仿生磁致伸縮觸覺(jué)傳感陣列設(shè)計(jì)與輸出特性

劉莎莎 王博文 黃文美 翁 玲 高紹陽(yáng)

仿生磁致伸縮觸覺(jué)傳感陣列設(shè)計(jì)與輸出特性

劉莎莎1,2王博文1,2黃文美1,2翁 玲1,2高紹陽(yáng)1,2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)） 天津 300130 2. 河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300130）

受動(dòng)物毛發(fā)的觸覺(jué)機(jī)理啟發(fā)，該文采用磁敏材料Galfenol細(xì)絲設(shè)計(jì)一種仿生磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元。基于逆磁致伸縮效應(yīng)、線性壓磁方程和材料力學(xué)原理建立傳感單元的輸出特性模型，根據(jù)模型參數(shù)對(duì)傳感單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以降低空間體積。在COMSOL中搭建傳感陣列模型，分析陣列中磁場(chǎng)干擾對(duì)輸出結(jié)果的影響。對(duì)3×3傳感陣列進(jìn)行輸出特性測(cè)試，并將其裝載于機(jī)械手上進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)。在=1.6kA/m的偏置磁場(chǎng)下，傳感單元在0～3N作用力下傳感陣列輸出電壓呈線性變化，靈敏度為14.52mV/N，響應(yīng)時(shí)間為30ms；在2N作用力下傳感陣列的輸出電壓均值為96.94mV，靈敏度為48.47mV/N。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的傳感陣列具有良好的穩(wěn)定性與靈敏度，應(yīng)用于機(jī)械手抓取物體時(shí)能夠精確感知接觸力信息。

Galfenol細(xì)絲 磁致伸縮傳感單元 傳感陣列 觸覺(jué)感知

0 引言

觸覺(jué)是人和動(dòng)物與外界環(huán)境交互不可或缺的感覺(jué)功能之一，智能機(jī)器人可通過(guò)觸覺(jué)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸物體形狀、振動(dòng)、壓力大小與分布等信息的感知[1-2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)觸覺(jué)機(jī)理和敏感材料進(jìn)行不斷地深入探究，研發(fā)了壓電式、壓阻式、電容式與光學(xué)式傳感器。Y. Lee等設(shè)計(jì)了一種具有高靈敏度和線性度的多層互鎖壓電薄膜傳感器，用于檢測(cè)0.001 3～353kPa的壓力[3]。H. Takao等利用壓敏電阻、溫度傳感器集成技術(shù)研制了一種多功能的陣列傳感器，可以測(cè)量壓力與溫度，并實(shí)現(xiàn)了觸摸物體的彈性檢測(cè)[4]。黃英團(tuán)隊(duì)研制了炭黑填充硅橡膠作為彈性電介質(zhì)的電容式觸覺(jué)傳感器，并且把壓力敏感單元排列成可拼接式陣列結(jié)構(gòu)[5]。文獻(xiàn)[6]提出了基于檢測(cè)磁通密度變化的指尖傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)抓取薄片物體的實(shí)時(shí)判別。壓阻、壓電及電容式傳感器制作工藝繁瑣，易受外界環(huán)境溫度影響，信號(hào)處理電路相對(duì)復(fù)雜[7-9]。鐵鎵磁致伸縮材料（Galfenol）拉伸強(qiáng)度和磁機(jī)轉(zhuǎn)化效率高，在較低的偏置磁場(chǎng)下即可表現(xiàn)出優(yōu)良的磁致伸縮特性，可用作觸覺(jué)傳感器的敏感材料[10-13]。目前所研制的磁致伸縮觸覺(jué)傳感器具有測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但由于磁敏材料體積以及提供偏置磁場(chǎng)的線圈或者永磁體位置的限制，仍存在傳感器結(jié)構(gòu)體積較大，傳感單元之間磁場(chǎng)相互干擾等問(wèn)題[14-16]。

本文設(shè)計(jì)了一種仿生磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元，將Galfenol細(xì)絲傾斜放置以模擬動(dòng)物毛發(fā)形態(tài)，在其兩側(cè)對(duì)稱(chēng)放置永磁體以減小傳感單元厚度，并根據(jù)電磁學(xué)理論分析了傳感單元輸出特性。制作了可裝載于機(jī)械手上的傳感陣列，集成陣列時(shí)單元之間共用永磁體，以降低單元之間的磁場(chǎng)干擾。該傳感陣列具有體積小、靈敏度高和易于制作的特點(diǎn)，可用于獲得機(jī)械手接觸物體時(shí)的觸覺(jué)信息。

