仿生磁致伸縮觸覺傳感陣列設計與輸出特性

劉莎莎 王博文 黃文美 翁 玲 高紹陽

仿生磁致伸縮觸覺傳感陣列設計與輸出特性

劉莎莎1,2王博文1,2黃文美1,2翁 玲1,2高紹陽1,2

（1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室（河北工業大學） 天津 300130 2. 河北工業大學河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室 天津 300130）

受動物毛發的觸覺機理啟發，該文采用磁敏材料Galfenol細絲設計一種仿生磁致伸縮觸覺傳感單元。基于逆磁致伸縮效應、線性壓磁方程和材料力學原理建立傳感單元的輸出特性模型，根據模型參數對傳感單元進行結構優化以降低空間體積。在COMSOL中搭建傳感陣列模型，分析陣列中磁場干擾對輸出結果的影響。對3×3傳感陣列進行輸出特性測試，并將其裝載于機械手上進行抓取實驗。在=1.6kA/m的偏置磁場下，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，響應時間為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。實驗結果表明，研制的傳感陣列具有良好的穩定性與靈敏度，應用于機械手抓取物體時能夠精確感知接觸力信息。

Galfenol細絲 磁致伸縮傳感單元 傳感陣列 觸覺感知

0 引言

觸覺是人和動物與外界環境交互不可或缺的感覺功能之一，智能機器人可通過觸覺傳感器實現對接觸物體形狀、振動、壓力大小與分布等信息的感知[1-2]。近年來，國內外研究人員對觸覺機理和敏感材料進行不斷地深入探究，研發了壓電式、壓阻式、電容式與光學式傳感器。Y. Lee等設計了一種具有高靈敏度和線性度的多層互鎖壓電薄膜傳感器，用于檢測0.001 3～353kPa的壓力[3]。H. Takao等利用壓敏電阻、溫度傳感器集成技術研制了一種多功能的陣列傳感器，可以測量壓力與溫度，并實現了觸摸物體的彈性檢測[4]。黃英團隊研制了炭黑填充硅橡膠作為彈性電介質的電容式觸覺傳感器，并且把壓力敏感單元排列成可拼接式陣列結構[5]。文獻[6]提出了基于檢測磁通密度變化的指尖傳感器，實現了對抓取薄片物體的實時判別。壓阻、壓電及電容式傳感器制作工藝繁瑣，易受外界環境溫度影響，信號處理電路相對復雜[7-9]。鐵鎵磁致伸縮材料（Galfenol）拉伸強度和磁機轉化效率高，在較低的偏置磁場下即可表現出優良的磁致伸縮特性，可用作觸覺傳感器的敏感材料[10-13]。目前所研制的磁致伸縮觸覺傳感器具有測量精度高、響應速度快等優點，但由于磁敏材料體積以及提供偏置磁場的線圈或者永磁體位置的限制，仍存在傳感器結構體積較大，傳感單元之間磁場相互干擾等問題[14-16]。

本文設計了一種仿生磁致伸縮觸覺傳感單元，將Galfenol細絲傾斜放置以模擬動物毛發形態，在其兩側對稱放置永磁體以減小傳感單元厚度，并根據電磁學理論分析了傳感單元輸出特性。制作了可裝載于機械手上的傳感陣列，集成陣列時單元之間共用永磁體，以降低單元之間的磁場干擾。該傳感陣列具有體積小、靈敏度高和易于制作的特點，可用于獲得機械手接觸物體時的觸覺信息。

