基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器及其應(yīng)用
【專利摘要】基于鐵磁微絲的人工汗毛?皮膚傳感器及其應(yīng)用，本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，它要解決現(xiàn)有應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的人工皮膚傳感器普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可探測的應(yīng)力范圍狹窄,而且在實(shí)際的使用過程極易損壞的問題。該人工汗毛?皮膚傳感器包括多根鐵磁微絲、兩個線圈、基質(zhì)和電路板，多根鐵磁微絲分別平行間隔排列形成兩個鐵磁微絲陣列，第一鐵磁微絲陣列的一端與第二鐵磁微絲陣列的一端相互交叉排布，在兩個鐵磁微絲陣列的另一端上分別纏繞有線圈，在相互交叉排布的鐵磁微絲的下部墊有基質(zhì)，凸起的交叉自由端以下的兩個鐵磁微絲陣列以及兩個線圈包覆在基質(zhì)中。本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛?皮膚傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)高靈敏度、超大量程的應(yīng)力檢測。
【專利說明】
基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種人工皮膚傳感器以及在接觸感應(yīng)中的應(yīng)用?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]人工皮膚傳感器在機(jī)器人領(lǐng)域中有許多實(shí)際應(yīng)用，機(jī)器手抓取物體時需要較為靈敏并且響應(yīng)快的傳感器來控制機(jī)械手的行為，目前各種應(yīng)用于機(jī)械手的傳感器普遍靈敏度很高，可以實(shí)現(xiàn)超高的靈敏度，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且脆弱，在機(jī)械臂實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境中，應(yīng)力范圍的跨度很大，傳感器較低的應(yīng)力工作范圍會限制機(jī)械臂的實(shí)際應(yīng)用效果?，F(xiàn)有的應(yīng)用于機(jī)械臂的傳感器基本上都是基于電阻變化或者電容變化，都是基于電信號與外力信號之間的轉(zhuǎn)換，電信號的傳播需要導(dǎo)電介質(zhì)，當(dāng)傳感器受到破損時，電信號的傳播會受到阻礙，傳感器就會失效并無法正常工作，頻繁的更換傳感器會影響機(jī)械臂實(shí)際的工作效率，所以需要一種耐用、不易損壞并且在損壞后可以輕易修復(fù)的人工皮膚傳感器。
[0003]對于汗毛傳感器和人工皮膚傳感器，前期有大量的研究成果。
[0004]2014年，Matthew在《先進(jìn)材料》上發(fā)表文章，他利用碳納米管制備了一種汗毛傳感器，可以對風(fēng)速進(jìn)行靈敏的測試，但是其測試范圍有限，只能測試氣體的流速。
[0005]2015年，斯坦福大學(xué)的工程師在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章，研制出了一種塑料“皮膚”，它能夠檢測出被施加了多大的壓力，并產(chǎn)生一種電信號來將這種感官輸入信號直接傳遞給大腦細(xì)胞，但其測試范圍較窄。
[0006]2016年，美國康奈爾大學(xué)的研究人員在《科學(xué)》雜志上報告說，他們模仿可拉伸與變色的章魚皮膚，研制出了這種人造皮膚。整體器材制作采用了 3D打印等技術(shù)，所需成本較低。選用了高強(qiáng)度易拉伸的材料，它可單向拉伸延展至近6倍于其原始長度，并且拉伸不影響其發(fā)光性能，但是其對于外力的測試敏感度較低。
[0007]現(xiàn)有的對于汗毛傳感器和人工皮膚傳感器的研究，都是單獨(dú)基于汗毛傳感器或者基于人工皮膚傳感器，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，但不能實(shí)現(xiàn)高靈敏度到大量程應(yīng)力探測范圍的過渡。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的人工皮膚傳感器普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 可探測的應(yīng)力范圍狹窄，而且在實(shí)際的使用過程極易損壞的問題，而提供一種基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器及其應(yīng)用。
[0009]本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器包括多根鐵磁微絲、兩個線圈、基質(zhì)和電路板，多根鐵磁微絲分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列和第二鐵磁微絲陣列， 第一鐵磁微絲陣列的一端與第二鐵磁微絲陣列的一端相互交叉排布，在第一鐵磁微絲陣列的另一端上纏繞有通有交流電信號的線圈作為激發(fā)端，在第二鐵磁微絲陣列的另一端上纏繞有線圈作為檢測端，激發(fā)端和檢測端固定在電路板上，在相互交叉排布的鐵磁微絲的下部墊有基質(zhì)形成凸起的交叉自由端，凸起的交叉自由端以下的第一鐵磁微絲陣列和第二鐵磁微絲陣列以及激發(fā)端和檢測端包覆在基質(zhì)中。
[0010]本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器作為接觸感應(yīng)元件應(yīng)用作為智能機(jī)器人的人工皮膚傳感器。
