磁致伸縮觸覺傳感器的輸出特性研究*

張 冰,王博文,李云開

(1.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)電氣工程學(xué)院,天津 300130;2.河北省電磁場與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,天津 300130;3.河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院能源與動力工程學(xué)院 鄭州 450011)

觸覺傳感器在工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人靈巧手和醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外研究者對于觸覺傳感器設(shè)計與特性測試做了諸多研究工作,提出了具有不同傳導(dǎo)機(jī)制的觸覺傳感器,如壓阻、壓電、電容和光學(xué)傳感器,用于感知壓力、振動和溫度等參數(shù)。中國科學(xué)研究院石繼東等人提出了一種用于手腕脈沖和聲波等小振動檢測的大量程柔性壓阻式觸覺傳感器,測量范圍0～25 kPa[1]。文獻(xiàn)[2]介紹了一種利用壓電效應(yīng)的傳感器陣列,通過滑動檢測物體表面特征的螺距和寬度信息,空間分辨率高達(dá)500 μm。Li等人設(shè)計了一種具有交叉指狀和雙渦流結(jié)構(gòu)的可伸縮電容式傳感器,用于高靈敏度觸覺感知[3]。然而目前的觸覺傳感器在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性,如精度低、溫度依賴性大和信號處理電路復(fù)雜等,無法滿足對觸覺信息精確測量和感知的要求[4]。

為加快觸覺傳感器的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程,需要應(yīng)用新的觸覺傳感理論和智能敏感材料,發(fā)展新型觸覺傳感器。新型Fe83Ga17合金(Galfenol)具有低磁場下磁致伸縮大的優(yōu)點(diǎn),能夠承受拉伸和沖擊等機(jī)械載荷,還可與力直接耦合,機(jī)電耦合效率高,如片狀Galfenol懸臂梁的換能密度可達(dá)22 mW/cm3,這是壓電材料無可比擬的[5-6]。可見應(yīng)用Galfenol磁致伸縮材料實(shí)現(xiàn)力-磁場-電壓的轉(zhuǎn)換,設(shè)計新型的觸覺傳感器,具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

本文參考懸臂梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用逆磁致伸縮效應(yīng),應(yīng)用片狀Galfenol磁致伸縮材料設(shè)計制作了一種新型的觸覺傳感器,結(jié)構(gòu)簡單,性能穩(wěn)定,用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取時接觸力和目標(biāo)物體剛度的測試。

圖1 磁致伸縮觸覺傳感器結(jié)構(gòu)圖

1 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)與輸出特性

1.1 磁致伸縮觸覺傳感器結(jié)構(gòu)

設(shè)計的磁致伸縮觸覺傳感器如圖1所示。傳感器由硬質(zhì)觸桿、Galfenol懸臂梁、永磁體、霍爾元件、外殼和底座等組成。懸臂梁選用取向<100>的多晶Fe83Ga17磁致伸縮材料,單層片狀結(jié)構(gòu),長度、寬度和高度分別為l、w和h,一端固定在骨架底座上,另一端與硬質(zhì)觸桿相連,用于接收并傳遞接觸力。梁的自由端和固定端上方放置兩塊極性相反的Nd2Fe14B永磁鐵,為Galfenol懸臂梁提供沿長度方向的偏置磁場H,兩永磁體的中心距為36 mm,永磁體下表面距懸臂梁上表面為13.3 mm。硬質(zhì)觸桿為“工”字結(jié)構(gòu),固定在懸臂梁的自由端作為力的傳遞元件接觸物體,傳遞力和位移信號。霍爾元件為信號采集單元,采用A1321LUA型霍爾芯片(測試104Oe內(nèi)的磁場,靈敏度為5 mV/Oe),放置在靠近懸臂梁固定端的內(nèi)表面。觸覺傳感器與機(jī)械手指集成,如圖1(d)所示。傳感器的工作原理為:當(dāng)硬質(zhì)觸桿接收到垂直方向的力時引起懸臂梁發(fā)生形變,由于逆磁致伸縮效應(yīng),Galfenol材料內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生改變,進(jìn)而影響霍爾元件區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,最終改變霍爾元件的輸出電壓,把力轉(zhuǎn)換為電壓信號。

傳感器的核心元件為Galfenol懸臂梁,永磁體與Galfenol懸臂梁形成磁通回路。由于Galfenol材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度對壓應(yīng)力敏感,所以霍爾元件放置在懸臂梁的應(yīng)力集中處,以提升傳感器靈敏度。此設(shè)計結(jié)構(gòu)受溫度影響較小,具有較高的輸出穩(wěn)定性,可以測試接觸力并檢測物體剛度。

