｌ ｍａｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｉｎｖｅｒｓｅｅｆｆｅｃｔ ｔｅｘｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｕｈｎｅｓｓ ｆｉｎｅｄｅｎｓｉｔ  
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；
ｇ
ꢀ
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ꢀ
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ꢀ
引 言  
ꢀ ꢀ  
１
，
纹理是物体表面微观结构分布特征的体现  
ꢀꢀ  
纹理触觉是提高对环境的感知和控制能力不可缺  
。
少的因素 纹理 触觉 信息 的检测在 虚拟 手术仿  
图 触觉传感器的的结构  
１
ꢀ
、 、  
真 遥操作机器人控制 网上购物以及虚拟博物馆  
［
］
１３  
。
－
Ｆｉ ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｅｘｔｕｒｅｔａｃｔｉｌｅｓｅｎｓｏｒ  
ｇ
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ  
触觉体验等领域具有重要作用  
在远程遥操  
，
作系统中 当视觉提供的信息不足以描述物体时  
，
磁致伸缩片状材料一端固定在非导磁  
ＦｅＧａ  
－
物体表面的纹理信息便成为判断其性质的重要依  
，
材料的外壳上 另一端与 刚性触头 连 接  
。
ＦｅＧａ  
－
。
，
目前 国内外研究者设计了诸多触觉传感器  
。
据
，
片状材料的上方有两个永磁体 为  
片状材  
ＦｅＧａ  
－
张冬至等基于电活性聚合物薄膜设计了柔性触觉  
。
料的主体部分提供均匀分布的偏置磁场 左边的  
［］  
４
。
，
工艺 开发  
ＭＥＭＳ  
传感器  
吴俊杰等基于非硅  
，
极 右边永磁体的下端为  
，
极
Ｓ
永磁体下端为  
Ｎ
了一种可用于微纳米尺度三维尺寸测量的电容式  
、
ＦｅＧａ  
－
通过左边永磁体  
片状材料和右端永磁体  
［］  
５
。
，
然而 有关电磁式触觉传感器  
微触觉传感器  
。
构成磁路 在 靠近  
片状材料 固 定 端 的 一  
ＦｅＧａ  
－
。
的研究甚少  
、 。  
侧有长 为 匝数为 的检测线圈 刚性触头在  
ｎ
ｌ
，
研究发现 新型  
磁致伸缩材料具有成  
ＦｅＧａ  
－
，
片状材料发生振动 导  
纹理表面滑动引起  
ＦｅＧａ  
－
［
］
６７  
，
－
、 、  
本低 机械性能好 响应时间短的特点  
可以作  
，
片状材料中的磁畴运动 使得  
致
片
ＦｅＧａ  
－
ＦｅＧａ  
－
［
］
８１０  
。
－
为电磁式传感器的核心材料  
本文基于磁致  
。
状材料内部的磁感应强度发生变化 基于法拉第  
， ，  
伸缩逆效应 考虑生物力学特征 应用  
，
电磁感应定律 利用检测线圈将磁感应强度的变  
材
ＦｅＧａ  
－
，
化转化为电压信号并通过放大电路输出 从而通  
、
料设计 制作了一种新型用于纹理探测的触觉传  
过感应电压信号来检测目 标 物体 的 表面纹理 特  
，
感器 并以该传感器为核心制作了纹理探测装置  
。
。
征
设计的磁致伸缩传感器可以装配在机械手上  
，
应用纹理探测装置测试了纹理表面的电压信号  
，
进行实验 其实物如图 所示  
２
。
，
分析了测 试 数 据 确 定 了 表 征 物 体 表 面 粗 糙－光  
、
滑 稀疏－细密的特征量  
。
触觉传感器的结构设计  
２
ꢀ
， ，  
由仿生学原理 手指与外界物体接触时 手指  
ꢀꢀ  
皮肤 深 层 的 机 械 感 受 器 将 产 生 响 应 的 动 作 电  
［
］
１１  
。
，
基于生物学特征 触觉传感器的核心元件  
位
磁致伸缩材料类似于手指皮肤深层的机械  
ＦｅＧａ  
－
，
感受器 外壳由与人手指皮肤具有相同弹性的硅胶  
图
装配在机械手上的磁致伸缩传感器  
２
ꢀ
， 。  
包裹 从外观上和人的手指基本相同 设计的触觉  
Ｆｉ ．２ Ｍａｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒｍｏｕｎｔｅｄｏｎｍｅｃｈａｎｉ  
ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ －  
ｇ ｇ  
、
磁致伸缩片状材料 检测线圈  
ＦｅＧａ  
、
传感器主要由  
－
ｃａｌｈａｎｄ  
ꢀ
、 ，  
永磁体 刚性触头和硅胶外壳等组成 如图 所示  
１
。

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