用于机械手稳定抓取的磁致伸缩触觉传感器设计与研究

针对智能机械手抓取物体时的滑动问题,为了给机械手提供滑动信号,利用铁镓合金(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计了一种高灵敏度的磁致伸缩触觉传感器。根据逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁结构力学原理和胡克定理,建立了触觉传感器的摩擦力测试模型,利用该传感器进行了滑动检测,对采集的滑动信号作了离散小波变换,分析了不同抓取力下滑动信号的DWT细节系数,通过设置阈值为0.05来控制机械手抓取物体。实验结果表明:在偏置磁场为4.2 kA/m,施加的摩擦力为4 N时,传感器输出电压峰值为256 mV,灵敏度达到64 mV/N,将传感器安装在机械手上,可以为机械手提供稳定抓取的控制信号。     

磁致伸缩压力传感器设计及其输出特性

研究了铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩特性,提出一种基于Galfenol的新型磁致伸缩压力传感器,以实现机器人的触觉力精确感知。该传感器利用磁致伸缩逆效应将压力转换为电压信号,从而完成对压力的精确测量。设计、制作了磁致伸缩压力传感器,采用双永磁体回形磁路优化了压力传感器的磁场。对传感器进行了理论分析与实验研究,讨论了偏置条件、外压力等因素对输出电压峰值的影响。实验结果表明,在偏置磁场为4.8kA/m、施加的压力为2.5Hz、6N时,传感器的输出电压峰值达16mV,且输出电压峰值与压力呈较好的线性关系。研制的传感器具有结构简单、线性度好、反应速度快等特点,可以满足机器人触觉感知的需求,也可应用于其他领域的压力测量。     

用于旋转环境的磁致伸缩振动能量收集方法研究

随着无线传感器的功率消耗从mW级降到了μW级,对无线小功率设备的供电有了新的可能.本文设计并实验了一种新型的基于磁致伸缩材料(铁镓合金)的振动能量收集装置.可以应用于对低频旋转环境中存在的振动进行收集并转换为电能,工作转速范围为0～150 r/min.搭建了实验平台,进行实验分析.实验结果表明,偏置磁场摆放在最佳位置,...     

Galfenol薄片式力传感器的理论研究与设计

为了提高磁致伸缩传感器的性能,并解决材料的脆性问题,设计了铁镓合金(Galfenol)薄片复合非磁性基底作为敏感元件。以基于J-A模型和磁-机效应法的动态耦合模型为依据,利用感应线圈采集Galfenol磁致伸缩逆效应的力感知信号,实现外力检测的目的。COMSOL仿真结果验证了模型描述磁化过程的有效性,传感器经信号采集系统放大后的输出电压可达60 mV以上,并与外力保持良好的线性度。     

磁致伸缩触觉传感单元及其输出特性

为了满足机器人精确感知和抓取物体的需要,首先设计了以铁镓丝为敏感元件的新型触觉传感单元,搭建了传感单元输出特性测试平台,测试了其输出电压与施加静态和动态压力的关系。以触觉传感单元为核心设计了传感器阵列结构,并将传感阵列安装在机械手上,进行了抓取实验。实验结果表明,施加静态压力时,在1.908kA/m的偏置磁场下,长度为16mm、直径为0.8mm的铁镓丝组成的触觉传感单元在2N压力下的输出电压可达96mV,灵敏度为48mV/N。在1～4Hz、0～2N的动态压力作用下,传感单元输出曲线平滑,灵敏度高。传感器阵列安装在机械手上,能感知多路压力信息,精确显示机械手指的受力分布情况,可广泛应用在机械手准确抓取与智能控制领域中。     

超磁致伸缩致动器结构分析及输出力特性研究

在超磁致伸缩致动器(GMA)工作原理的基础上,完成了具有分段式偏置磁场和油冷散热系统的GMA机械结构设计;建立了GMA的3D模型,利用有限元分析软件对其磁场和温度场进行了仿真研究,结果表明分段式偏置磁场有较好的偏置效果,油冷散热方式冷却效果明显;搭建了GMA输出力特性测试平台,分别对直流激励下GMA的静态输出力特性和低频交流激励下动态输出力特性进行了研究;实验表明GMA的输出力与激励电流正相关,在直流激励下,输出力具有磁滞非线性,且受温度影响较大,受外部约束力影响较小;在交流激励下,输出力能很好地跟踪交流信号频率,未出现倍频效应,说明分段式偏置效果较好,GMA具有较高的精度和动态响应速度。     

用于纹理辨识的磁致伸缩触觉传感器研究

纹理是物体表面微观结构的体现,为了解决机器手在工作时无法准确辨识物体表面纹理的问题,利用新型磁致伸缩材料铁镓合金(Galfenol)设计了一种纹理辨识传感器。基于磁致伸缩逆效应、欧拉-伯努利梁结构动力学理论并结合传感器与纹理表面的接触轨迹建立了传感器输出电压与表面纹理结构的关系。搭建实验平台对纹理样本进行测试,得到了传感器具有良好输出特性时的偏置磁场值。结果表明,传感器输出电压峰值与纹理高度、传感器输出电压信号周期与纹理间距均呈近似线性关系,能够应用输出电压峰值及输出电压信号周期辨识纹理结构。通过对传感器重复性的计算得出,传感器使用时最佳接触速度为2 cm/s。     

