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。     

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。     

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。     

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。     

基于光纤光栅的机械手指触滑觉传感研究

针对机械手指柔性触滑觉传感问题,提出了一种基于光纤光栅的二维分布式传感阵列的触滑觉传感方法,该方法采用两根平行放置和一根倾斜放置的光纤光栅传感器组成传感单元,利用弹性材料封装增强光纤光栅对压力的灵敏度,并以单元阵列的方式实现对触觉三维力、滑动方向以及滑移位置的感知。仿真和实验结果表明,该方法可以很好地实现对触觉正向压力和剪切力的传感,其中正向压力在0~3.691 9×103Pa的范围内灵敏度为Kp=0.194 pm/Pa,x正向剪切力在0~1.115×103Pa的范围内灵敏度为Kpt=0.03 pm/Pa。通过对传感阵列中不同光栅中心波长漂移的上升沿和峰值时间差实现对物体x轴的滑移方向的判断。该方法可以很好地实现对机械手指触滑觉信息的测量,具有一定的应用价值。     

适用于智能机械手的Galfenol悬臂梁式力传感器设计

为提高智能机械手抓握目标物体的可靠性,结合铁镓合金(Galfenol)的磁致伸缩逆效应,设计了一种新型悬臂梁式力传感器。基于霍尔效应、铁镓合金非线性磁化模型与欧拉-伯努利梁理论,建立了力传感器输出模型。搭建了实验平台,研究了偏置磁场对传感器输出特性的影响,并验证了输出模型。为降低磁滞效应引起的动态谐波干扰,基于巴特沃斯低通滤波原理,设计了力传感器数字滤波系统。结果表明,适合力传感器工作的最佳偏置磁场为3 kA/m,测力范围为0～2 N,动态响应范围为0～12 Hz,能够满足智能机械手工作的需要。     

用于纹理探测的磁致伸缩触觉传感器

为了实现对不同物体表面微观结构的检测,并判断出不同物体的粗糙度和细密度,利用铁镓合金材料(Galfenol)的逆磁致伸缩效应设计并制作了一种高精度和高响应的纹理探测触觉传感器。基于欧拉-伯努利梁结构动力学理论、磁致伸缩材料线性本构方程和法拉第电磁感应定律建立了纹理表面微观结构与输出电压之间的关系。实验结果表明:在粗糙度大于6.5的范围内,传感器可以精确识别物体的粗糙度;在细密度大于6的范围内,提取谐波频率的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度;在细密度小于6的范围内,提取功率谱重心的方法对细密度的识别具有较高的灵敏度。因此,利用传感器获得的信号,通过特征值提取可以表征物体的粗糙-光滑、稀疏-细密属性。     

基于全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器阵列的铝板缺陷成像研究

板材在生产、运输或使用过程中易产生缺陷,影响板材的使用并造成安全隐患。采用传感器阵列成像技术能够直观、清晰地显示出缺陷的相关信息。SH_0模态在铝板中传播时无频散现象,波速恒定,在对信号进行处理时,不需要考虑频散特性带来的影响,有利于缺陷定位和成像。基于磁致伸缩换能机理,研制出一种能在板中激励接收SH波最低阶模态即SH_0模态的磁致伸缩贴片型传感器,并测试其全向性。以工程中应用广泛的铝板作为研究对象,运用研制的全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器布置成分布式传感器阵列。利用椭圆成像算法,实现了铝板中不同直径的模拟缺陷成像检测,探究了全向性SH_0模态磁致伸缩贴片型传感器阵列的检测能力,并基于ROC曲线设定成像通用阈值,提高了缺陷成像质量。     