1 傳感單元結構設計與輸出電壓

1.1 傳感單元結構設計

許多動物的觸覺器官遍布其身，對于一些長毛動物，毛發感覺系統可以實現觸覺感知功能，例如，老鼠能夠使用胡須毛接觸物體獲得其方向和位 置[17-18]，蟋蟀、蝎子等尾部的絲狀毛發能夠檢測到微小的空氣波動來感知周圍環境的變化[19-20]，動物出色的毛發感覺系統啟發了研究人員開發新的觸覺傳感器。動物毛發直徑一般為70～100mm，不同功能的毛發長度不一，短則如翅類昆蟲的纖毛通常不超過10mm，長則如哺乳動物的胡須一般是15～50mm[17-20]，毛發具有柔韌性，這使得其在受力狀態時彎曲不易折斷，非受力狀態易于恢復原狀，Galfenol細絲與毛發有一定的相似性。毛發通常與動物表皮成一定傾斜角度，裸露在外的毛發探測到細微刺激時將產生偏轉位移，深入表皮中的毛根附近分布著機械感受器，通過復雜的神經活動傳遞并處理觸覺信息，具有極高的靈敏度。根據這種生物觸感機理，設計了仿生磁致伸縮傳感單元結構如圖1所示。將天然毛發感覺系統的觸感功能視為探測和處理過程（見圖1a），采用Galfenol細絲代替毛發以接受壓力信號，將放入基底中的霍爾元件、永磁體構成的電磁檢測系統等效為機械感受器，如圖1b所示。處于磁場中的磁敏材料接觸物體時受到擠壓變形從而導致周圍磁場發生變化，電磁檢測系統通過實時測量磁場大小，將磁信號轉化為電信號輸出。

圖1 仿生磁致伸縮傳感單元結構設計

磁致伸縮傳感單元由Galfenol細絲、永磁體、霍爾元件、剛性基底和觸頭組成，結構如圖1c所示。Galfenol細絲傾斜固定在剛性基底中構成懸臂梁，自由端覆蓋圓形薄觸頭，作為力的傳遞元件使細絲彎曲變形；細絲兩側放置極性相同的永磁體，提供水平方向的偏置磁場；霍爾元件放置在細絲的固定端，與永磁體軸線垂直，檢測磁場的變化。傳感單元的尺寸為12.5mm×5mm×4mm。該磁致伸縮傳感單元結構簡單、體積小、易于集成陣列，具有良好的魯棒性和重復性。

1.2 傳感單元輸出電壓

當在磁致伸縮傳感單元觸頭上施加外力時，根據逆磁致伸縮效應[21-22]，處于磁場中的Galfenol細絲形變導致磁感應強度發生變化。其本質是磁敏感材料在偏置磁場中受到外力作用，磁疇發生偏轉導致磁導率變化，從而改變材料內部和周圍的磁通密度。

霍爾元件的輸出電壓與磁感應強度之間的關系可表示為

式中，H為霍爾傳感器的輸出電壓；H為等效霍爾系數；C為磁感應傳遞系數；Gal為Galfenol細絲內部的磁感應強度。

根據線性壓磁方程

式中，為Galfenol細絲傾斜角度。

可見磁感應強度與Galfenol細絲受力后的應變有關。細絲橫截面的幾何尺寸遠小于軸向幾何尺寸，將其視為簡化懸臂梁結構[15-16, 23]，細絲受力彎曲的動力學方程符合歐拉伯努利方程。

以懸臂梁中性軸為軸，法向方向為軸。假設磁場沿軸均勻分布。根據歐拉-伯努利動力學理論，懸臂梁軸向處橫截面上點處撓度（ ）與力（）的關系為

式中，為在梁自由端施加的力；為楊氏模量；為點處截面慣性矩。

半徑為的圓形截面上慣性矩為

在點處受力應變為

由胡克定律得

對于細長梁，在梁自由端施加橫向力，忽略梁的縱截面上剪切和擠壓應力對正應力影響，梁上的平均應力為

式中，為梁的體積。

當梁受到豎直向下的力時，可分解為軸向力sin和垂直于梁軸線的橫向力cos，Galfenol細絲受力分析如圖2所示。軸向壓力作用使梁發生壓縮變形，橫向力作用使梁發生平面彎曲變形。

圖2 Galfenol細絲受力分析

軸向壓縮應力為

式中，為梁的橫截面積。

垂直于梁軸線的橫向應力由式（8）計算得

由式（11）可知，傳感單元的輸出電壓與力呈線性關系。

2 傳感單元結構優化

由式（11），磁致伸縮傳感單元輸出電壓與細絲材料參數和布置方式密切相關。因此，主要對Galfenol細絲長度、半徑和傾斜角度進行優化。實驗測試系統由壓力調節裝置、直流電源、數據采集裝置組成。壓力調節裝置包括信號發生器、功率放大器、直線電機，用于提供垂直方向的靜態作用力和動態作用力。直流電源為霍爾元件提供5V的穩定電壓。數據采集裝置采用江蘇東華測試技術公司生產的動態信號測試分析系統，由數據采集卡和PC組成，用來實時測量霍爾元件的輸出電壓。

