CN113091960B - 折叠充磁方法、柔性触觉传感结构及柔性触觉传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折叠充磁方法，其采用将待充磁的柔性磁片进行折叠，然后进行充磁；所述柔性磁片被抚平时，所述折叠形成的折痕为沿磁片中心等角度布置的直线结构，且所述直线为3～10条。同时本发明还提供了一种磁柔性触觉传感结构以及由其得到的柔性触觉传感器。本发明采用了折叠充磁的磁片，同时利用霍尔元件检测磁场变化，实现增强放置霍尔传感器的磁片中心位置处的磁场强度，并且可以精确检测力的位置。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。

Description

折叠充磁方法、柔性触觉传感结构及柔性触觉传感器

技术领域

本发明属于物理传感器设计技术领域，具体是提供一种折叠充磁方法、磁柔性触觉传感结构及柔性触觉传感器。

背景技术

柔性触觉传感器可以被应用到其家人皮肤人和可穿戴电子设备等范围，为近年来的一个新兴领域。现在市面上有许多采用不同传感机制的触觉传感器，如压电阻力、压电、和电容性等。但是传统的触觉传感器有很多限制和不足，比如从传统的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(Jeong,Yongrok and Park,Ultrathin,Biocompatible,and FlexiblePressure Sensor with a Wide Pressure Range and Its Biomedical Application,ACSSensors.5(2020)481–489. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.9b02260.)中提到的生物相容性和柔性压力传感器只能得到压力数据，无法获取其他信息。

发明内容

本发明提出了一种折叠充磁方法，利用该方法，可以使得磁片中心的磁强强度显著增强。

本发明提供了一种基于上述充磁方法得到的柔性触觉结构及传感器，利用磁场传感器得到的磁场强度，可以精确判断所受力的位置。

本发明同时提供了一种柔性触觉传感器，该传感器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手部触觉传感器。该传感器也可以精确判定所受力的位置，并且是柔软的，可以运用到机器人精确取拿易碎物体的情况中。

本发明基于折叠充磁法的柔性传感器为这些问题提供了解决方案。通过对角充磁方法制备的磁性柔性传感器能够精确感应到力的位置，在机器人的触觉皮肤领域具有很大的应用前景。由于所使用的霍尔元件与磁片之间也是无接触的，也可以运用到某些特定的无法建立连线的情况下。

一种折叠充磁方法，将待充磁的柔性磁片进行折叠，然后进行充磁；所述柔性磁片被抚平时，所述折叠形成的折痕为沿磁片中心等角度布置的直线结构，且所述直线至少为3条。

通过对折叠的柔性磁片进行重新，可以显著增强磁片中心处的磁场强度。

本发明中，所述柔性磁片在抚平状态下，可以为圆形、椭圆形、长方形、正方形、三角形以及任一其他对称或非对称的结构。作为优选，所述柔性磁片在抚平状态下为对称结构。

作为优选，所述折痕为3～10条。作为进一步优选，磁片被抚平时，所述折叠形成的折痕为沿磁片中心等角度布置的3～8个，进一步优选为 3～6个；更进一步优选为4个。四个折痕时，形成两条完整的相互垂直的直线结构。

作为优选，所述柔性磁片中含有40～80％的永磁体。

作为优选，所述柔性磁片由如下重量百分比的原料制成：8％～15％的有机硅胶粘剂、0.5～5％有机硅胶粘剂催化剂、10～30％的硅胶、1～5％的气相二氧化硅纳米粒子、50～70％永磁体微粒。作为进一步优选，所述柔性磁片由如下重量百分比的原料制成：10％～14％的有机硅胶粘剂、1～2％有机硅胶粘剂催化剂、15～25％的硅胶、1～5％的气相二氧化硅纳米粒子、 50～70％永磁体微粒。所述有机硅胶粘剂优选DOWSIL^TMSE 1700，所述催化剂优选为DOWSIL^TMSE 1700配套催化剂。所述硅胶优选为Ecoflex 00-30Part B。所述永磁体微粒优选为钕铁硼微粒(粒径优选为1～10微米)。

