CN113074842B - 基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构及应用 - Google Patents

基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构及应用 Download PDF

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Abstract

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。

Description

基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构及应用
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。
作为优选，所述折叠磁化采用纵向充磁。采用纵向充磁进一步提高了所述设定区域的充磁强度，进一步提高后续传感器的传感的灵敏度。所述“纵向充磁”即：将折叠后的柔性主体垂直于磁场布置。
作为优选，所述负泊松比结构由多组三角形沙漏结构链横向交错拼接形成。本发明中，所述多组三角形沙漏结构链多排布置，相邻两条三角形沙漏结构链交错(交错位移为三角形高对应的位移)对接形成一体的结构。
作为进一步优选，每组三角形沙漏结构链由多个三角形沙漏结构纵向(即三角形中对称轴所在的方向)两两对接一体而成，每个三角形沙漏结构由两个等腰三角形框架在顶点处对接而成，且两个三角形框架在对接处连通，相邻两个三角形沙漏结构通过对应等腰三角形框架底边对接连接。相邻两条三角形沙漏结构链共用三角形边框，两条三角形沙漏结构链中很像两个相邻的三角形框架方向相反，且共用一个侧边，对接一体后形成平行四边形的结构。每个三角形沙漏结构中对接处连通，保证了负泊松比结构的特性，而共用的侧边(相邻两组三角形沙漏结构链)和共用的底边(一条三角形沙漏结构链中两个相邻的三角形沙漏结构)将多个三角形沙漏结构连成一体，构成完整的具有负泊松比结构的柔性主体。
作为一种优选方案，每个等腰三角形框架的尺寸为：底边为2～5mm，高为1～2.5mm；磁片厚度为1～3mm。比如，可以采用等腰三角形框架的尺寸为：底边为3mm，高为1.5mm；磁片厚度为1～3mm。
作为优选，所述设定区域沿三角形沙漏结构链的方向布置(即垂直于等腰三角形框架的底边)，且位于磁片的中间对称轴位置。
作为优选，所述柔性主体由3D打印加工得到。采用该技术方案，针对不同负泊松比结构的柔性主体，均可以实现其快速制造。
作为优选，所述柔性主体由有机硅胶粘剂、硅橡胶、气相二氧化硅纳米粒子、永磁材料制成。
作为进一步优选，所述柔性主体由重量比为8～15％的有机硅胶粘剂(如DOWSILTMSE 1700)、10～30％的硅橡胶(如Ecoflex 00-30)、1～5％的气相二氧化硅纳米粒子、50～70％的永磁材料(如直径为3～10微米的钕铁硼微粒)制成。
一种柔性触觉传感器，包括上述任一项技术方案所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构以及用于采集磁场强度变化的三轴霍尔传感器。
经过对折充磁的磁片的磁场强度会随着样品不同位置的形变及其大小而产生不同的变化，下方的霍尔元件可以实时读取出磁场强度变化信号而得出相应的按压位置以及按压力的大小。使用时，通过检测Bz大小，确定施力点受力大小；或者通过检测By和x轴坐标大小，确定施力点的y轴坐标；所述z轴方向与受力方向平行，所述x轴方向与所述设定区域方向一致。
本发明在折叠磁化后，在3D霍尔传感器上方测试，获得三轴信号Bx，By和Bz。力和Bz信号之间呈现线性关系，By与y坐标之间呈现线性关系，负载特性和信号之间的线性关系对于信号分析和处理都非常有益，使其更易于处理数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
对于磁性弹性体，磁场强度受到磁性颗粒比例低的限制。通过普通的磁化方法难以获得强磁场。本发明引入折纸磁化以实现增强折叠位置处磁场强度的目的。折叠磁化，大大提高了指定位置附近的磁场强度，这使得磁性弹性体无需硬磁体即可产生足够的磁通密度。结合高灵敏度三轴霍尔传感器，它可以作为软触觉传感器获得多维负载信息。
本发明利用3D打印技术可以快速得到所需的复杂结构，该发明利用3D打印技术构造了负泊松比机构的柔性磁片，进一步扩展了本发明的适用范围。同时可以更好得适应传感器特性，使得小磁片的磁信号变化和受力变化呈现线性关系。
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。同时利用霍尔元件检测磁场变化，引入折纸磁化以实现增强放置霍尔传感器的折叠位置处的磁场强度。大大提高了指定位置附近的磁场强度，这使得磁性弹性体无需硬磁体即可产生足够的磁通密度。该发明利用霍尔元件检测磁场变化，将折叠充磁的小磁片放置在霍尔元件的正上方，大大提高了指定位置附近的磁场强度，它可以作为软触觉传感器获得多维负载信息。
同时本发明采用特定结构的磁片结构(柔性主体)，该结构使得磁场信号与力呈线性变化，使其更易于数据处理。
而且，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。
附图说明
图1为实施例中采用的等腰三角形负泊松比结构的磁片结构示意图；
图2为图1指定位置(圆圈)的局部放大图；
图3(a)为图1所示磁片结构直接进行横向充磁后的磁场强度分布图；
图3(b)为图1所示磁片结构直接进行纵向充磁后的磁场强度分布图；
图3(c)为图1所示磁片结构进行对折折叠后进行纵向充磁后的磁场强度分布图；
图4(a)为将图1所示磁片夹在3D霍尔传感器上方的立体结构示意图；
图4(b)为图4(a)所示结构的侧视图；
图5为测力计、磁片以及3D霍尔传感器配合关系示意图；
图6为实施例中九点测试示意图；
图7(a)～(c)为九点测试结果曲线图；
图8(a)～(c)为九点测试中Bz信号和受力的线性拟合结果图；
图9为实施例中直线测试示意图；
图10为直线测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明：
一、磁片制作：
1.材料配比
按照材料质量比SE 1700(陶氏DOW有机硅胶粘剂DOWSILTMSE1700，11.71％)，SE1700配套催化剂(1.17％)，Ecoflex 00-30Part B(21.78％)，气相二氧化硅纳米粒子(2.72％)，和相对直径5μm大小的钕铁硼微粒(62.62％)配比完成后利用调节混合器(Thinky,AR100)进行搅拌和去泡操作得到3D打印原料。