1 傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與輸出電壓

1.1 傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

許多動(dòng)物的觸覺(jué)器官遍布其身，對(duì)于一些長(zhǎng)毛動(dòng)物，毛發(fā)感覺(jué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)感知功能，例如，老鼠能夠使用胡須毛接觸物體獲得其方向和位 置[17-18]，蟋蟀、蝎子等尾部的絲狀毛發(fā)能夠檢測(cè)到微小的空氣波動(dòng)來(lái)感知周?chē)h(huán)境的變化[19-20]，動(dòng)物出色的毛發(fā)感覺(jué)系統(tǒng)啟發(fā)了研究人員開(kāi)發(fā)新的觸覺(jué)傳感器。動(dòng)物毛發(fā)直徑一般為70～100mm，不同功能的毛發(fā)長(zhǎng)度不一，短則如翅類(lèi)昆蟲(chóng)的纖毛通常不超過(guò)10mm，長(zhǎng)則如哺乳動(dòng)物的胡須一般是15～50mm[17-20]，毛發(fā)具有柔韌性，這使得其在受力狀態(tài)時(shí)彎曲不易折斷，非受力狀態(tài)易于恢復(fù)原狀，Galfenol細(xì)絲與毛發(fā)有一定的相似性。毛發(fā)通常與動(dòng)物表皮成一定傾斜角度，裸露在外的毛發(fā)探測(cè)到細(xì)微刺激時(shí)將產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)位移，深入表皮中的毛根附近分布著機(jī)械感受器，通過(guò)復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)傳遞并處理觸覺(jué)信息，具有極高的靈敏度。根據(jù)這種生物觸感機(jī)理，設(shè)計(jì)了仿生磁致伸縮傳感單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。將天然毛發(fā)感覺(jué)系統(tǒng)的觸感功能視為探測(cè)和處理過(guò)程（見(jiàn)圖1a），采用Galfenol細(xì)絲代替毛發(fā)以接受壓力信號(hào)，將放入基底中的霍爾元件、永磁體構(gòu)成的電磁檢測(cè)系統(tǒng)等效為機(jī)械感受器，如圖1b所示。處于磁場(chǎng)中的磁敏材料接觸物體時(shí)受到擠壓變形從而導(dǎo)致周?chē)艌?chǎng)發(fā)生變化，電磁檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)大小，將磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。

圖1 仿生磁致伸縮傳感單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁致伸縮傳感單元由Galfenol細(xì)絲、永磁體、霍爾元件、剛性基底和觸頭組成，結(jié)構(gòu)如圖1c所示。Galfenol細(xì)絲傾斜固定在剛性基底中構(gòu)成懸臂梁，自由端覆蓋圓形薄觸頭，作為力的傳遞元件使細(xì)絲彎曲變形；細(xì)絲兩側(cè)放置極性相同的永磁體，提供水平方向的偏置磁場(chǎng)；霍爾元件放置在細(xì)絲的固定端，與永磁體軸線垂直，檢測(cè)磁場(chǎng)的變化。傳感單元的尺寸為12.5mm×5mm×4mm。該磁致伸縮傳感單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于集成陣列，具有良好的魯棒性和重復(fù)性。

1.2 傳感單元輸出電壓

當(dāng)在磁致伸縮傳感單元觸頭上施加外力時(shí)，根據(jù)逆磁致伸縮效應(yīng)[21-22]，處于磁場(chǎng)中的Galfenol細(xì)絲形變導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化。其本質(zhì)是磁敏感材料在偏置磁場(chǎng)中受到外力作用，磁疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致磁導(dǎo)率變化，從而改變材料內(nèi)部和周?chē)拇磐芏取?/p>

霍爾元件的輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的關(guān)系可表示為

式中，H為霍爾傳感器的輸出電壓；H為等效霍爾系數(shù)；C為磁感應(yīng)傳遞系數(shù)；Gal為Galfenol細(xì)絲內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)線性壓磁方程

