用于感测磁性材料变形的系统和方法及其制造方法技术方案

一种软质磁传感器，所述软质磁传感器包括软材料和磁力计，所述软材料包含随机分布的磁性微粒，所述磁力计能够在连续区域内估计力和定位接触。可以使用参考磁力计过滤运动噪声和环境噪声。定位接触和确定力的方法包括对磁力计的输出进行数据分析。在一些实施例中，所述传感器可以在接触前对物体进行定位。传感器可以在接触前对物体进行定位。传感器可以在接触前对物体进行定位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于感测磁性材料变形的系统和方法及其制造方法
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]根据35 U.S.C.
§
119，本申请要求2019年6月21日提交的第62/864,766号临时申请的权益，所述临时申请以引用的方式并入本文。
[0003]关于联邦赞助的研究的申明
[0004]根据海军研究所有颁发的N00014
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2301，本专利技术在政府支持下完成。政府对本专利技术享有一定权利。

技术介绍

[0005]本公开的技术大体上涉及感测。更具体地，本专利技术涉及软测量，所述软测量使用磁性材料的变形来提供关于其所处环境的反馈。
[0006]可穿戴技术、软机器人和人机交互的持续发展使人们对传感器愈发感兴趣。使用这些技术时，不能准确确定物体位置会影响执行某些功能的能力。例如，对于机器人系统，不准确性会妨碍机器人定位和操作工具或其他物体。基于视觉的感测擅长发现工作区域中的物体，但无法提供距离目标物体1至2厘米内的引导。另外，如果摄像头被遮挡或表面是反光的或透明的，基于视觉的系统也会性能不佳。
[0007]为了克服基于视觉系统的局限性，触觉传感器通过测量接触力来提供有关触觉传感器周围环境的关键信息。由于触觉传感器基于触摸，其只在接触到物体后提供信息，且不能协助接近目标物体。软触觉传感器是触觉传感器的子类，其在交互表面采用可变形且柔顺的材料。软传感器不仅提供丰富的环境信息，还提供有效的机械特性，从而实现成功的机器人操纵、人机交互和材料分类。软触觉传感器可以使用多种转换模式，例如光学式、电阻式和电容式。尽管软触觉传感器提供的精确度会比基于视觉的传感器所提供的精确度更高，但由于制造技术不可扩展、缺乏个性华定制功能且集成要求复杂，软传感器的广泛实施仍受到限制。例如，使用电阻式或电容式软传感器时，每个单元的密度增加与布线中难以管理的缩放和不牢固的软
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硬电气接口故障有关。另外，与其他触觉传感器一样，软触觉传感器仅在接触到物体时立即提供信息。
[0008]磁感应能克服若干这些阻碍，因为磁感应对直接电线的依赖有限，其是通过测量磁通量或电磁感应的变化来提供高分辨率、高速感测。另外，在某些应用中，磁感应可以在接触之前提供传感器输出。尽管与其他类型的传感器相比有这些改进，但磁传感器容易受到环境磁噪声的影响。此外，当实施为软传感器时，在刚性磁体与用于传感器的软弹性体之间的接合处可能发生材料故障，从而将技术限制于非软感测应用。例如，普通磁传感器将霍尔效应感测芯片与悬浮在两个弹性体层之间的离散永磁体结合。因此开发这样的能克服这些限制，以提供用于单点接触定位的触觉表面，并在自由空间中提供快速定位和力估计的感测系统是有利的。