利用现有的三维软件设计如图1和2所示的磁片的三维模型，利用现有的切片软件进行切片处理，得到三维模型对应的Gcode代码，然后进行后续的打印。
利用3D打印技术可以快速得到复杂结构，该发明利用3D打印技术构造了负泊松比机构的磁片样品如图3所示，单个负泊松比结构大小为底边长度为3mm的等腰三角形，可以更好得适应传感器特性，使得小磁片的磁信号变化和受力变化呈现线性关系。
2.具体步骤
(1)将打印原料放入到注射器(诺信,PN:7012096)并配上喷嘴(诺信,PN:7018298)，利用点胶控制器控制气泵(Outstanding,OTS-550)控制打印原料可以柔顺均匀挤出。
(2)将注射器用模具固定至三维移动平台(Panowin,F1)喷头处，利用对应的Gcode代码进行打印。
(3)将得到的打印样品放入到120度的烘箱中加热三小时，得到固态磁片，整体尺寸为：厚度为2mm，面积为30mm×30mm，其中的三角形沙漏结构中每个三角形底边长度为3mm，高度为1.5mm。
如图1所示，该发明利用3D打印可以快速得到复杂的结构的优势，使用了底边长度为3mm的等腰三角形负泊松比结构，该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。
如图1所示，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101，所述柔性主体具有负泊松比结构，其设定区域(图1中A线所在的位置)经过了折叠磁化处理。
本实施例中，柔性主体为30mm×30mm的正方形磁片，其设定区域301为呈直线分布的区域，即对称轴所在的区域(参见图3(c))，所述设定区域301为折叠磁化过程中折痕(A)所在的区域。磁化时，是将正方形的柔性主体直接对折，所述折痕为直线结构。
负泊松比结构由多组三角形沙漏结构链102横向(图中为竖直方向)交错拼接形成，本实施例中三角形沙漏结构链102有16组。本发明中，16组三角形沙漏结构链多排布置，相邻两条三角形沙漏结构链交错(交错位移为三角形高对应的位移)对接形成一体的结构。
每组三角形沙漏结构链由多个三角形沙漏结构201纵向(即三角形中对称轴所在的方向，图2中为水平方向)两两对接一体而成，每个三角形沙漏结构由两个等腰三角形框架在顶点处对接而成，且两个三角形框架在对接处连通，相邻两个三角形沙漏结构通过对应等腰三角形框架底边对接连接。相邻两条三角形沙漏结构链共用三角形边框，两条三角形沙漏结构链中很像两个相邻的三角形框架方向相反，且共用一个侧边，对接一体后形成平行四边形的结构。每个三角形沙漏结构中对接处连通，保证了负泊松比结构的特性，而共用的侧边(相邻两组三角形沙漏结构链)和共用的底边(一条三角形沙漏结构链中两个相邻的三角形沙漏结构)将多个三角形沙漏结构连成一体，构成完整的具有负泊松比结构的柔性主体。
二、充磁
具体步骤：将样品折叠后放入到两极电磁铁中间，磁化强度为1.5T，得到磁化成功的样品。
对于磁性弹性体，磁场强度受到磁性颗粒比例低的限制。通过普通的磁化方法难以获得强磁场(如图3(a)和图3(b))。该发明引入折纸磁化以实现增强设置霍尔传感器的折叠位置处的磁场强度的目的如图3(c)所示。折叠磁化，大大提高了指定位置附近的磁场强度，这使得磁性弹性体无需硬磁体即可产生足够的磁通密度。结合高灵敏度三轴霍尔传感器，它可以作为软触觉传感器获得多维负载信息。
三、不同位置受力-磁场变化检测
将霍尔元件固定在样品中部下方，可以实时得到由样品形变导致的磁场强度变化信号。具体的，将等厚度的硅胶片402粘贴在磁片101两侧以进行夹紧，然后置于在3D霍尔传感器401上方。如图4(a)和图4(b)所示。经过对折充磁的样品的磁场强度会随着样品不同位置的形变及其大小而产生不同的变化，下方的霍尔元件可以实时读取出磁场强度变化信号而得出相应的按压位置以及按压力的大小。
(1)九点测试：
利用图5所示的装配结构和坐标系(原点为正方形磁片的中心)，沿小磁片x和y方向有九个点，间距分别为10mm，自上而下，自左向右分别定义为(a)～(i)点，如图6所示。分别针对每一个点，测力计501的触点从z＝0开始下降，在每一个测量位置记录Bx，By和Bz的信号数据以及测力计的读数。样品不同位置磁性变化及力的关系结果如图7(a)～图7(c)所示，随着测力计的位置下降(图7(a)～图7(c)中纵坐标为z坐标的取负值)，磁性霍尔传感器上方的磁片更加靠近霍尔传感器。Bx，By和Bz信号的绝对值都相应增大。在三个信号中，Bz的增幅最大，而By的增幅最小。在y＝10mm处，By的值随着测力计下降而增大，在y＝-10mm处，By的值随着测力计下降而减少。在y＝0mm处，By的值不变。结合充磁后的磁场分布，可以推断出By的信号与x轴对称。当测力计按压x轴对称的两个点时将产生大小相同，方向相反的By信号。因此可以从获得不同的By磁场信号大小和方向中反推出所按压的样品y轴的坐标的相对位置，当x坐标已知时，可以精确确定受力点的y坐标。
将Bz信号和力的关系单独抽取，如图8(a)～图8(c)所示，为该实验中Bz信号和力的线性拟合结果。除中心点外，R2的值均在0.99以上，中心点的R2值为0.988。信号之间的线性关系有利于信号处理。磁场在空间本身的分布是非线性的，在折叠磁化的情况下，磁场的分布更加复杂。当载荷垂直于平面时，弹性体中会发生复应变，磁场也会发生变化。在这种结构的前提下，负载力的大小与Bz信号呈线性关系。这种特性是材料，结构和磁场分布相互作用的结果。由此可知，利用Bz信号大小，可以判断负载力的大小。
(2)直线测试
如图9所示，该实验中，测力计的接触沿y轴从Y＝-10.5mm移动到Y＝10.5mm，总共22个点(x＝0)。结果如图10所示。
在上述中，Bx首先线性增加，然后进入平稳阶段，最后开始下降。在一定区域中，By是线性的，而R2值为0.990。信号By远离中心点时趋于稳定，即超出图10(b)中的灰色部分。Bz信号的变化在中部附近最高，该曲线与y轴对称如图10中(c)，Bx的传感器放置在Y＝4mm，因此Bx的曲线与x轴不对称，最高的Bx发生的平稳期接近Y＝4mm。Bx信号和By信号均呈现线性间隔，而Bz相对于x轴对称。根据实验，Bx和By信号比Bz信号更适合预测载荷点的位置，而Bz信号更适合于测量力的大小。
综上所述，与磁场强度变化检测元件联合使用，可以通过Bx和By的数值大小，预测载荷点的位置(特别是y坐标，可以更为精确的被确定)。利用Bz信号的大小，可以用于预测载荷点的受力大小。

