[发明专利]基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构及应用

说明书

本发明公开了一种基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，包括含有永磁材料的柔性主体，所述柔性主体具有负泊松比结构，其设定区域经过了折叠磁化处理。本发明还公开了一种由上述传感结构组成的传感器。本发明提供的传感器可以应用在密封和无线的场景，该发明能够检测力的大小和位置，该柔性传感器在机器人的触感皮肤应用中具有广阔的前景。基于磁场的传感磁片与霍尔元件之间的作用是无接触的，在某些难以建立连接线的隔离情况下，它也可以用作不受束缚的触觉传感器。本发明采用了三角形沙漏结构的磁片结构，可以使得小磁片的磁信号变化和受力变化呈现线性关系，可以同时检测力的大小以及位置。

技术领域

本发明属于物理传感器，具体是涉及一种基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构及应用。

背景技术

柔性触觉传感器是一个新兴的领域，因为它们可以被应用到人机交互和可穿戴电子设备等范围。近年来，一些针对机器人电子皮肤和可穿戴设备的柔性触觉传感器的研究已经开始进行。有许多采用不同传感机制的触觉传感器，如压电阻力、压电、和电容性。对于传统的触觉传感器来说，从触觉传感器上可以感知到的信息相对单一，仅限于压力，显示剪切力或指尖表面结构和力的位置无法识别。

论文文献1(S.M.Doshi,E.T.Thostenson,Thin and Flexible Carbon Nanotube-Based Pressure Sensors with Ultrawide Sensing Range,ACS Sensors.3(2018)1276–1282.https://doi.org/10.1021/acssensors.8b00378.)中提到的基于碳纳米管的柔性压力传感器只能得到压力数据，无法获取其他信息。

又如论文文献2(C.Mu,Y.Song,W.Huang,A.Ran,R.Sun,W.Xie,H.Zhang,FlexibleNormal-Tangential Force Sensor with Opposite Resistance Responding for HighlySensitive Artificial Skin,Adv.Funct.Mater.28(2018)1–9.https://doi.org/10.1002/adfm.201707503.)中提到的具有反电阻的柔性法向力传感器无法获取受到压力的具体位置信息。为了感知更多信息，触觉传感器阵列被用来感知力的大小和位置，但必须使用大量电线来连接机器人的柔性覆盖物和内部控制系统，这会导致维护非常麻烦。虽然液态金属可以在一定程度上缓解维护问题，但大型信号处理工作的负担仍然阻碍着触觉传感器阵列的应用发展。

发明内容

本发明提出了一种基于感应磁场的柔性触觉结构以及传感器，用于同时检测力的大小和位置，并可以得到力和磁场变化的线性关系，便于处理数据。

该传感器也可以用作不受束缚的触觉传感器，可以运用到极端环境中用作机器人的外壳触觉传感器。

该发明基于折叠充磁法的线性磁性柔性传感器为这些问题提供了解决方案。通过折叠充磁法制备的磁性柔型传感器能够同时感测力的大小和位置，在机器人的触觉皮肤领域具有广阔的应用前景，并且负载特性和信号之间的线性关系使其更易于处理数据。基于磁场的传感磁片与霍尔元件之间的作用是无接触的，在某些难以建立连接线的隔离情况下，它也可以用作不受束缚的触觉传感器。

一种基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，包括含有永磁材料的柔性主体，所述柔性主体具有负泊松比结构，其设定区域经过了折叠磁化处理。

本发明结合负泊松比结构和设定区域的折叠磁化处理，可以得到力和磁场变化的线性关系，进而可以应用于触觉传感，利用对磁场信号的检测，可以直接得到施力点坐标。

作为优选，所述设定区域为呈直线分布的区域。作为优选，所述设定区域为折叠磁化过程中折痕所在的区域。作为进一步优选，所述折叠为将柔性主体直接对折，所述折痕为直线结构。作为更进一步优选，所述柔性主体为对称片结构，所述折痕为其对称轴线。所述柔性主体的形状可以是矩形、圆形、菱形、三角形等对称结构。