可穿戴式电子织物仿生皮肤设计与应用研究

为满足电子仿生皮肤的穿戴舒适度,提出了一种电容式柔性织物压力传感器,采用丝网印刷工艺,以织物为柔性基体,炭黑填充型复合弹性电介质和有机硅导电银胶制备柔性压敏触觉单元。介绍了压敏单元的结构设计与感知机理,研究了炭黑含量与温度对织物触觉单元性能的影响,改善了该电子织物的输出线性度与重复性,实现了0~700 k Pa量程范围迟滞误差为5.6%,动态响应时间为89 ms,灵敏度为0.025 36%/KPa,同时,引入温度补偿以提升触觉感知准确性。通过将织物压敏单元应用于足底压力信息的时空分布研究和机械手的软抓取实验,其足底压力分布及触觉感知实验结果表明,该电容式柔性织物压力传感器具有良好的工作稳定性与触觉感知功能,为可穿戴式人工皮肤的研究提供了一种设计方案。     

六磁极差动式逆磁致伸缩效应应力传感器的设计

基于铁磁材料逆磁致伸缩效应的应力测试是一种新技术。目前对该技术的研究重点是如何提高它的测试灵敏度。涉及测试灵敏度的因素很多 ,其中最主要的因素就是传感器的合理设计。设计了一种六磁极差动式磁致伸缩效应应力传感器 ,并对试件进行了扭转和单向拉伸应力测试。通过与应变电测试验比较 ,验证了该传感器的基本磁测性能与理论分析的一致性 ,结果也表明这种传感器具有灵敏度高、结构简单以及可用于多种形式应力检测等特点。     

基于全向型S_0模态磁致伸缩传感器的无参考缺陷成像方法研究

Lamb波具有传播距离远、衰减小等优点,能在板结构中实现大范围、高效率的损伤检测和监测,在无损检测和结构健康监测领域具有极大的应用潜力。针对板结构大范围健康监测问题,为了能周向一致地激励出模态单一Lamb波S0模态,提高缺陷成像能力,基于磁致伸缩效应,设计并制作一种全向型S0模态磁致伸缩传感器,由印刷电路板线圈,圆柱磁铁,圆形镍片组成。试验验证研制的传感器能够在铝板中有效激励出单一的S0模态,并测试其频率响应特性以及全向性,结果表明设计传感器中心频率为365 k Hz,并具有较好的全向性。进一步利用研制的全向型S0模态磁致伸缩型传感器组成稀疏传感器阵列。采用自激自收的方式对铝板结构中缺陷进行检测。利用离散圆弧成像与数据融合算法相结合的方法对多组数据进行处理,消除常规的稀疏传感器阵列成像时对结构健康状况下的信号依赖,无需健康状况下的信号作为参考,实现了在板结构中缺陷的定位和成像。     

基于逆磁致伸缩效应的铁磁构件应力检测方法研究

基于逆磁致伸缩效应的铁磁构件应力测试是一种新的应力无损检测方法,灵敏度低是目前该技术工程化推广应用的瓶颈。针对铁磁构件应力难以检测的问题,提出基于逆磁致伸缩效应的方法对应力进行检测。基于铁磁材料的逆磁致伸缩效应,研制出一种磁各向异性六极探头传感器,并通过对铁磁平板试件单向静载拉伸实验验证其有效性。结果表明,磁各向异性六极探头传感器可以有效检测铁磁平板试件的应力集中位置,且应力与磁信号存在较好的的线性相关性,这为铁磁构件应力检测提供了一条新思路。     

磁致伸缩超声导波管道检测传感器研究进展

超声导波无损检测技术因其使用频率低、传播距离远和信号衰减小等特点,可以实现高效率、非接触、长距离和大范围的管道缺陷检测,受到国内外学者的广泛青睐与关注.在介绍磁致伸缩物理特性和磁致伸缩超声导波传感器检测原理的基础上,从制作超声导波传感器的磁致伸缩材料和传感器的结构设计与优化两方面,综述了磁致伸缩超声导波传感器的研究现状...     