[0011]本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器可廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，作為機(jī)械手的傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器手抓取或者操作的控制，應(yīng)用潛力巨大。
[0012]本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，同時包括汗毛傳感器和皮膚傳感器，發(fā)揮基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器和皮膚傳感器的協(xié)同作用，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、超大量程的應(yīng)力檢測，并且其量程可以通過簡單的改變傳感器結(jié)構(gòu)而靈活調(diào)節(jié)。
[0013]本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)越性體現(xiàn)在:
[0014]1、提出一種基于人體汗毛、皮膚結(jié)構(gòu)的人工皮膚傳感器的設(shè)計制造方法，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單。
[0015]2、本發(fā)明的測試機(jī)理與以往的人工皮膚傳感器有本質(zhì)上的區(qū)別，其原理為利用磁場在鐵磁微絲內(nèi)部的傳播，鐵磁微絲自由端搭接的面積隨著外界壓力的施加會實(shí)時變化， 從而使檢測到的磁場信號也隨著外力大小實(shí)時變化，靈敏度和穩(wěn)定性高，具有更強(qiáng)的適用性和推廣性。
[0016]3、本發(fā)明所制備的人工皮膚傳感器，其感應(yīng)部分類似于人體的皮膚和汗毛，汗毛負(fù)責(zé)高靈敏度應(yīng)力的檢測，皮膚部分負(fù)責(zé)大量程應(yīng)力的檢測，并且皮膚部分可以承受較大的應(yīng)力沖擊，起到保護(hù)作用，但是與其他利用仿生結(jié)構(gòu)的傳感器的原理不同，該傳感器結(jié)構(gòu)不過分依賴傳感單元的力學(xué)性能，并且測試量程能夠靈活調(diào)節(jié)。【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器中凸起的交叉自由端檢測電壓隨外界壓力變化曲線圖；
[0019]圖3為基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器中包覆在基質(zhì)中的鐵磁微絲檢測電壓隨外界壓力變化曲線圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器包括多根鐵磁微絲10、兩個線圈、基質(zhì)11和電路板13,多根鐵磁微絲10分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列14和第二鐵磁微絲陣列15，第一鐵磁微絲陣列14的一端與第二鐵磁微絲陣列15的一端相互交叉排布，在第一鐵磁微絲陣列14的另一端上纏繞有通有交流電信號的線圈作為激發(fā)端12-1，在第二鐵磁微絲陣列15的另一端上纏繞有線圈作為檢測端12-2,激發(fā)端12-1 和檢測端12-2固定在電路板13上，在相互交叉排布的鐵磁微絲10的下部墊有基質(zhì)11形成凸起的交叉自由端1，凸起的交叉自由端1以下的第一鐵磁微絲陣列14和第二鐵磁微絲陣列15 以及激發(fā)端12-1和檢測端12-2包覆在基質(zhì)11中。
[0021]本實(shí)施方式第一鐵磁微絲陣列和第二鐵磁微絲陣列交叉部分的鐵磁微絲可以彼此緊密排列，也可以彼此間隔排列。
[0022]本實(shí)施方式基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器由汗毛傳感器和皮膚傳感器組成，所述的汗毛傳感器是基于鐵磁微絲的柔性汗毛傳感器，即凸起的交叉自由端1。所述的皮膚傳感器包含兩列導(dǎo)電纖維、基質(zhì)、兩個線圈，其中導(dǎo)電纖維、線圈為包含物，包含在基質(zhì)中，線圈以一定匝數(shù)纏繞在導(dǎo)電纖維上，一個線圈作為信號激發(fā)端，另一個線圈作為信號檢測端。
[0023]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是所述鐵磁微絲10的長度為5?20mm〇[〇〇24]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是所述鐵磁微絲10的直徑為1 〇ym?1 ooym。[〇〇25]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是所述的基質(zhì)11 材料為硅膠或高分子材料。
[0026]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】四不同的是高分子材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料。
[0027]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是所述的鐵磁微絲10為軟磁合金絲或硬磁合金絲。
[0028]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六不同的是所述的硬磁合金為鐵鈷鉬硬磁合金、鐵鈷鎢硬磁合金或鐵鈷硅硼鐵磁合金。
[0029]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】六不同的是所述的軟磁合金為硅鋼、鎳鐵軟磁合金、鐵鈷軟磁合金或鐵硅軟磁合金。
[0030]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至八之一不同的是所述的兩個線圈為銅漆包線。