Galfenol細絲自由端受到壓力，磁疇將旋轉至與拉應力平行、與壓應力垂直的方向。當細絲受力彎曲時，拉伸應力和壓縮應力同時施加在細絲中性軸的相對兩側，因此Galfenol細絲必須能夠承受彎曲時引起的拉伸應力和壓縮應力[13]。對于指定截面，最大應力發生在距離中性軸最遠處；對于指定長度的細絲，最大應力發生在固定端，最大應力可以表示為

表1 Galfenol材料參數

Tab.1 Galfenol material parameters

圖3 不同長度和直徑的Galfenol細絲輸出電壓與力的關系

圖4 不同傾斜角度Galfenol細絲輸出電壓與力的關系

為了降低傳感單元空間體積，磁致伸縮傳感單元采用長度為8mm，直徑為0.5mm，傾斜20°的Galfenol細絲作為磁敏材料，圖5為傳感單元的靜態與動態輸出特性曲線。以ref為參考電壓，通過式（11）和表1計算得到傳感單元的靜態輸出曲線，在=1.6kA/m的偏置磁場下，對傳感單元施加0～3N的靜態作用力，每組測試10次取平均值，實驗結果與理論計算對比如圖5a所示。在偏置磁場一定時，輸出電壓隨施加力的增大而增大，在0～3N作用力下輸出電壓呈線性變化，輸出結果與計算結果基本一致。施加3N作用力時輸出電壓達到43.57mV，靈敏度為14.52mV/N。

圖5 磁致伸縮傳感單元輸出特性曲線

動態輸出特性測試采用直線電機作為動力源，輸出電壓如圖5b所示。在頻率為1Hz的動態力作用下，重復加卸載輸出電壓具有一致性，響應速度達到30ms。與壓電式和電容式傳感器比較[3, 5]，磁致伸縮傳感單元響應速度快、輸出結果穩定、重復性好。

3 傳感陣列設計和輸出特性

3.1 傳感陣列設計

對于復雜的物體表面，傳感單元測量信息有限，需要具有大面積敏感性的陣列來準確地感知觸覺信息及其分布。本文設計的仿生磁致伸縮傳感單元結構緊湊，易于集成高密度的陣列，但相互臨近的永磁體之間存在磁場干擾，從而影響單元的輸出結果，圖6為傳感陣列單元之間相互影響下的仿真計算結果。設計的3×3傳感陣列結構如圖6a所示，橫向布置的傳感單元（1～3號，4～6號）可共用永磁體，縱向傳感單元（1號和4號）的永磁體之間的距離為，采用COMSOL軟件仿真分析了磁場干擾作用下傳感單元之間的相互影響。

圖6 傳感陣列結構與傳感單元之間的相互影響

在三維模型中對每個永磁體軸方向添加= 0.6T的偏置磁場[15, 24]，在霍爾元件處對磁場強度進行體積分后求其平均值，得到平均磁場強度為1.6kA/m，與實驗中霍爾元件處偏置磁場大小一致。陣列結構完全對稱，分別對1號和2號Galfenol細絲施加總力為0.5N的壓力，根據式（1）將霍爾元件處平均磁場強度變化量轉化為電壓變化值，圖6b顯示了陣列中傳感單元的輸出電壓計算值。永磁體的縱向距離對傳感單元的輸出影響定義為縱向磁場干擾。為5mm、7mm和9mm時，縱向磁場干擾下，非受力單元輸出電壓占受力單元輸出電壓平均百分比分別為10.67%、5.97%和3.56%，隨著的增加，縱向磁場干擾影響輸出電壓占比逐漸減小。同時，將共用永磁體的傳感單元之間的輸出影響定義為橫向磁場干擾。縱向距離不同時，對同一位置的傳感單元施加作用力，橫向磁場干擾輸出電壓平均占比分別為2.19%、2.03%和1.8%。由圖6b可知，磁場干擾對與受力單元距離最近的傳感單元影響最大，并且非受力單元輸出電壓大小隨著與受力單元的距離的增大而逐漸減小。因此，傳感單元之間可以共用永磁體以減小橫向磁場干擾的影響，控制永磁體距離以減小縱向磁場干擾的影響。