磁致伸缩超声导波管道检测传感器研究进展北大核心CSCD

超声导波无损检测技术因其使用频率低、传播距离远和信号衰减小等特点,可以实现高效率、非接触、长距离和大范围的管道缺陷检测,受到国内外学者的广泛青睐与关注。在介绍磁致伸缩物理特性和磁致伸缩超声导波传感器检测原理的基础上,从制作超声导波传感器的磁致伸缩材料和传感器的结构设计与优化两方面,综述了磁致伸缩超声导波传感器的研究现状,并对其发展趋势进行了展望。     

磁致伸缩位移传感器检测信号分析

实验研究了磁致伸缩位移传感器的探测电压信号,以便提高磁致伸缩位移传感器的检测精度。分析和验证了波导丝材料、驱动脉冲电流、检测线圈等参数对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响规律。对检测线圈进行了优化设计,基于实验数据确定了传感器的各项参数值。实验发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝,可明显提高电-磁-机械能的转换效率,获得较大的检测电压信号。研制了新型Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器样机,并与Fe-Ni波导丝传感器进行了性能对比。结果表明,与Fe-Ni波导丝相比,Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器的检测信号明显增强,信噪比显著提高,其检测电压信号幅值比Fe-Ni波导丝检测电压信号幅值提高了40mV,相应的传感器精度提高了2倍。     

磁致伸缩与磁弹一体化传感器的研制

为开发具有缺陷检测与应力测量双功能的单体传感器,设计出一种包括静态偏置磁路和内、外层感应线圈的一体化传感器结构,可工作于磁致伸缩与磁弹传感器两种模式。结合磁致伸缩与磁弹基本理论,以能量转换效率和应力测量灵敏度为指标,采用有限元仿真法对一体化传感器的偏置磁场进行优化选取。一体化传感器的试验测试结果表明,传感器工作于磁致伸缩传感器模式时,可在直径6.3 mm钢杆中激励产生L(0,1)模态超声导波并有效检测出宽度和深度均为1 mm的槽型缺陷,增加外层感应线圈的驱动直流可对静态偏置磁场强度进行补偿以使接收的缺陷回波信号幅值增加,提高传感器的缺陷检测能力;工作于磁弹传感器模式时,随激励信号幅值增大,传感器的应力测量灵敏度和测量结果线性度均有提高,其中测量结果线性拟合确定系数最高达0.992 4,表明一体化传感器可用于高精度应力测量。     

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。     

超磁致伸缩换能器预应力优化设计方法研究

为优化超磁致伸缩换能器的工作性能、提高输出振幅,基于预应力对磁致伸缩效应的作用机理,建立了饱和磁致伸缩系数与预应力的关系模型。提出磁致伸缩灵敏度的概念,建立其与预应力和外磁场强度之间关系的理论模型。以超声换能器输出振幅最大为目标,提出以磁致伸缩平均灵敏度最大为准则的最佳预应力值确定方法。实验结果表明:随着预应力的增大,磁致伸缩平均灵敏度存在极大值,该预应力可在一定驱动磁场强度下获得最大的超声振幅,由此验证了磁致伸缩灵敏度模型的正确性和最佳预应力确定方法的可行性。提出的最佳预应力模型对超磁致伸缩换能器设计中预应力的选择具有指导意义,有助于大振幅超磁致伸缩换能器的设计及应用。     

双棒型磁致伸缩换能器的结构设计和特性分析

针对高频激励下磁致伸缩换能器磁场环境较差和能量损耗过高的问题,提出一种新型双棒驱动的磁致伸缩换能器设计方案.基于COMSOL仿真软件,从超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)、磁路结构和驱动线圈3个方面对双棒型磁致伸缩换能器进行优化设计.按照设计方案制作了一台双棒型磁致伸缩换能器样机,对样机的输出特性进行了实验测试,结果表明该双棒型磁致伸缩换能器在6.4 kHz的高频激励下,输出振幅达48 μm,输出力幅值能稳定在15 N左右,输出特性良好,为高频磁致伸缩换能器的结构设计和仿真优化提供了较好的依据.