[0031]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至九之一不同的是激發(fā)端12-1和檢測端12-2的線圈自由端連接有電極。
[0032]本實(shí)施方式電極固定在電路板上。
[0033]實(shí)施例:本實(shí)施例基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器包括多根鐵磁微絲10、兩個線圈、硅膠基質(zhì)11和電路板13,每7根鐵磁微絲10分別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列14和第二鐵磁微絲陣列15,第一鐵磁微絲陣列14的一端與第二鐵磁微絲陣列15的一端相互交叉排布，在第一鐵磁微絲陣列14的另一端上纏繞有通有交流電信號的線圈作為激發(fā)端 12-1，在第二鐵磁微絲陣列15的另一端上纏繞有線圈作為檢測端12-2,激發(fā)端12-1和檢測端12-2固定在電路板13上，在相互交叉排布的鐵磁微絲10的下部墊有硅膠基質(zhì)11并使第一鐵磁微絲陣列14的自由端和第二鐵磁微絲陣列15的自由端形成凸起的交叉自由端1，凸起的交叉自由端1以下的第一鐵磁微絲陣列14和第二鐵磁微絲陣列15以及激發(fā)端12-1和檢測端12-2包覆在硅膠基質(zhì)11中。[〇〇34]本實(shí)施例的鐵磁微絲的長度為20mm，鐵磁微絲的金屬芯采用鐵鈷鎢硬磁合金。鐵磁微絲陣列中各鐵磁微絲的間距為1mm。此鐵磁微絲商購自西班牙TAMAG公司。該基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器可探測的應(yīng)力量程的范圍為〇.15mN?25N。
[0035]本實(shí)施例電路板上的四個電極負(fù)責(zé)傳感器的激發(fā)和信號的導(dǎo)出，激發(fā)端接入信號發(fā)生器，信號發(fā)生器產(chǎn)生一個頻率為20KHz的正弦信號，傳入鐵磁微絲傳感器。檢測端接入示波器，將檢測到的信號以可視的方式顯現(xiàn)出來。
[0036]本實(shí)施例當(dāng)物體接近傳感器時，會首先接觸汗毛傳感器的鐵磁微絲，在外力的作用下，鐵磁微絲交叉陣列會向著重合的趨勢移動，這就會加強(qiáng)兩個交叉陣列之間的磁耦合作用，會使檢測線圈檢測到的信號增強(qiáng)，其信號強(qiáng)度隨外力的變化趨勢如圖2所示。其中外力由一個精確步進(jìn)電機(jī)來施加，步進(jìn)電機(jī)前端接入壓力傳感器，來標(biāo)定加載在傳感器上的壓力。
[0037]當(dāng)物體進(jìn)一步的接觸到皮膚時，人工硅膠會產(chǎn)生變形，使交叉陣列的重合面積增加，會加強(qiáng)兩個交叉陣列之間的磁耦合作用，使檢測線圈檢測到的信號進(jìn)一步的增強(qiáng)，其信號強(qiáng)度隨外力的變化趨勢如圖3所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于該基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮 膚傳感器包括多根鐵磁微絲(10)、兩個線圈、基質(zhì)(11)和電路板(13)，多根鐵磁微絲(10)分 別平行間隔排列形成第一鐵磁微絲陣列(14)和第二鐵磁微絲陣列(15)，第一鐵磁微絲陣列 (14)的一端與第二鐵磁微絲陣列(15)的一端相互交叉排布，在第一鐵磁微絲陣列(14)的另 一端上纏繞有通有交流電信號的線圈作為激發(fā)端(12-1)，在第二鐵磁微絲陣列(15)的另一 端上纏繞有線圈作為檢測端(12-2)，激發(fā)端(12-1)和檢測端(12-2)固定在電路板(13)上， 在相互交叉排布的鐵磁微絲(10)的下部墊有基質(zhì)(11)形成凸起的交叉自由端(1)，凸起的 交叉自由端(1)以下的第一鐵磁微絲陣列(14)和第二鐵磁微絲陣列(15)以及激發(fā)端(12-1) 和檢測端(12-2)包覆在基質(zhì)(11)中。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述鐵磁 微絲(10)的長度為5?20mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述鐵磁 微絲(10)的直徑為lOym?lOOym。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述的基 質(zhì)(11)材料為硅膠或高分子材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述的鐵 磁微絲(10)為軟磁合金絲或硬磁合金絲。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述的硬 磁合金為鐵鈷鉬硬磁合金、鐵鈷鎢硬磁合金或鐵鈷硅硼鐵磁合金。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述的軟 磁合金為硅鋼、鎳鐵軟磁合金、鐵鈷軟磁合金或鐵硅軟磁合金。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于所述的兩 個線圈為銅漆包線。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器，其特征在于激發(fā)端 (12-1)和檢測端(12-2)的線圈自由端連接有電極。10.如權(quán)利要求1所述的基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器的應(yīng)用，其特征在于該 基于鐵磁微絲的人工汗毛-皮膚傳感器作為接觸感應(yīng)元件應(yīng)用作為智能機(jī)器人的人工皮膚 傳感器。
【文檔編號】G01L1/12GK106017746SQ201610311316
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】郝立峰, 王榮國, 張健, 赫曉東
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)