式中，為Galfenol細(xì)絲傾斜角度。

可見(jiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度與Galfenol細(xì)絲受力后的應(yīng)變有關(guān)。細(xì)絲橫截面的幾何尺寸遠(yuǎn)小于軸向幾何尺寸，將其視為簡(jiǎn)化懸臂梁結(jié)構(gòu)[15-16, 23]，細(xì)絲受力彎曲的動(dòng)力學(xué)方程符合歐拉伯努利方程。

以懸臂梁中性軸為軸，法向方向?yàn)檩S。假設(shè)磁場(chǎng)沿軸均勻分布。根據(jù)歐拉-伯努利動(dòng)力學(xué)理論，懸臂梁軸向處橫截面上點(diǎn)處撓度（ ）與力（）的關(guān)系為

式中，為在梁自由端施加的力；為楊氏模量；為點(diǎn)處截面慣性矩。

半徑為的圓形截面上慣性矩為

在點(diǎn)處受力應(yīng)變?yōu)?/p>

由胡克定律得

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)梁，在梁自由端施加橫向力，忽略梁的縱截面上剪切和擠壓應(yīng)力對(duì)正應(yīng)力影響，梁上的平均應(yīng)力為

式中，為梁的體積。

當(dāng)梁受到豎直向下的力時(shí)，可分解為軸向力sin和垂直于梁軸線的橫向力cos，Galfenol細(xì)絲受力分析如圖2所示。軸向壓力作用使梁發(fā)生壓縮變形，橫向力作用使梁發(fā)生平面彎曲變形。

圖2 Galfenol細(xì)絲受力分析

軸向壓縮應(yīng)力為

式中，為梁的橫截面積。

垂直于梁軸線的橫向應(yīng)力由式（8）計(jì)算得

由式（11）可知，傳感單元的輸出電壓與力呈線性關(guān)系。

2 傳感單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由式（11），磁致伸縮傳感單元輸出電壓與細(xì)絲材料參數(shù)和布置方式密切相關(guān)。因此，主要對(duì)Galfenol細(xì)絲長(zhǎng)度、半徑和傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)裝置、直流電源、數(shù)據(jù)采集裝置組成。壓力調(diào)節(jié)裝置包括信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、直線電機(jī)，用于提供垂直方向的靜態(tài)作用力和動(dòng)態(tài)作用力。直流電源為霍爾元件提供5V的穩(wěn)定電壓。數(shù)據(jù)采集裝置采用江蘇東華測(cè)試技術(shù)公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集卡和PC組成，用來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)量霍爾元件的輸出電壓。

Galfenol細(xì)絲自由端受到壓力，磁疇將旋轉(zhuǎn)至與拉應(yīng)力平行、與壓應(yīng)力垂直的方向。當(dāng)細(xì)絲受力彎曲時(shí)，拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力同時(shí)施加在細(xì)絲中性軸的相對(duì)兩側(cè)，因此Galfenol細(xì)絲必須能夠承受彎曲時(shí)引起的拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力[13]。對(duì)于指定截面，最大應(yīng)力發(fā)生在距離中性軸最遠(yuǎn)處；對(duì)于指定長(zhǎng)度的細(xì)絲，最大應(yīng)力發(fā)生在固定端，最大應(yīng)力可以表示為

表1 Galfenol材料參數(shù)

Tab.1 Galfenol material parameters

圖3 不同長(zhǎng)度和直徑的Galfenol細(xì)絲輸出電壓與力的關(guān)系

圖4 不同傾斜角度Galfenol細(xì)絲輸出電壓與力的關(guān)系

為了降低傳感單元空間體積，磁致伸縮傳感單元采用長(zhǎng)度為8mm，直徑為0.5mm，傾斜20°的Galfenol細(xì)絲作為磁敏材料，圖5為傳感單元的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)輸出特性曲線。以ref為參考電壓，通過(guò)式（11）和表1計(jì)算得到傳感單元的靜態(tài)輸出曲線，在=1.6kA/m的偏置磁場(chǎng)下，對(duì)傳感單元施加0～3N的靜態(tài)作用力，每組測(cè)試10次取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比如圖5a所示。在偏置磁場(chǎng)一定時(shí)，輸出電壓隨施加力的增大而增大，在0～3N作用力下輸出電壓呈線性變化，輸出結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。施加3N作用力時(shí)輸出電壓達(dá)到43.57mV，靈敏度為14.52mV/N。

