[发明专利]一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列

说明书

本发明为一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列。所述的传感器阵列由9个传感单元以3×3形式排列在柔性印刷电路板上；所述的传感单元包括触头、铁镓丝、壳体、条形永磁体和霍尔元件；其中，壳体两侧各设置有一个堆栈，后部固定有霍尔元件；三条铁镓丝的一端从触头的下侧穿入其内，三条铁镓丝平行，均匀间隔分布；铁镓丝以倾斜角度15°～40°穿过壳体的上表面，另一端与霍尔元件接触；每个堆栈由2～4个条形永磁体罗列而成。本发明具有结构简单，体积小，响应速度快，稳定性好的优点，可以实现对力的精确测量。

技术领域

本发明将磁致伸缩铁镓材料应用于智能机械手的传感器领域。产品是基于逆磁致伸缩效应的新型磁致伸缩触觉传感器阵列，可应用于机械手指端，实现对触觉的精确感知。

背景技术

随着机器人技术、识别和感知技术的快速发展，用于生产实践的机械手需要满足智能化的需求。首要目标是需要机械手能够通过抓取来感知物体的物理属性，并以此为依据实现精确抓取，触觉信息的获取是实现机械手智能抓取的重要前提。现有的触觉传感器可分为电容型、压阻型、压电型和光纤型。电容型、压阻型、压电型传感器大部分都是以夹层结构为基础，来填充不同的敏感材料(PVDF，PDMS，石墨烯等)或者是改变夹层的形状(金字塔形、柱形、球形等)实现感知，其中，电容式触觉传感器的体积微小，其输出电容较小，信噪比低，容易受到寄生电容的干扰。压阻式触觉传感器具有灵敏度高、制造工艺简单、价格低廉等优点，是目前应用最广泛的触觉传感器，但其测量分辨率不如电容式传感器。压电触觉传感器具有良好的动态性能，但其自供电结构使得传感器不能保持输出电压的稳定，静态性能较差。光纤触觉传感器主要以条带状结构为基础，利用电磁波导的几何变化与波的调制相耦合来实现感知，虽然精度高，但其制造过程复杂且价格昂贵。

发明内容

本发明的目的为针对目前触觉传感器体积大且不具有柔性的问题，提供一种柔性磁致伸缩触觉传感器阵列。该阵列由6个或9个传感单元组成，每个传感单元采用3根磁致伸缩铁镓丝(成分为Fe₈₃Ga₁₇)作为传导部件，铁镓丝以悬臂梁结构的倾斜姿态一端固定在壳体中，另一端连接触头；此外，采用条形永磁体产生偏置磁场，采用霍尔元件检测铁镓丝受力形变而引起的磁感应强度的变化而产生输出信号。本发明具有结构简单，体积小，响应速度快，稳定性好的优点，可以实现对力的精确测量，当压力为3N时，输出电压达到71.58mV，灵敏度为23.86mV/N，能够满足机械手的触觉力测量精度。

本发明的技术方案是：

一种用于智能机械手的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列，所述的传感器阵列由6或9个传感单元，以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷电路板上；

所述的传感单元包括触头、铁镓丝、壳体、条形永磁体和霍尔元件；

其中，壳体两侧各放置一组永磁体，后部固定有霍尔元件；三条铁镓丝的一端从触头的下侧穿入其内，三条铁镓丝平行，间距均匀分布；铁镓丝以倾斜角度15°～30°穿过壳体的上表面，另一端与霍尔元件接触；每一组永磁体由2～4个条形永磁体堆叠而成；触头为圆台状，水平分布；

所述的柔性磁致伸缩触觉传感器阵列中，6或9个传感单元以2×3形式或者3×3形式排列在柔性印刷电路板上，每个传感单元的霍尔传感器的3个引脚插入柔性印刷电路板上对应的焊盘；传感单元之间，行间距为6～8mm；

所述的磁致伸缩触觉传感器阵列结构由硅胶封装，仅露出传感单元触头与引线端。

所述的电路板中，基板的顶端和底端各设置有一排引线端出线焊盘；焊盘的总数为传感单元的数量+4；顶端一排焊盘中，两侧的焊盘分别为电路板的副VCC端和电路板的主GND端；

底端的一盘焊盘中，两侧的焊盘分别为电路板的主VCC端和电路板的副GND端；

其余的焊盘分别和各个传感单元霍尔元件的SIGNAL端相连；