1.2 傳感器的輸出電壓與接觸力關(guān)系

依據(jù)霍爾效應(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換,通過霍爾元件檢測Galfenol懸臂梁磁通的變化。材料表面磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化與材料內(nèi)部變化近似成線性關(guān)系[7],可以得出霍爾元件的輸出電壓UH為:

UH=KHBH=KHKsBGal

(1)

式中,UH為霍爾元件輸出電壓;KH為等效霍爾參數(shù),Ks為磁感應(yīng)強(qiáng)度傳遞系數(shù),BGal為Galfenol材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度。

由磁感應(yīng)強(qiáng)度公式可知,Galfenol材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B為可表示為:

BGal=μ0(H+M)

(2)

式中,H為永磁體產(chǎn)生的偏置磁場,μ0為真空磁導(dǎo)率,M為磁化強(qiáng)度。

Galfenol材料在外部作用力F作用下磁疇發(fā)生轉(zhuǎn)動,導(dǎo)致材料內(nèi)部的磁化強(qiáng)度M變化。Dapino等人基于磁機(jī)械效應(yīng)定律建立了應(yīng)力與磁化強(qiáng)度關(guān)系模型[8]。在理想情況下,考慮文獻(xiàn)[7]并應(yīng)用變形的Langevin方程[9]可以得到與應(yīng)力相關(guān)的無磁滯磁化強(qiáng)度:

(3)

(4)

(5)

將式(5)代入(4),得:

(6)

式(6)中含有參數(shù)σ,故在圖1中,以懸臂梁的長度方向?yàn)閤軸,高度方向?yàn)閦軸,x軸取在懸臂梁中性面層。對所建立的模型作出以下假設(shè):①Galfenol懸臂梁符合歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論;②磁場在懸臂梁材料中沿x軸均勻分布。

由歐拉-伯努利梁結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論可以得到懸臂梁撓度與受力的關(guān)系:

(7)

x為自由端到梁固定端的距離,F為施加在觸桿處的力,E為Galfenol材料剛度系數(shù),I為截面轉(zhuǎn)矩。

在恒定的偏置磁場H下,根據(jù)材料力學(xué)可以得出懸臂梁受到力F產(chǎn)生彎曲時,在厚度為z處的x軸向應(yīng)變與曲率的關(guān)系為:

(8)

由變形的胡克定理,霍爾元件處所檢測的懸臂梁平均壓應(yīng)力為:

(9)

材料的中性面上方受到沿軸向壓力,中性面下方受到沿軸向拉力,當(dāng)偏置磁場較高時,拉應(yīng)力不會引起磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化[11],故中性面下方M不變。

通過式(9),式(6)和式(2)得:

(10)

式(10)為觸覺傳感器的接觸力測試模型,表明傳感器的輸出電壓U與接觸力F成反比。

1.3 傳感器的輸出電壓與目標(biāo)物體剛度關(guān)系

手指可以感受到物體的彈性和粗糙度,是手指皮膚內(nèi)的機(jī)械感受器可以從外界刺激中獲得信息。哈佛大學(xué)的Pawluk等考慮機(jī)械感受器的結(jié)構(gòu)特征,提出手指皮膚機(jī)械感受器的力學(xué)模型,如圖2所示。機(jī)械感受器上下方皮膚組織等效為兩個彈簧ks1和ks2,當(dāng)皮膚受壓變形時,機(jī)械感受器通過感受皮膚表面壓力及位移,產(chǎn)生動作電位來傳遞神經(jīng)信號。

圖2 皮膚機(jī)械感受器力學(xué)模型

根據(jù)仿生學(xué)原理,將Galfenol懸臂梁等效為表皮區(qū)組織,接受外力及位移信號,霍爾元件及信號處理放大電路構(gòu)成的電磁檢測系統(tǒng)等效為機(jī)械感受器,對壓力及位移信號進(jìn)行接收處理。對物體彈性檢測時,被測物體和懸臂梁接觸,傳感器通過控制機(jī)械手對物體抓取或按壓,可以給定一個位移輸入,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將物體的變形信號轉(zhuǎn)化為力信號。

圖3為磁致伸縮觸覺傳感器測試剛度的物理模型,假設(shè)被檢測物體是彈性材料,測量時將傳感器觸桿貼近固定的被測物體,此時懸臂梁和被檢測物體等效為兩彈簧串聯(lián)。通過給傳感器整體施加一個相同的進(jìn)給位移L,被測物體發(fā)生位移為Lm的形變,對應(yīng)的懸臂梁會產(chǎn)生自由端撓度為L-Lm的變形。不同彈性的物體具有不同的剛度系數(shù),在同一個進(jìn)給位移下,懸臂梁會受到不同的力,由Galfenol懸臂梁接觸力測量模型可知,在檢測不同剛度時懸臂梁所受力不同,傳感器輸出不同的電壓值,進(jìn)而辨識物體的剛度。

