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  • 頭條模仿動(dòng)物毛發(fā)的觸覺機(jī)理,中國科學(xué)家設(shè)計(jì)出靈敏度更高的傳感器
    2022-03-02 作者:劉莎莎、王博文 等  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語受動(dòng)物毛發(fā)的觸覺機(jī)理啟發(fā),省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué)) 、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)室的研究人員劉莎莎、王博文、黃文美、翁玲、高紹陽,在2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文,采用磁敏材料Galfenol細(xì)絲設(shè)計(jì)一種仿生磁致伸縮觸覺傳感單元。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。

    觸覺是人和動(dòng)物與外界環(huán)境交互不可或缺的感覺功能之一。許多動(dòng)物的觸覺器官遍布其身,對(duì)于一些長毛動(dòng)物,毛發(fā)感覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)觸覺感知功能,例如,老鼠能夠使用胡須毛接觸物體獲得其方向和位置,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)來感知周圍環(huán)境的變化。

    動(dòng)物毛發(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,鐵鎵磁致伸縮材料(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,通過復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)傳遞并處理觸覺信息,具有極高的靈敏度。

    模仿動(dòng)物毛發(fā)的觸覺機(jī)理,中國科學(xué)家設(shè)計(jì)出靈敏度更高的傳感器

     

    動(dòng)物出色的毛發(fā)感覺系統(tǒng)啟發(fā)了研究人員開發(fā)新的觸覺傳感器,智能機(jī)器人可通過觸覺傳感器實(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。近年來,國內(nèi)外研究人員對(duì)觸覺機(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。但是壓阻、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。

    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,可用作觸覺傳感器的敏感材料。目前所研制的磁致伸縮觸覺傳感器具有測(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)相互干擾等問題。

    受動(dòng)物毛發(fā)感覺系統(tǒng)的觸覺機(jī)理啟發(fā),河北工業(yè)大學(xué)的科研人員用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傳感單元,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    將天然毛發(fā)感覺系統(tǒng)的觸感功能視為探測(cè)和處理過程(見圖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)致周圍磁場(chǎng)發(fā)生變化,電磁檢測(cè)系統(tǒng)通過實(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。

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    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。

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    圖2 磁致伸縮傳感陣列制作過程與樣機(jī)

    研究人員根據(jù)電磁學(xué)理論建立傳感單元輸出特性模型,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H=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。

    研究人員指出,該傳感陣列具有體積小、靈敏度高和易于制作的特點(diǎn)。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。

    以上研究成果發(fā)表在2021年第12期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》,論文標(biāo)題為“仿生磁致伸縮觸覺傳感陣列設(shè)計(jì)與輸出特性”,作者為劉莎莎、王博文 等。