[发明专利]基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器

说明书

本发明公开了一种基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器，包括弹性体、永磁铁、柔性压阻阵列、导电线圈阵列；永磁铁安装在弹性体内部；弹性体的底部与柔性压阻阵列的作用端连接；导电线圈阵列置于柔性压阻阵列的下方；本申请通过弹性体、永磁铁、柔性压阻阵列、导电线圈阵列的设置及其连接，有效的将柔性压阻单元阵列和磁铁线圈阵列两种敏感单元有机结合，基于压阻效应和电磁感应原理，能够实现柔性接触面上的三维力(即正压力和二维摩擦力)和滑动的检测，可以分辨滑动的二维方向，兼顾力与滑动检测的静态性能和动态性能，并且具有制作成本低的特点。

技术领域

本发明涉及触觉传感器技术领域，尤其涉及一种基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器。

背景技术

物体抓取是许多机器人或灵巧机械手的基本功能。为了能够安全可靠地抓取物体，机器人或灵巧机械手通常需要触觉传感器来感知物体的状态。在物体抓取过程中，触觉传感器与物体直接接触，这种接触按双方材料性质可分为刚性接触和柔性接触。对于抓取质地柔软或易碎的物体(如鸡蛋、水果、蔬菜等)，为降低冲击/碰撞对物体的损伤，柔性接触更为理想，因此需要触觉传感器具备一定的柔性。柔性接触时，其接触面上的力和滑动检测对于物体抓取效率具有极其重要的意义，因此柔性触觉传感器的力和滑动检测性能直接影响着机器人或灵巧手的抓取效率。

目前，柔性触觉传感器主要基于光波导效应、压阻效应、压电效应或者电磁感应等原理来实现接触面力或滑动的检测。其中，基于光波导效应的触觉传感器主要由具有凸起触头阵列的柔性层、光钎、电荷耦合器件(CCD)相机、支承结构等组成，具有灵敏度比较高的特点。采用压阻效应的触觉传感器主要基于微型机电系统(MEMS)工艺硅基压阻单元、压敏导电橡胶等敏感元件，将其以独立单元或阵列形式嵌入橡胶材质的柔性基体中，以实现表面柔性或整体柔性。采用压电效应的触觉传感器主要基于聚偏氟乙稀(PVDF)敏感单元，也是采用以独立单元或阵列形式嵌入柔性基体的方式实现表面柔性或整体柔性。采用电磁感应原理的触觉传感器主要基于磁铁-线圈阵列结构单元，即把永磁铁嵌入橡胶材质的弹性体中，利用弹性体受力变形带动其内部永磁铁在线圈阵列上方产生切割磁感线运动的方式来实现接触面力或滑动的检测。

上述传统技术的缺点是：采用光波导效应的触觉传感器灵敏度比较高，但是体积通常较大，而且需要复杂的图像处理，应用范围受限。采用压阻效应的触觉传感器主要基于MEMS工艺硅基压阻单元、压敏导电橡胶等敏感元件，其中MEMS工艺硅基压阻单元力检测精度较高，动态性能良好，但制作成本高昂，而且硅基传感器质地较脆，将显著降低触觉传感器的承载能力和抗冲击能力；而压敏导电橡胶力检测精度较低，动态性能较差，适合于对检测精度和动态性能要求不高的应用场合。采用压电效应的触觉传感器主要基于PVDF敏感单元，其动态检测性能较好，但静态力检测精度较差。采用电磁感应原理的触觉传感器主要基于磁铁-线圈结构单元，具有较好的动态检测性能，但同样存在静态力检测精度差的问题。此外，目前的柔性触觉传感器普遍采用单一原理进行接触面力或滑动的检测，无法同时兼顾力与滑动检测的静态性能和动态性能。

因此需要研发出基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

基于柔性压阻阵列和磁铁线圈阵列的柔性触觉传感器，包括：

用于柔性接触的弹性体；

永磁铁；永磁铁安装在弹性体内部；

柔性压阻阵列；弹性体的底部与柔性压阻阵列的作用端连接；

导电线圈阵列；导电线圈阵列置于柔性压阻阵列的下方，弹性体在水平摩擦力作用下将发生变形，进而带动内部永磁铁在导电线圈阵列上方产生切割磁感线运动。