3.2 傳感陣列的制作

傳感單元剛性基底和觸頭采用光敏樹脂材料，通過3D打印模型。采用三根直徑為0.5mm，長度為8mm的Galfenol細絲作為磁敏感材料，固定端與水平線呈20°傾斜置入基底，自由端覆蓋直徑為5mm，厚度為1mm的圓形薄片觸頭。用砂紙將觸頭表面和基底尾部多余的Galfenol細絲打磨平滑。將兩塊極性相同的永磁體（釹鐵硼磁鋼N42UH）分別固定在基底兩側，為傳感單元提供偏置磁場。在基底尾部固定霍爾元件（EQ-730，靈敏度13mV/G），與細絲固定端貼合，用于檢測磁場變化。

電路板采用FPC材料，排線雙層布置，上層走線連接電源和輸出端，下層經通氣孔將地線串聯引出。連接端設置上下兩個電源接口和一個地線接口，其余接口為每個傳感單元的輸出端，獨立輸出電壓信號。將傳感單元固定在FPC板上，橫向三個傳感單元共用四個永磁體，縱向永磁體的距離為7mm。將霍爾的外置線插入FPC相應的穿孔并用焊槍固定，用砂紙將FPC底部打磨平滑。3×3磁致伸縮傳感陣列制作過程和樣機如圖7所示。該傳感陣列結構簡單，通過3D打印和簡單組裝即可完成，并且可以擴展成任意數量的陣列。

圖7 磁致伸縮傳感陣列制作過程與樣機

3.3 傳感陣列輸出特性測試與分析

對3×3傳感陣列進行輸出特性測試，圖8給出了施加壓力時傳感陣列的實時輸出電壓。依次對1～9號傳感單元施加2N的作用力，輸出電壓均值為96.94mV，多次重復輸出電壓穩定。由圖8結果可見，最大電壓與最小電壓差值為4.7mV，標準差為1.64mV，傳感陣列中的傳感單元輸出電壓基本一致。與圖5a的結果相比，相同作用力下陣列中單元輸出電壓明顯增大，這是由于集成陣列時永磁體數量增加，偏置磁場增大導致輸出電壓增大。傳感單元的輸出電壓是線性變化的（見圖5a），傳感陣列的靈敏度為48.47mV/N。實驗發現，對傳感陣列中的一個傳感單元施加作用力時，其臨近傳感單元也會產生電壓輸出，最大約為受力傳感單元的5%，與仿真結果基本一致。

圖8 磁致伸縮傳感陣列的輸出電壓

為了檢驗傳感陣列接觸不同物體時的反應，將其安裝在二指機械手（COHAND201）的指尖上。機械手由兩個手指組成，每個手指有遠端和近端兩節指骨，由柔軟的聚氨酯材料作為關節連接并使其彎曲，裝載傳感陣列的機械手示意圖如圖9所示。圖10為抓取實驗目標樣品，由硅膠和3D打印制作而成，樣品的尺寸與剛度見表2。

圖9 裝載傳感陣列的機械手示意圖

圖10 抓取實驗目標樣品

表2 實驗樣品的尺寸與剛度

Tab.2 Parameters of objects of different shapes

抓取尺寸相同、形狀不同的樣品時陣列單元的輸出電壓不同。抓取圓柱形樣品時，由于機械手指的彎曲，傳感陣列與圓柱側曲面先接觸的單元（4～6號）輸出電壓較高，為26mV左右（圓柱-1）；指節彎曲后接觸的單元（1～3號）輸出電壓較低，為8mV左右（圓柱-1）；未接觸的單元（7～9號）輸出電壓接近為零。抓取方形樣品時，陣列的9個傳感單元都與樣品接觸，其中陣列兩端的傳感單元（1～3號，7～9號）的輸出電壓較大，為25mV左右（方形-1），陣列中間的傳感單元（4～6號）輸出電壓較小，為17mV左右（方形-1）。可見，根據單元輸出電壓的編號（位置）、數量和數值可以判斷樣品的形狀。

