一种基于电容-磁致伸缩式多功能触觉传感器制造技术

本发明专利技术公开一种基于电容

【技术实现步骤摘要】
一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器


[0001]本专利技术涉及传感器
，具体涉及一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的研究与发展，机器人能代替人类完成重复与危险性较高的生产活动，逐渐向着智能化、实现人机交互方向发展，智能化精密化操作成为研究热点，用于机器人的精密传感器将是未来研究的重要方向。传统机器人传感系统基本都包括视觉和触觉传感器，其中，视觉传感器提供方位捕捉和物体距离信息，触觉传感器提供接触情况下的应力与物体软硬度、形状尺寸等多种信息。在实际应用场景中，往往存在物距较小的情况，此时视觉传感器被机械手遮挡或受视角光线变化无法捕捉距离信息，难以确定位置，而同时机器人仍未接触到物体，触觉传感器也无法正常获取物体信息。同时，触觉传感器由于对外界刺激信号的转换与检测原理不同，可分为：压电式、电阻式、电容式、压磁式等，部分触觉传感器灵敏度高，但大部份存在检测功能单一、结构设计复杂、计算量大、成本高等问题。为了提高机器人抓取的精密性，实现感知较小物距下的距离信息，检测物体多种信息，实现准确识别与分类，亟需设计一种基于电容
‑
磁致伸缩式多功能触觉传感器。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，针对目前存在的较小物距下无法感知距离信息、检测功能单一、结构设计复杂、计算量大、成本高等问题，提出一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器。该多功能触觉传感器能在非接触和接触两种模式下，获得在物距较小时的距离信息，检测物体的软硬度、相对介电常数，安装在机械手上可以使机械手获取更多信息，实现机械手对待测物体的准确感知和精密操作，进一步提高了机械手抓取的准确性。
[0004]本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器，其特征在于，该传感器包括为叉指电极、基板、屏蔽层、触头、铁镓丝、底座、条状永磁体、TMR元件、印刷电路板；基板与印刷电路板的尺寸相同，两者平行且正对的设置，叉指电极固定设置于基板的顶面，屏蔽层固定设置于基板的底面，屏蔽层与叉指电极正对且其竖直方向的投影将叉指电极全覆盖；一个触头、两根铁镓丝、一个底座、一个条状永磁体、一个TMR元件构成一个磁感应单元，四个相同的磁感应单元以2
×
2的阵列的形式设置在基板与印刷电路板之间；触头的顶部为一个圆柱体的连接端，其下部为与该连接端底部中间衔接在一起的立板，立板的中部设置有两个平行且位于同等高度的第一水平安装孔，该两个第一水平安装孔的尺寸与铁镓丝的尺寸相匹配，该连接端与立板的高度之和小于基板与印刷电路板之间的距离；触头的顶部通过粘胶的方式与基板的底面固定连接；
[0005]底座是横截面为“L”型的板状结构，其底部固定在印刷电路板上，其水平分支朝向触头的一侧设置，其竖直分支与触头的立板平行且正对；在底座的竖直分支的中部设置有
两个平行且位于同等高度的第二水平安装孔，该两个第二水平安装孔的尺寸与铁镓丝的尺寸相匹配；两个第二水平安装孔的高度与两个第一水平安装孔的高度一致且位置正对，两根铁镓丝的一端分别固定设置在触头的立板上的两个第一安装孔内，两根铁镓丝的另一端分别固定设置在底座的竖直分支上的两个第二水平安装孔内；底座的竖直分支的顶部固定设置有一个条状永磁体，条状永磁体与铁镓丝在空间上呈垂直状态；所述触头的顶面高于永磁体的顶端，所述触头的底面高于所述底座的水平分支的顶面；
[0006]TMR元件设置在底座的远离触头的一侧的印刷电路板上，且TMR元件的位置与两根铁镓丝在竖直方向上的投影正对；TMR元件与条状永磁体平行且TMR元件的靠近底座的一侧的引脚与底座接触；TMR元件通过引脚焊接的方式固定在印刷电路板上；
[0007]印刷电路板以四个相同的磁感应单元的TMR元件的位置设置印刷电路，其上设置有四个TMR元件的焊接位置和十个输出端；每一个焊接位置的尺寸与TMR元件的尺寸相同，每个TMR元件的焊接位置由5个焊盘组成，分别为VCC焊盘、NA焊盘、SIG1焊盘、GND焊盘、SIG2焊盘，每个TMR元件的5个引脚分别与5个焊盘对应焊接；四个TMR元件的VCC焊盘均通过印刷线与第一个输出端VCC相连；四个TMR元件的GND焊盘均通过印刷线与第十个输出端GND连接，四个TMR元件的SIG1焊盘和SIG2焊盘的合计八个接线端分别通过印刷线与第二到第九个输出端连接；
[0008]四个条状永磁体的充磁方向为平行于铁镓丝的设置方向，基板、触头、底座均为非导磁性材料制作而成；
[0009]叉指电极由左、右水平交叉设置的左侧手指型电极、右侧手指型电极构成，左侧手指型电极、右侧手指型电极各设置有一个接线端，该传感器通过叉指电极的两个接线端和印刷电路板的十个输出端接入到应用电路中。
[0010]与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：