圖3 傳感器剛度檢測物理模型

根據(jù)圖3中的模型,可以得到位移L和傳感器受力F(懸臂梁和被測物體受力同為F)的關(guān)系:

F=KLL=Lc+Lm

(11)

式中K為測量系統(tǒng)總等效剛度系數(shù);Lc為懸臂梁觸桿處撓度,Lm為物體形變量。

由于此時懸臂梁和被檢測物體等效為兩彈簧串聯(lián),如圖3中所示,可得到其整體剛度系數(shù)為:

(12)

式中Kc為懸臂梁等效剛度系數(shù),Km為待測物體剛度系數(shù)。

由式(11)和(12)可得:

(13)

懸臂梁的等效剛度系數(shù)Kc一定,可以由式(7)可知,在自由端處,懸臂梁撓度取最大值,此時:

(14)

故可以得到懸臂梁等效剛度系數(shù):

(15)

由式(13)和(15)可得:

(16)

對于彈性不同的物體具有不同的剛度系數(shù)Km,所以在同一個進(jìn)給位移L下,檢測不同剛度的物體會得到不同的力的輸出,物體的剛度系數(shù)越大,輸出的力越大。

由式(10)和式(16)可以得到:

(17)

式(17)為觸覺傳感器的剛度測試模型,可知傳感器的輸出電壓U與被測物體的剛度系數(shù)Km成反比。

2 理論分析和實(shí)驗(yàn)研究

應(yīng)用式(10)和式(17)可以計算磁致伸縮觸覺傳感器的輸出特性。計算模型中的材料參數(shù)如表1[12]。

表1 Galfenol材料參數(shù)

材料參數(shù)b通過靜態(tài)磁特性測試得出,觸覺傳感器中懸臂梁的有效長度l=40 mm,寬度w=8 mm,厚度h=1 mm。磁感應(yīng)強(qiáng)度傳遞系數(shù)Ks=0.004 28,根據(jù)霍爾元件特性曲線知系數(shù)KH=5 mV/Oe。

選取了四種不同剛度系數(shù)的樣本材料,包括海綿、泡沫1、泡沫2和橡膠,表2給出了材料的剛度系數(shù)。樣品的尺寸均為20 mm×20 mm×20 mm。

表2 樣本材料剛度系數(shù)

搭建了觸覺傳感器的測試系統(tǒng),如圖4所示,主要由機(jī)械手、磁致伸縮觸覺傳感器、FSR400電阻式壓力傳感器,信號處理及放大電路,信號采集卡和穩(wěn)壓電源組成。機(jī)械手采用二指靈巧手,固定于支架上。FSR400電阻式壓力傳感器固定到機(jī)械手一手指上,用于確定抓取力大小,將磁致伸縮觸覺傳感器安裝到機(jī)械手另一個手指上,用于測試。信號采集卡同時采集FSR400電阻式壓力傳感器和磁致伸縮觸覺傳感器的輸出電壓信號。穩(wěn)壓電源為霍爾元件、FSR400電阻式壓力傳感器和放大電路提供穩(wěn)定直流電源。

圖4 磁致伸縮觸覺傳感器測試系統(tǒng)平臺

圖5示出了實(shí)驗(yàn)測得在不同偏置磁場下傳感器輸出電壓與施加力F的關(guān)系,當(dāng)施加力小于1 N時,輸出電壓隨力的增加快速降低,施加力大于1 N時,輸出電壓隨力的增加緩慢降低。在偏置磁場為2.56 kA/m、施加力為1 N時,輸出電壓相對于未施加力時的變化值為22.8 mV,分辨率為0.07 N,表明應(yīng)用傳感器測試目標(biāo)物體受力時具有較高的靈敏度。圖5還示出了應(yīng)用式(10)得到的計算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果基本是一致的,表明可以應(yīng)用式(10)描述傳感器的輸出電壓與接觸力的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計算結(jié)果存在少量誤差,這可能是受力后懸臂梁彎曲,磁路微小改變引起的。考慮到磁路的微小改變對輸出的影響較小,將其在模型計算中忽略了。