圖5 磁致伸縮傳感單元輸出特性曲線

動(dòng)態(tài)輸出特性測(cè)試采用直線電機(jī)作為動(dòng)力源，輸出電壓如圖5b所示。在頻率為1Hz的動(dòng)態(tài)力作用下，重復(fù)加卸載輸出電壓具有一致性，響應(yīng)速度達(dá)到30ms。與壓電式和電容式傳感器比較[3, 5]，磁致伸縮傳感單元響應(yīng)速度快、輸出結(jié)果穩(wěn)定、重復(fù)性好。

3 傳感陣列設(shè)計(jì)和輸出特性

3.1 傳感陣列設(shè)計(jì)

對(duì)于復(fù)雜的物體表面，傳感單元測(cè)量信息有限，需要具有大面積敏感性的陣列來(lái)準(zhǔn)確地感知觸覺(jué)信息及其分布。本文設(shè)計(jì)的仿生磁致伸縮傳感單元結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成高密度的陣列，但相互臨近的永磁體之間存在磁場(chǎng)干擾，從而影響單元的輸出結(jié)果，圖6為傳感陣列單元之間相互影響下的仿真計(jì)算結(jié)果。設(shè)計(jì)的3×3傳感陣列結(jié)構(gòu)如圖6a所示，橫向布置的傳感單元（1～3號(hào)，4～6號(hào)）可共用永磁體，縱向傳感單元（1號(hào)和4號(hào)）的永磁體之間的距離為，采用COMSOL軟件仿真分析了磁場(chǎng)干擾作用下傳感單元之間的相互影響。

圖6 傳感陣列結(jié)構(gòu)與傳感單元之間的相互影響

在三維模型中對(duì)每個(gè)永磁體軸方向添加= 0.6T的偏置磁場(chǎng)[15, 24]，在霍爾元件處對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行體積分后求其平均值，得到平均磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.6kA/m，與實(shí)驗(yàn)中霍爾元件處偏置磁場(chǎng)大小一致。陣列結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱(chēng)，分別對(duì)1號(hào)和2號(hào)Galfenol細(xì)絲施加總力為0.5N的壓力，根據(jù)式（1）將霍爾元件處平均磁場(chǎng)強(qiáng)度變化量轉(zhuǎn)化為電壓變化值，圖6b顯示了陣列中傳感單元的輸出電壓計(jì)算值。永磁體的縱向距離對(duì)傳感單元的輸出影響定義為縱向磁場(chǎng)干擾。為5mm、7mm和9mm時(shí)，縱向磁場(chǎng)干擾下，非受力單元輸出電壓占受力單元輸出電壓平均百分比分別為10.67%、5.97%和3.56%，隨著的增加，縱向磁場(chǎng)干擾影響輸出電壓占比逐漸減小。同時(shí)，將共用永磁體的傳感單元之間的輸出影響定義為橫向磁場(chǎng)干擾。縱向距離不同時(shí)，對(duì)同一位置的傳感單元施加作用力，橫向磁場(chǎng)干擾輸出電壓平均占比分別為2.19%、2.03%和1.8%。由圖6b可知，磁場(chǎng)干擾對(duì)與受力單元距離最近的傳感單元影響最大，并且非受力單元輸出電壓大小隨著與受力單元的距離的增大而逐漸減小。因此，傳感單元之間可以共用永磁體以減小橫向磁場(chǎng)干擾的影響，控制永磁體距離以減小縱向磁場(chǎng)干擾的影響。

3.2 傳感陣列的制作

傳感單元?jiǎng)傂曰缀陀|頭采用光敏樹(shù)脂材料，通過(guò)3D打印模型。采用三根直徑為0.5mm，長(zhǎng)度為8mm的Galfenol細(xì)絲作為磁敏感材料，固定端與水平線呈20°傾斜置入基底，自由端覆蓋直徑為5mm，厚度為1mm的圓形薄片觸頭。用砂紙將觸頭表面和基底尾部多余的Galfenol細(xì)絲打磨平滑。將兩塊極性相同的永磁體（釹鐵硼磁鋼N42UH）分別固定在基底兩側(cè)，為傳感單元提供偏置磁場(chǎng)。在基底尾部固定霍爾元件（EQ-730，靈敏度13mV/G），與細(xì)絲固定端貼合，用于檢測(cè)磁場(chǎng)變化。