一种磁柔性触觉传感结构，为柔性磁片，该柔性磁片采用上述任一项技术方案所述的折叠充磁方法进行充磁。这样，在所述柔性磁片的特定区域，形成强磁场强度区。所述特定区域位于磁片的中心。

作为优选，所述柔性磁片为正方体结构。

本发明使用了对角折叠充磁的工艺，利用对于三维磁场信号的检测，可以直接得到精确的施力点坐标。

作为进一步优选，所述对角折叠为将柔性磁片对折再对折，所述折痕为两条垂直直线结构。所述柔性磁片的形状还可以是矩形，圆形，菱形，三角形等对称结构。

作为更进一步优选，所述柔性磁片为对称片结构，所述折痕为其两条垂直的对称轴。以正方形柔性磁片为例，其所述折痕为对角线形成的相互垂直四条折痕，或者对边中线形成的相互垂直的折痕。

作为优选，所述对角折叠磁化采用纵向充磁。即折叠形成的重叠面所在的平面与冲磁磁场方向一致或者平行。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灵敏度。所述“纵向充磁”即：将对角折叠后的柔性主体垂直于磁场布置。

作为一种优选方案，柔性磁片为60mm×60mm的正方形，磁片厚度为2mm。

作为优选，所述柔性磁片由有机硅胶粘剂、胶粘剂催化剂、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DOWSILTM SE 1700)、1～5％的有机硅胶粘剂催化剂，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磁场强度传感器。

所述传感器为三轴霍尔传感器。

经过折叠的磁片进行纵向充磁后，磁片中心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。使用时，通过检测Bx和By 值确定施力点的x和y轴坐标。

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。本发明引入折叠充磁方法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(磁片中心)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。

本发明利用压铸可以快速得到所需的磁片，节约时间。

本发明采用了折叠充磁的磁片，同时利用霍尔元件检测磁场变化，实现增强放置霍尔传感器的磁片中心位置处的磁场强度，并且可以精确检测力的位置。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。

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为实施例中采用的对角折叠充磁的磁片结构示意图；

图2为在充磁时小磁片的折叠形式；

图3为小磁片充磁示意图；

图4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5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6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7为图1所示磁片结构进行对角折叠后进行纵向充磁后的磁场强度分布图；

图8为实施中小磁片支撑架示意图；

图9为测力计、磁片以及3D霍尔传感器配合关系示意图；

图10为三种充磁方式7点测试示意图；

图11为三种充磁方式7点测试Bx和By变化结果示意图；

图12为对角折叠充磁49点测试示意图；

图13为对角折叠充磁49点测试Bx和By变化单位矢量结果示意图。

具体实施方式

下面结合实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DOWSIL^TM SE 1700，11.71％)，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压铸原料。

2.具体步骤

(1)将压铸原料放入到压铸模具中；

(2)将放入原料的压铸模型放入到120摄氏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60mm×60mm。

如图1所示，一种基于对角折叠充磁法的磁柔性触觉传感器结构，包括含有压铸得到的永磁材料的柔性磁片201，其设定区域(图1中A线、 B线所在位置，A线和B线可以看做分别有两条折痕对接形成的对角线) 经过了对角折叠磁化处理。

本实施例中，柔性磁片为60mm×60mm的正方形磁片，其设定区域为呈垂直直线分布的区域，即两条垂直的对称轴所在的区域，同时两条对称轴分别连接正方形磁片的对角点，所述设定区域为折叠磁化过程中折痕(A 线和B线)所在的区域。磁化时，是将正方形的柔性磁片对折对角线，所述折痕为直线结构。

(1)充磁

具体步骤：

图2中，(a)为折叠后小磁片的立体图，(b)为折叠后小磁片的俯视示意图，(c)为折叠后小磁片的实物图。将样品如图2折叠后(图中有四组折叠面201，四个折痕202对应四条沿中心203的直线)垂直放入到两极电磁铁中间，保持折叠形成的重叠面201与充磁方向平行或者相同，如图3所示(其中(a)为充磁立体示意图，(b)为(a)所示附图的一侧侧视图，(c)为(a)所示附图的一侧侧视图；(d)为磁片折叠后的定位实物图，图中采用空心的十字夹进行固定)，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4(未折叠小磁片进行横向充磁后的磁场强度分布图)和图5(未折叠小磁片进行纵向充磁后的磁场强度分布图)。同时单单对折一次进行充磁如图7所示又无法通过霍尔元件得到的信号精确判断出受力点的位置。该发明引入对角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6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。并且对角折叠磁化后的小磁片结合高灵敏度三轴霍尔传感器，可以精确定位所受力的位置。