技术实现思路

[0009]具体实施方式中公开的方面包括软传感器、用于感测磁性材料变形的方法及其制
造方法。还公开了相关方法和系统。
[0010]在至少一个非限制性实施例中，提供一种软磁传感器，所述软磁传感器包括软材料和磁力计，所述软材料含有随机分布的磁性微粒，所述磁力计能够在连续区域上估计力和定位接触。在一个示例中，传感器覆盖大约15至40mm2的连续区域。在本文讨论的一些实施例中，使用对来自磁力计的输出进行数据分析的集成电路来估计力和定位的接触。在一些实施例中，磁性材料或“皮肤”由装载有磁性微粒的硅酮弹性体组成。在弹性体变形时，一部分嵌入的磁性粒子会改变其相对于磁力计的位置和/或定向，从而导致净测量所得的磁场变化。在一个实施例中，磁力计可嵌入磁性材料中以形成集成传感器。在替代实施例中，磁性材料和磁力计是分开的。分析磁力计接收到的磁场数据，为力和接触定位提供有用信息。分析磁力计输出的分类算法可以定位压力，精确度>98％。在一些实施例中，回归算法可以将压力定位到平均大约3mm2的区域。在这方面，用于感测例如感测皮肤之类的磁性材料变形的系统和方法能够满足用于例如机器人操纵、软系统和可穿戴设备等领域的传感器对易于制造、快速集成且信息丰富的日益增长的需求。
附图说明
[0011]图1A
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1E示出了传感器的各种实施例。
[0012]图1F是数据处理步骤的概要图。
[0013]图2A
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2F是描述感测示范结果的一系列图。
[0014]图3A
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3G是描述替代的感测示范结果的一系列图。
[0015]图4A
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4C是根据若干替代实施例的传感器示例。
[0016]图5是示出了分类和回归结果的一系列图。
[0017]图6示出了用于机械臂上的示例实施的X和Y向量。
[0018]图7是磁性材料压痕的可视化向量。
[0019]图8是描述制造技术的流程图。
[0020]图9是传感器替代实施例，其中磁力计与磁性材料分开。
[0021]图10示出了另一替代实施例。
具体实施方式
[0022]在一个示例性实施例中，传感器100包括磁性材料101和磁力计102，所述磁力计102能够感测由材料100变形而产生的磁性材料101的磁场变化。在图1A
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1B所示的示例性实施例中，传感器100应用为触觉皮肤，其具有固定的可伸缩三轴磁力计102，所述磁力计被软弹性体103覆盖，所述软弹性体嵌入有磁性微粒104的分散体，从而形成磁性材料101。复合磁性材料101保持主体弹性体103的可伸缩性和柔性，并且与可伸缩电路兼容。在一可替换实施例中，可以使用多个磁力计102(见图1C
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1D)。当向传感器100的表面施加变形时，磁性微粒104相对于磁力计102的相对静止位置发生位移。(见图1E)磁力计102测量周围磁场的变化，并分析数据以确定接触的位置和力。磁力计102在x方向、y方向和z方向上测量其周围磁场。遍及整个磁性材料101分布的多个磁性微粒104被视为输入数据，该输入数据最终简化为三轴磁场测量值，以保留有关于材料101的变形的信息。也可以通过材料101自身固有的降维来采用形态学计算。例如，传感器100可以采用形态学计算性质，以在分析之前固有
地降低输出的维度，因此不再需要底层微电子芯片和布线的密集阵列。
[0023]与分立永磁体或其他常规磁体相比，磁性材料101的总磁力强度更小。但是信号幅值仍足以定位接触位置并估计传感器100表面上的力。此外，将微粒104结合到弹性体103中使得传感器100在形状、尺寸或厚度上具有很少的限制。由于它不像某些磁传感器那样需要多层成型工艺，其制造过程也得到简化。
[0024]再次参考图1C
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1D，其示出了具有多个磁力计102的传感器100，其中一个磁力计102被识别为参考磁力计105。在图1C
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1D所示的实施例中，五个磁力计102被定位于临近磁性材料101的位置，而参考磁力计105则位于距磁性材料101一定距离处。在此特定示例中，五个磁力计102相距15m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种传感器，所述传感器包括：磁力计；以及具有磁场的复合磁性材料，所述复合磁性材料包括：可变形材料；和分散在所述可变形材料内的多个磁性粒子；其中所述磁力计被配置为感测所述复合磁性材料的所述磁场。2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述磁力计被配置为感测由所述复合磁性材料的变形所引起的所述复合磁性材料的磁场变化。3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述可变形材料是弹性体。4.根据权利要求1或2所述的传感器，所述传感器还包括：参考磁力计，所述参考磁力计被安置于远离所述磁性材料的所述磁场的位置，且被配置为感测背景磁场。5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述磁力计相对于所述复合磁性材料位于固定位置。6.根据权利要求1所述的传感器，其中所述磁力计被配置为相对于所述复合磁性材料保持在基本固定的位置，以响应所述复合磁性材料的变形。7.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述复合磁性材料与所述磁力计接触。8.根据权利要求1所述的传感器，其中所述磁力计为三轴磁力计。9.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述多个磁性粒子为200μm或更小。10.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述多个磁性粒子具有大体上相同种类磁定向。11.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述多个磁性粒子具有大体上不同种类的磁定向。12.根据权利要求1所述的传感器，其中所述多个磁性粒子大体上非均匀地分布在整个所述可变形材料中。13.根据权利要求1或2所述的传感器，其中所述复合磁性...

【专利技术属性】
技术研发人员：泰丝，
申请(专利权)人：卡内基，
类型：发明
国别省市：