圖11 抓取過程傳感陣列的輸出電壓

抓取形狀相同、剛度不同的樣品時陣列單元的輸出電壓也有區別。機械手抓取剛度較小的樣品時，陣列傳感單元的最大輸出電壓較小，分別為28mV（圓柱-1）和25mV（方形-1）；抓取剛度較大的樣品時，陣列傳感單元的最大輸出電壓明顯增大，分別為48mV（圓柱-2）和41mV（方形-2）。由圖11分析發現，抓取剛度大的樣品時陣列接觸單元的穩定輸出電壓均有所增大，并且接觸樣品時刻輸出電壓變化率也增大。可見，根據陣列接觸樣品時刻單元的輸出電壓變化率及穩定后的輸出電壓，可以簡單區分不同剛度和形狀的樣品。

4 結論

受動物毛發感覺系統的觸覺機理啟發，用Galfenol細絲代替毛發，設計并制作了一種仿生磁致伸縮觸覺傳感單元。基于電磁學理論建立傳感單元輸出特性模型，該傳感單元對施加作用力的線性檢測范圍為0～3N，輸出結果與計算結果基本相符，3N作用力下最大輸出電壓為43.57mV，靈敏度為14.52mV/N，響應時間為30ms，輸出結果穩定，重復性好。采用COMSOL設計并搭建了3×3傳感陣列的三維模型，仿真分析了陣列中磁場干擾下的輸出影響，與受力單元距離越遠，非受力單元輸出電壓越小，通過單元之間共用永磁體和控制永磁體距離的方式降低陣列中磁場干擾。實驗測得，非受力單元輸出電壓占比約為5%。制作了傳感陣列樣機，分別對陣列中傳感單元施加2N作用力，穩定輸出電壓平均值為96.94mV，標準差為1.64mV。將傳感陣列樣機裝載于機械手上抓取目標物體，可以實現對機械手抓握物體時接觸力的精確感知。

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Design and Output Characteristics of Bionic Magnetostrictive Tactile Sensor Array

1,21,21,21,21,2

（1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligentization of Electrical Equipment Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of Hebei Province Hebei University of Technology Tianjin 300130 China）

Inspired by the tactile mechanism of animal hair, a bionic magnetostrictive tactile sensing unit was designed using the magnetically sensitive material Galfenol filaments. Based on the inverse magnetostrictive effect, linear piezomagnetic equation and material mechanics, the output characteristic model of the sensing unit was established, and the structure of the sensing unit was optimized according to the model parameters to reduce the space volume. A sensor array model was built in COMSOL to analyze the influence of magnetic field interference on the output results. The output characteristics of the 3×3 sensor array were tested and loaded on the mechanical hand for grasping experiment. The experimental results show that, under a bias magnetic field of=1.6kA/m, the output voltage of the sensing unit changes linearly under the force of 0-3N, the sensitivity is 15.87mV/N, and the response time is 30ms. Under the force of 2N, the average output voltage of the sensor array is 96.94mV, and the sensitivity is 48.47mV/N. The developed sensor array has good stability and sensitivity, and can accurately perceive the contact force information when the manipulator is used to grasp the object.

Galfenol filament, magnetostrictive sensing unit, sensor array, tactile perception

TP212.1

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200428

國家自然科學基金（51777053，51801053）和河北省自然科學基金（E2017202035，E2019202315）資助項目。

2020-04-30

2020-07-01

劉莎莎 女，1995年生，碩士，研究方向為觸覺傳感器和新型磁性材料與器件。E-mail: Liusasaa@163.com

王博文 男，1956年生，教授，博士生導師，研究方向為新型磁性材料與器件。E-mail: bwwang@hebut.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）