電路板采用FPC材料，排線雙層布置，上層走線連接電源和輸出端，下層經(jīng)通氣孔將地線串聯(lián)引出。連接端設(shè)置上下兩個(gè)電源接口和一個(gè)地線接口，其余接口為每個(gè)傳感單元的輸出端，獨(dú)立輸出電壓信號(hào)。將傳感單元固定在FPC板上，橫向三個(gè)傳感單元共用四個(gè)永磁體，縱向永磁體的距離為7mm。將霍爾的外置線插入FPC相應(yīng)的穿孔并用焊槍固定，用砂紙將FPC底部打磨平滑。3×3磁致伸縮傳感陣列制作過(guò)程和樣機(jī)如圖7所示。該傳感陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)3D打印和簡(jiǎn)單組裝即可完成，并且可以擴(kuò)展成任意數(shù)量的陣列。

圖7 磁致伸縮傳感陣列制作過(guò)程與樣機(jī)

3.3 傳感陣列輸出特性測(cè)試與分析

對(duì)3×3傳感陣列進(jìn)行輸出特性測(cè)試，圖8給出了施加壓力時(shí)傳感陣列的實(shí)時(shí)輸出電壓。依次對(duì)1～9號(hào)傳感單元施加2N的作用力，輸出電壓均值為96.94mV，多次重復(fù)輸出電壓穩(wěn)定。由圖8結(jié)果可見(jiàn)，最大電壓與最小電壓差值為4.7mV，標(biāo)準(zhǔn)差為1.64mV，傳感陣列中的傳感單元輸出電壓基本一致。與圖5a的結(jié)果相比，相同作用力下陣列中單元輸出電壓明顯增大，這是由于集成陣列時(shí)永磁體數(shù)量增加，偏置磁場(chǎng)增大導(dǎo)致輸出電壓增大。傳感單元的輸出電壓是線性變化的（見(jiàn)圖5a），傳感陣列的靈敏度為48.47mV/N。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)傳感陣列中的一個(gè)傳感單元施加作用力時(shí)，其臨近傳感單元也會(huì)產(chǎn)生電壓輸出，最大約為受力傳感單元的5%，與仿真結(jié)果基本一致。

圖8 磁致伸縮傳感陣列的輸出電壓

為了檢驗(yàn)傳感陣列接觸不同物體時(shí)的反應(yīng)，將其安裝在二指機(jī)械手（COHAND201）的指尖上。機(jī)械手由兩個(gè)手指組成，每個(gè)手指有遠(yuǎn)端和近端兩節(jié)指骨，由柔軟的聚氨酯材料作為關(guān)節(jié)連接并使其彎曲，裝載傳感陣列的機(jī)械手示意圖如圖9所示。圖10為抓取實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)樣品，由硅膠和3D打印制作而成，樣品的尺寸與剛度見(jiàn)表2。

圖9 裝載傳感陣列的機(jī)械手示意圖

圖10 抓取實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)樣品

表2 實(shí)驗(yàn)樣品的尺寸與剛度

Tab.2 Parameters of objects of different shapes

抓取尺寸相同、形狀不同的樣品時(shí)陣列單元的輸出電壓不同。抓取圓柱形樣品時(shí)，由于機(jī)械手指的彎曲，傳感陣列與圓柱側(cè)曲面先接觸的單元（4～6號(hào)）輸出電壓較高，為26mV左右（圓柱-1）；指節(jié)彎曲后接觸的單元（1～3號(hào)）輸出電壓較低，為8mV左右（圓柱-1）；未接觸的單元（7～9號(hào)）輸出電壓接近為零。抓取方形樣品時(shí)，陣列的9個(gè)傳感單元都與樣品接觸，其中陣列兩端的傳感單元（1～3號(hào)，7～9號(hào)）的輸出電壓較大，為25mV左右（方形-1），陣列中間的傳感單元（4～6號(hào)）輸出電壓較小，為17mV左右（方形-1）?？梢?jiàn)，根據(jù)單元輸出電壓的編號(hào)（位置）、數(shù)量和數(shù)值可以判斷樣品的形狀。