[0011]1)与传统具有单一触觉感知的机械手相比，采用集成度高的接近觉和触觉联合感知的方式，连续地检测物体的非接触和接触信息，包括距离信息和物体软硬度、相对介电常数，能够提高机械手在接触被测物体前后的精密性，弥补物距较小和遮挡物体不能确定位置距离的局限性，通过应用场景1可知，当被测物体接近多功能触觉传感器时，电容值会发生变化，可以判断物体的距离信息；并且通过应用场景3可知，可以通过检测物体的软硬度和相对介电常数两种物理信息来识别物体，用以识别软硬度相近但相对介电常数相差较大或相对介电常数相近但软硬度相差较大的物体，抓取实验结果显示，根据多功能触觉传感器的输出信号可以判断出塑料块、软胶块、硬橡胶块，可以使机械手更安全、精密工作。
[0012]2)利用叉指电极来检测抓取过程中的多种信息，非接触时，电容值随被测物体距离变化而变化，接触时，电容值随物体相对介电常数不同，可以在抓取过程中获得物体的距离和材料特性。
[0013]3)以应力灵敏度高的铁镓丝作为力感知部分，基于逆磁致伸缩效应，通过TMR元件将压力信号转化为电压信号，根据输出电压的不同，对物体软硬度进行识别。实验表明，该磁致伸缩触觉传感阵列具有较高的灵敏度、良好的实时性和优异的动态性。
[0014]4)该多功能触觉传感器具有电路结构简单，灵敏度高，制作成本低，动态特性优良等优点，不需要附加复杂的信号处理电路。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0016]图1为本专利技术一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器一种实施例的结构示意图(侧视图)。
[0017]图2为本专利技术一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器一种实施例的叉指电极的结构示意图。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器，其特征在于，该传感器包括为叉指电极、基板、屏蔽层、触头、铁镓丝、底座、条状永磁体、TMR元件、印刷电路板；基板与印刷电路板的尺寸相同，两者平行且正对的设置，叉指电极固定设置于基板的顶面，屏蔽层固定设置于基板的底面，屏蔽层与叉指电极正对且其竖直方向的投影将叉指电极全覆盖；一个触头、两根铁镓丝、一个底座、一个条状永磁体、一个TMR元件构成一个磁感应单元，四个相同的磁感应单元以2
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2的阵列的形式设置在基板与印刷电路板之间；触头的顶部为一个圆柱体的连接端，其下部为与该连接端底部中间衔接在一起的立板，立板的中部设置有两个平行且位于同等高度的第一水平安装孔，该两个第一水平安装孔的尺寸与铁镓丝的尺寸相匹配，该连接端与立板的高度之和小于基板与印刷电路板之间的距离；触头的顶部通过粘胶的方式与基板的底面固定连接；底座是横截面为“L”型的板状结构，其底部固定在印刷电路板上，其水平分支朝向触头的一侧设置，其竖直分支与触头的立板平行且正对；在底座的竖直分支的中部设置有两个平行且位于同等高度的第二水平安装孔，该两个第二水平安装孔的尺寸与铁镓丝的尺寸相匹配；两个第二水平安装孔的高度与两个第一水平安装孔的高度一致且位置正对，两根铁镓丝的一端分别固定设置在触头的立板上的两个第一安装孔内，两根铁镓丝的另一端分别固定设置在底座的竖直分支上的两个第二水平安装孔内；底座的竖直分支的顶部固定设置有一个条状永磁体，条状永磁体与铁镓丝在空间上呈垂直状态；所述触头的顶面高于永磁体的顶端，所述触头的底面高于所述底座的水平分支的顶面；TMR元件设置在底座的远离触头的一侧的印刷电路板上，且TMR元件的位置与两根铁镓丝在竖直方向上的投影正对；TMR元件与条状永磁体平行且TMR元件的靠近底座的一侧的引脚与底座接触；TMR元件通过引脚焊接的方式固定在印刷电路板上；印刷电路板以四个相同的磁感应单元的TMR元件的位置设置印刷电路，其上设置有四个TMR元件的焊接位置和十个输出端；每一个焊接位置的尺寸与TMR元件的尺寸相同，每个TMR元件的焊接位置由5个焊盘组成，分别为VCC焊盘、NA焊盘、SIG1焊盘、GND焊盘、SIG2焊盘，每个TMR元件的5个引脚分别与5个焊盘对应焊接；四个TMR元件的VCC焊盘均通过印刷线与第一个输出端VCC相连；四个TMR元件的GND焊盘均通过印刷线与第十个输出端GND连接，四个TMR元件的SIG1焊盘和SIG2焊盘的合计八个接线端分别通过印刷线与第二到第九个输出端连接；四个条状永磁体的充磁方向为平行于铁镓丝的设置方向，基板、触头、底座均为非导磁性材料制作而成；叉指电极由左、右水平交叉设置的左侧手指型电极、右侧手指型电极构成，左侧手指型电极、右侧手指型电极各设置有一个接线端，该传感器通过叉指电极的两个接线端和印刷电路板的十个输出端接入到应用电路中。2.根据权利要求1所述的一种基于电容
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磁致伸缩式多功能触觉传感器，其特征在于，叉指电极由左、右水平交叉设置的左侧手指型电极、右侧手指型电极构成，左侧手指型电极、右侧手指型电极各设置有一个接线端，每一个手指型电极均由三个水平长条形分支与一个竖直长条形分支衔接而成；左侧手指型电极的三个水平长条形分支从上到下以相同间距的方式衔接...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙英，郭腾蛟，翁玲，李笑，任博凯，徐桂芝，耿读艳，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：