Claims (8)

1.一种基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，其特征在于，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；所述设定区域为折叠磁化过程中折痕所在的区域；所述设定区域为呈直线分布的区域；所述折叠磁化采用纵向充磁。
2.根据权利要求1所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，其特征在于，所述负泊松比结构由多组三角形沙漏结构链横向交错拼接形成。
3.根据权利要求2所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，其特征在于，每组三角形沙漏结构链由多个三角形沙漏结构纵向两两对接一体而成，每个三角形沙漏结构由两个等腰三角形框架在顶点处对接而成，且两个三角形框架在对接处连通，相邻两个三角形沙漏结构通过对应等腰三角形框架底边对接连接。
4.根据权利要求3所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，每个等腰三角形框架的尺寸为：底边为2～5mm，高为1～2.5mm；磁片厚度为1～3mm。
5.根据权利要求1所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，其特征在于，所述柔性主体由3D打印加工得到。
6.根据权利要求1或5所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构，其特征在于，所述柔性主体由有机硅胶粘剂、硅橡胶、气相二氧化硅纳米粒子、永磁材料制成。
7.一种柔性触觉传感器，其特征在于，包括权利要求1～6任一项所述的基于折叠充磁法的磁柔性触觉传感结构以及用于采集磁场强度变化的磁感应传感器。
8.根据权利要求7所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述磁感应传感器为三轴霍尔传感器，所述三轴霍尔传感器固定在磁柔性触觉传感结构中部下方，通过检测Bz大小，确定施力点受力大小；或者通过检测By大小，确定施力点的y轴坐标相对位置。
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