圖11 抓取過(guò)程傳感陣列的輸出電壓

抓取形狀相同、剛度不同的樣品時(shí)陣列單元的輸出電壓也有區(qū)別。機(jī)械手抓取剛度較小的樣品時(shí)，陣列傳感單元的最大輸出電壓較小，分別為28mV（圓柱-1）和25mV（方形-1）；抓取剛度較大的樣品時(shí)，陣列傳感單元的最大輸出電壓明顯增大，分別為48mV（圓柱-2）和41mV（方形-2）。由圖11分析發(fā)現(xiàn)，抓取剛度大的樣品時(shí)陣列接觸單元的穩(wěn)定輸出電壓均有所增大，并且接觸樣品時(shí)刻輸出電壓變化率也增大?？梢?jiàn)，根據(jù)陣列接觸樣品時(shí)刻單元的輸出電壓變化率及穩(wěn)定后的輸出電壓，可以簡(jiǎn)單區(qū)分不同剛度和形狀的樣品。

4 結(jié)論

受動(dòng)物毛發(fā)感覺(jué)系統(tǒng)的觸覺(jué)機(jī)理啟發(fā)，用Galfenol細(xì)絲代替毛發(fā)，設(shè)計(jì)并制作了一種仿生磁致伸縮觸覺(jué)傳感單元?；陔姶艑W(xué)理論建立傳感單元輸出特性模型，該傳感單元對(duì)施加作用力的線性檢測(cè)范圍為0～3N，輸出結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本相符，3N作用力下最大輸出電壓為43.57mV，靈敏度為14.52mV/N，響應(yīng)時(shí)間為30ms，輸出結(jié)果穩(wěn)定，重復(fù)性好。采用COMSOL設(shè)計(jì)并搭建了3×3傳感陣列的三維模型，仿真分析了陣列中磁場(chǎng)干擾下的輸出影響，與受力單元距離越遠(yuǎn)，非受力單元輸出電壓越小，通過(guò)單元之間共用永磁體和控制永磁體距離的方式降低陣列中磁場(chǎng)干擾。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，非受力單元輸出電壓占比約為5%。制作了傳感陣列樣機(jī)，分別對(duì)陣列中傳感單元施加2N作用力，穩(wěn)定輸出電壓平均值為96.94mV，標(biāo)準(zhǔn)差為1.64mV。將傳感陣列樣機(jī)裝載于機(jī)械手上抓取目標(biāo)物體，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手抓握物體時(shí)接觸力的精確感知。

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Design and Output Characteristics of Bionic Magnetostrictive Tactile Sensor Array

1,21,21,21,21,2

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligentization of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province Hebei University of Technology Tianjin 300130 China）

Inspired by the tactile mechanism of animal hair, a bionic magnetostrictive tactile sensing unit was designed using the magnetically sensitive material Galfenol filaments. Based on the inverse magnetostrictive effect, linear piezomagnetic equation and material mechanics, the output characteristic model of the sensing unit was established, and the structure of the sensing unit was optimized according to the model parameters to reduce the space volume. A sensor array model was built in COMSOL to analyze the influence of magnetic field interference on the output results. The output characteristics of the 3×3 sensor array were tested and loaded on the mechanical hand for grasping experiment. The experimental results show that, under a bias magnetic field of=1.6kA/m, the output voltage of the sensing unit changes linearly under the force of 0-3N, the sensitivity is 15.87mV/N, and the response time is 30ms. Under the force of 2N, the average output voltage of the sensor array is 96.94mV, and the sensitivity is 48.47mV/N. The developed sensor array has good stability and sensitivity, and can accurately perceive the contact force information when the manipulator is used to grasp the object.

Galfenol filament, magnetostrictive sensing unit, sensor array, tactile perception

TP212.1

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200428

國(guó)家自然科學(xué)基金（51777053，51801053）和河北省自然科學(xué)基金（E2017202035，E2019202315）資助項(xiàng)目。

2020-04-30

2020-07-01

劉莎莎 女，1995年生，碩士，研究方向?yàn)橛|覺(jué)傳感器和新型磁性材料與器件。E-mail: Liusasaa@163.com

王博文 男，1956年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦痛判圆牧吓c器件。E-mail: bwwang@hebut.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠(chéng)）