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，将磁片放置在5mm厚度的epe珍珠棉泡沫板上再放置在如图8所示的3D打印支架((a)为立体图；(b)为侧视图，主视图)中，然后将三轴3D霍尔传感器902(见图9)至于3D打印支架下方图9所示。经过对角折叠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精确得出相应的按压位置。

(2)三种充磁方式7点测试

利用如图9所示的装配结构和坐标系(原点为正方形磁片的中心)，小磁片201上设置有如图10所示的7个点，该实验中，测力计901分别按压竖直充磁(如图5)，对折充磁(如图6)和对角折叠充磁(如图7) 的如图10所示的7个点，并且按压下降2mm，总共得到如图11所示的三组Bx和By变化的数据。由图11(a)所示的数据可以发现，对角充磁后的磁片位于磁片上部的1点2点By变化都为负，位于磁片下部的5点6 点By变化都为正。位于磁片左侧的1点，3点和5点Bx变化都为正，位于磁片右侧的2点，4点，6点Bx变化都为负，由此我们可以通过Bx， By的变化值而推出力在小磁片上的位置。而如图11(b)和11(c)所示，竖直充磁和对折充磁的磁片不具有如此特性。

(3)对角折叠充磁49点测试

如图12所示，布置7×7的49个点去，且等间距排列，相邻点的横向和纵向间距均为5mm，该实验中测力计的接触分别按压49个点2mm，将Bx和By变化值单位化，得到的单位矢量图如图13所示，图中每个点对应的横纵坐标(B_x，1，B_y，1)值均按照如下公式处理：

由图13可知，在受力相同情况下，在上述中所得到的49个点的每个位置点对应的(B_x，1，B_y，1)均不重合，那么可以得知利用Bx和By变化矢量值或者单位化的(B_x，1，B_y，1)，我们可以反推出所受到力的精确位置。

实际应用时，可以预先通过有限次的实验建立Bx和By或者B_x，1，B_y，1与坐标之间的数据库。然后实际对某一个点进行检测时，可以对检测得到的Bx和By或者B_x，1，B_y，1与数据库中的Bx和By或者B_x，1，B_y，1进行比较，选择最接近值对应的坐标值，作为待检测点的坐标值。

Claims (6)

1.一种折叠充磁方法，其特征在于，将待充磁的柔性磁片进行折叠，然后进行充磁；所述柔性磁片被抚平时，所述折叠形成的折痕为沿磁片中心等角度分布的直线结构；

充磁时，折叠形成的重叠面所在的平面与充磁磁场方向一致或者平行；

所述折叠形成的折痕为沿磁片中心垂直设置的四个；

所述柔性磁片由如下重量百分比的原料制成：8%~15%的有机硅胶粘剂、0.5~5%有机硅胶粘剂催化剂、10~30%的硅胶、1~5%的气相二氧化硅纳米粒子、50~70%永磁体微粒。

2.一种磁柔性触觉传感结构，其特征在于，为柔性磁片，该柔性磁片采用权利要求1所述的折叠充磁方法进行充磁。

3.根据权利要求2所述的磁柔性触觉传感结构，其特征在于，所述柔性磁片为正方体结构。

4.一种柔性触觉传感器，其特征在于，包括权利要求2~3任一项所述的磁柔性触觉传感结构以及用于采集所述磁柔性触觉传感结构的磁场强度变化的磁场传感器。

5.根据权利要求4所述的柔性触觉传感器，其特征在于，所述磁场传感器为三轴霍尔传感器。

6.根据权利要求5所述的柔性触觉传感器，其特征在于，利用检测得到的x和y方向的磁场强度变化值Bx和By，得到受力点的x，y坐标。

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