圖5 不同偏置磁場下輸出電壓U與接觸力F的關(guān)系

在不同偏置磁場下,傳感器輸出電壓相對于未施加力時的變化值ΔU與力之間的關(guān)系如圖6所示。可以看出當(dāng)偏置磁場小于2.56 kA/m時,輸出電壓的變化值ΔU隨偏置磁場增加而增加。當(dāng)偏置磁場大于2.56 kA/m時,輸出電壓的變化值ΔU隨偏置磁場增加而減小。當(dāng)偏置磁場為2.56 kA/m時,輸出電壓的變化值ΔU取得最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器在偏置磁場為2.56 kA/m時具有較高的靈敏度。

圖6 不同偏置磁場下傳感器輸出電壓的變化值與接觸力之間的關(guān)系

圖7 磁致伸縮觸覺傳感器測試系統(tǒng)平臺

為進(jìn)一步探究磁致伸縮觸覺傳感器的重復(fù)性和穩(wěn)定性,控制安裝有觸覺傳感器的機(jī)械手指反復(fù)夾取和張開,使觸覺傳感器在0～1 N時循環(huán)受力。每循環(huán)200次后,施加外力從0 N線性增加至1 N,再減小至0 N,記錄在偏置磁場2.56 kA/m下觸覺傳感器輸出的電壓值,如圖7所示。從圖中看出,經(jīng)過200次和400次循環(huán)后的測試曲線和初始曲線趨勢一致,而且輸出電壓無衰減,確定了傳感器的穩(wěn)定性能。在每次力加載和卸載過程中,存在滯后現(xiàn)象,滯后誤差約為4.3%。

應(yīng)用式(17),給定位移0.7 mm,計算得到傳感器在不同偏置磁場下的輸出電壓與目標(biāo)物體剛度系數(shù)的關(guān)系如圖8所示。結(jié)果表明,當(dāng)物體剛度系數(shù)小于1 000 N/m時,輸出電壓隨物體剛度系數(shù)的增加快速降低,剛度系數(shù)大于1 000 N/m時,輸出電壓隨物體剛度系數(shù)的增加緩慢降低。表明可以應(yīng)用傳感器測試目標(biāo)物體的剛度系數(shù),進(jìn)而確定物體的彈性。

圖8 不同偏置磁場、位移L=0.7 mm時輸出電壓U與物體剛度系數(shù)Km的關(guān)系

圖9 輸出電壓變化值ΔU與物體剛度系數(shù)Km的關(guān)系

為了測試不同目標(biāo)物體的剛度,實(shí)驗(yàn)選取海綿、不同剛度的泡沫和橡膠作為實(shí)驗(yàn)樣本。初始狀態(tài)下,機(jī)械手指完全張開,并保證樣本的左右表面距兩個機(jī)械手指接觸面的距離相等,設(shè)置機(jī)械手的夾取速度為1.5×10-2m/s,確認(rèn)機(jī)械手指接觸到樣本表面后,控制機(jī)械手指對樣本繼續(xù)夾緊0.7 mm。實(shí)驗(yàn)得到的輸出電壓變化值ΔU與物體剛度系數(shù)Km的關(guān)系如圖9所示。應(yīng)用式(16)得到的計算結(jié)果一并示于圖9,計算選取進(jìn)給位移L=0.7 mm,偏置磁場H=2.56 kA/m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,傳感器的輸出電壓變化值ΔU隨物體剛度系數(shù)Km的增加而增大。這與應(yīng)用式(16)得到的計算結(jié)果是一致的。表明設(shè)計的傳感器可以用于機(jī)器人機(jī)械手對物體剛度的測試,進(jìn)而確定物體的彈性。

3 結(jié)論

設(shè)計制作了一種新型的磁致伸縮觸覺傳感器,應(yīng)用電磁學(xué)理論、逆磁致伸縮效應(yīng)和胡克定理,建立了觸覺傳感器的輸出特性模型。計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合,表明建立的模型可以描述觸覺傳感器的輸出特性。研制的觸覺傳感器在接觸力小于1 N時具有較好的輸出特性。偏置磁場低于2.56 kA/m時,輸出電壓變化值隨偏置磁場增加而增加,偏置磁場高于2.56 kA/m后,電壓變化值隨偏置磁場增加而逐漸減小。在偏置磁場為2.56 kA/m,力為1 N時,傳感器輸出最大電壓值為22.8 mV。根據(jù)提出的剛度檢測方法,傳感器可以對目標(biāo)物體剛度進(jìn)行檢測,進(jìn)而確定物體的彈性。設(shè)計的磁致伸縮觸覺傳感器可有效應(yīng)用于測試機(jī)械手抓取力和目標(biāo)物體彈性。