磁致伸缩触觉传感器阵列及其在机械手抓取物体中的应用

受人类手指的感知与探测功能启发,基于新型磁致伸缩材料Fa_(83)Ga_(17)(Galfenol)的逆磁致伸缩效应,设计了一种用于测量压力与检测刚度的触觉传感器阵列。根据电磁学和力学理论,建立了触觉传感器阵列的模型,计算结果表明模型可以描述传感器阵列的输出电压与压力之间的关系。制备了2×2传感器阵列样机,样机尺寸为37×22×14 mm。将传感器阵列样机安装在两指机械手上进行输出特性测试,测试结果表明传感器阵列的灵敏度为115 mV/N,检测范围为0～3 N,在周期为0～1 s范围具有较快的反应速度。研制的磁致伸缩触觉传感器具有灵敏度高,响应速度快的特点,可以检测触觉压力,感知压力分布和物体刚度的信息,与机械手配合可以完成稳定抓取物体的任务。     

超磁致伸缩力传感器及其实验研究

超磁致伸缩材料具有相对磁导率高、磁机转换率高等优良特性,对于传感器装置是一种很好的材料.文中基于维拉里效应原理完成了超磁致伸缩力传感器的设计,并利用有限元分析方法验证了所设计传感器磁场分布的合理性.提出了基于电感测童力传感器输出特性的方法,并进行了实验,确定了该传感器的灵敏度最高状态的最佳偏置磁场强度;并测量了0～10(3)作用力下传感器的输出特性,实验结果表明该传感器输出特性良好,可用于高精度要求的场合.     

非线性磁阻抗传感器检测方法研究

为解决磁阻抗效应的偶次非线性问题,提出自平衡式传感信号检测方法。通过交流偏置磁场及检波处理,传感器的输出具有奇次特性,无需直流偏置就能反映磁场方向;再引入PI控制器构成闭环检测系统,系统达到稳态时反馈磁场与外磁场抵消,实现自平衡式检测,消除传感器的非线性。使用薄膜电感磁传感器进行实验验证,传感器自平衡检测方法输出呈良好的线性特性,非线性度仅为0.82%,有效测量范围扩大了一倍。在不同交流偏置下,输出特性仍保持高度一致,各输出间相关系数均在0.999 9以上。交流偏置自平衡式检测适用任何非线性磁传感器,消除各种非线性特性得到高线性度的传感输出。     

旋转叶轮动态载荷测量传感器的设计与分析

针对采用定子式测量方法,测量叶轮动态载荷误差较大、且难以保证叶轮旋转工作状态时的动态特性,设计了一种布置在叶轮和轴间的叶轮动态测量传感器结构,可实现对叶轮轴向力和径向力分量的独立测量。采用有限元分析方法对测量传感器进行了线性分析、谐响应分析以及维间耦合分析。结果表明,传感器结构对轴向力和径向力测量均具有良好的线性度,线性相关系数为1;两测量方向上动态频率响应范围分别达到0～8.5 kHz和0～1.0 kHz;传感器结构具有较小的维间耦合影响。标定试验数据进一步验证传感器应变输出与载荷间的相关系数超过0.99,验证了传感器结构的合理性。论文研究为旋转叶轮动态载荷的测量提供了一种新思路,也为开展叶轮动态载荷传感器的设计提供了理论依据和参考。     

用于轮胎胎冠裂纹检测的磁致伸缩触觉传感器研究北大核心CSCD

针对轮胎胎冠花纹复杂,人工观测裂纹容易漏检的难题,模拟动物毛发感知机理设计了一种新型磁致伸缩触觉传感器阵列。以铁镓合金片(Galfenol)作为悬臂梁敏感元件,使用有限元软件确定悬臂梁最佳长度然后实验验证。推导传感器的输出特性模型,实验测得传感器灵敏度为170.5 mV/N。将3个传感单元集成,形成1×3传感器阵列。传感器安装在滑轨工作台上,触头在胎冠上滑动。通过MATLAB分析传感器输出的动态信号可以识别胎冠花纹中的裂纹。     

超磁致伸缩驱动器磁路设计与仿真

磁路主要为GMA提供激励磁场与偏置磁场叠加的驱动磁场,驱动磁场强度直接影响GMA的输出位移.因此,GMA磁路的结构参数设计是提高电磁转换效率和充分发挥GMM棒特性的关键因素.通过分析GMA的工作原理,将GMM棒中轴线上的磁场强度均匀率作为评价标准和主要设计原则.在给定输出位移和输出力的基础上,分别对偏置磁场选取以及GM...     

磁致伸缩效应在圆管中激励纵向导波的理论和试验研究

分析了导波在圆管中传播的模态,探讨了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩作用力模型。纵向导波由平行于圆管轴向的磁致伸缩力的作用而产生,磁致伸缩力除与被检测材料的特性有关外,主要取决于设置的静态偏置磁场和交变磁场的耦合作用。根据该模型设计了在圆管中激励纵向导波的磁致伸缩传感器,试验中获得了纵向导波,并通过磁致伸缩传感器对圆管分别作用不同的静态偏置磁场和交变磁场,试验研究两者对激励的纵向导波的影响。结果表明：作用于圆管上的静态偏置磁场与激励的纵向导波幅值呈抛物线关系,在低偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加而增大,在高偏置磁场作用下,纵向导波幅值随着偏置磁场的增加反而减小。导波在圆管中传播时,存在多模式和频散特性,交变磁场大小与激励的纵向导波幅值之间呈非线性关系。     

基于逆磁致伸缩效应的超磁致伸缩磁力控制器件建模

超磁致伸缩器件的输入应力与输出磁通密度存在着滞回非线性.基于Jiles-Atherton模型、磁机械效应方法定律和磁路定律,建立一个超磁致伸缩磁力控制器件的滞回模型.试验结果表明,该模型能较好地描述在变化应力和恒定偏置磁场作用下,超磁致伸缩器件输入应力与输出磁通密度及磁力的滞回关系,并可以预测偏置磁场对器件输出性能的影响,从而对器件的设计与分析具有重要指导意义.     

深度与形貌检测的仿生磁致伸缩触觉传感器设计及实验测试

物体表面形貌深度信息对于智能机器人检测物体表面特征、人机交互具有重要意义。 受动物毛发感知机理启发,设 计了一种新型仿生磁致伸缩触觉传感器单元及阵列;基于逆磁致伸缩效应、欧拉-伯努利梁理论和胡克定律,推导了深度检 测的输出电压模型。 仿真研究确定了最佳偏置磁场和阵列间距,实验测试了传感器单元在静态和动态下的输出特性,在 0. 05~ 4. 8 mm 深度检测范围内,灵敏度为 185. 72 mV/ mm,响应时间和恢复时间分别为 31 ms 和 43 ms,且具有良好的重复 性,传感器阵列中单元之间输出电压的耦合影响不超过 2. 4% 。 将传感器单元及阵列安装在机械手上,选择合适的滑动速度 滑过不同物体表面时,根据输出电压波形精确测量各种深度和形貌,结果表明该传感器单元和阵列可为深度与形貌检测提 供参考。     

气动尺寸辩识系统及计算机过程控制

本文介绍用于工业机械手尺寸辩认系统的一种触觉传感器—气动尺寸传感器的工作原理，对其静态特性和动态特性进行了理论分析和试验研究．整个动作过程由计算机控制，对控制系统进行了软硬件设计并作了可靠性研究．结果证明，该装置可根据物体的尺寸大小控制工业机械手输出相应的抓取力，并能自动辩识不同尺寸的物体．     

环形铁镓合金的动态磁滞特性分析

利用AMH-1M-S型动态磁滞特性测试系统测试了铁镓合金的动态磁滞特性。以内径为5.5mm、外径为7.25 mm的环形100取向多晶Fe83Ga17合金为测量对象,分别对励磁磁场频率为50、100、200、300、400 k Hz和最大饱和磁密为0.01、0.03、0.05、0.07 T两个方面研究了磁滞曲线和磁特性参数变化规律。实验表明:当励磁磁场频率或最大饱和磁密增加,磁滞曲线变宽、面积增大,剩磁、矫顽力、损耗增加。本文的实验结果为铁镓材料的应用提供了基础参数。     

磁敏角度传感器特性分析

设计了一种基于磁阻效应(AMR)和霍尔效应的角度传感器。论述了传感器的工作原理、电路组成及功能。传感器由磁阻芯片、霍尔芯片、放大以及滤波电路构成。通过旋转圆柱永磁体改变磁阻芯片、霍尔芯片周围磁场,引起传感器输出电压变化,进而测量旋转角度。在传感器结构设计中,对圆柱永磁体进行了磁场有限元分析,对角度传感器进行了试验标定与数据分析。测试结果表明:在0°~360°范围内,重复性误差为0.58%,迟滞误差为0.33%,综合误差为1.82%,达到了实际角度测量的要求。     

5-DOF偏置型机械手工作空间包域分析

针对基于运动学正解的蒙特卡罗法在求解机械手工作空间时,难以得到包域边界特征,而偏置型机械手的工作空间及未包域空腔形状直观性不强等问题,建立了基于连杆长度及关节角范围的包域边界点模型,得到所研究偏置型机械手的工作空间内、外边界曲线表达式,并描绘出直观、精确的工作空间透视图。通过对两种方法的理论分析及仿真求解,验证了运动学正解及蒙特卡罗法所求工作空间的正确性,并可直观看出其工作空间存在曲面包络的内未包域空腔,最后通过对内未包域空腔、工作空间体积及性能的分析,证明该偏置型机械手具有良好的工作空间性能,对偏置型机械手工作空间的研究具有理论指导意义和实践应用价值。